ОПТИЧЕСКИЙ МИНИСТИК
OPTICAL MINISTICK

Изобретение относится к джойстикам, используемым в вычислительной технике, в устройствах для ввода информации в ЭВМ, управления бытовыми и технологическими устройствами, игрушками и виртуальными объектами.
Известны оптические джойстики, например, по патентам US 5694153, 4459022, 6130424, 6222179, 5223709, 5578817, 6218659, 6740863, 7633047, GB 2334573 А, 25.08.1999, RU 2087029 С1, 10.08.1997, RU 2233489 С2, 27.07.2004, RU 2295749 13.07.2005 и т.п.
Патенты США №4459022, 6130424, 6222179 и др. раскрывают волоконно-оптические джойстики или датчики, содержащие несколько оптических кабелей, один из которых соединен с источником света, а остальные с приемниками света. Ручка джойстика соединена с зеркалом, на которое направлено волокно, соединенное с источником света. При изменении угла наклона ручки луч света от зеркала отражает его на остальные четыре оптических кабеля, по которым он направляется на приемники излучения или преобразуется в управляющий сигнал.
Патент США №5223709 от 29.06.1993 раскрывает оптический джойстик, содержащий соединенный с ручкой управления джойстика оптический шар, на поверхности которого нанесена серая кодирующая шкала, модулирующая интенсивность излучения источника света, направленного на шар, и приемника света (фотодиода), принимающего оптический сигнал, модулированный серой кодирующей шкалой.
Патент США №6218659 В1 от 17.04.2001 раскрывает оптический трекбол, в котором шар, покрытый сложным узором или рельефом, освещается светодиодом, а датчик изображения вырабатывает управляющие сигналы в зависимости от угла поворота шара.
В патенте США 5578817 от 26.11.1996 описано устройство "Pointing device utilizing a photodetector array and controlled by a human finger contacting a prism", в котором применяется массив фотодетекторов для определения движения человеческого пальца и выработки управляющих сигналов.
В патенте РФ №2295749 от 13.07.2007 г описан оптический джойстик, который содержит корпус, подвижную деталь с двумя или более степенями свободы, один или более источников излучения, формирующих на многоэлементном фотодетекторе освещенные области, местоположение которых однозначно соответствует положению подвижной детали, причем источники излучения и фотодетектор расположены неподвижно и оптически связаны друг с другом через зеркало или систему зеркал, расположенных на подвижной детали, детали подвижного соединения выполнены упругими, возвращающими подвижную деталь в начальное положение.
В патенте США 7633047 от 15.12.2009 раскрыт модуль оптического датчика, содержащий печатную плату, датчик изображения и объектив, расположенный на верхней поверхности клавиатуры и один или более источников света, расположенных вокруг датчика изображения.
Палец, приложенный к объективу, освещается источниками света. Отраженное изображение фокусируется объективом на датчике изображения. Обрабатывая сигналы датчика изображения по специальным алгоритмам, оптический модуль определяет направление движения пальца, приложенного к объективу, и вырабатывает управляющие сигналы.
Недостатками описанных оптических джойстиков является излишняя сложность конструкции, определяющая их высокую стоимость.
Например, в оптических джойстиках, которые используют массив фотодиодов или датчик изображения приходится использовать достаточно дорогие высокоточные линзы, которые к тому же быстро затираются пальцами и выходят из строя.
Наиболее близким к изобретению является патент США №6,740,863 от 25.05.2004, по которому джойстик содержит корпус, источники света, расположенные напротив них фотоэлектрические преобразователи и управляющую рукоятку, соединенную карданно-шарнирным механизмом, преобразующим механическое отклонение управляющей рукоятки в угол поворота двух отражающих поверхностей, которые в свою очередь, выдвигаясь или задвигаясь между источником и приемником света, модулируют изменяющийся по интенсивности световой поток, который преобразуется фотоэлектрическим преобразователем в управляющий сигнал.
Недостатком прототипа является использование достаточно сложных механических деталей и узлов, которые делают джойстики малонадежными и достаточно сложными устройствами.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции оптического джойстика, повышение его надежности, уменьшение габаритов и повышение удобства пользования.
Известен трехмерный микроджойстик по патенту РФ №2301439, который содержит корпус с управляющей рукояткой, которая соединена с упругодеформируемым элементом, на поверхности которого расположены тензорезисторы, соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных. Применение упругодеформируемого элемента микроджойстика позволяет значительно упростить его механическую часть, полностью заменив сложную механическую конструкцию одной единственной деталью.
По патенту РФ №2455678 от 10.07.2012 известен многофункциональный переключатель, содержащий корпус с управляющей рукояткой, которая соединена с упругодеформируемым элементом, на поверхности которого расположены тензорезисторы, соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных, при этом упругодеформируемый элемент многофункционального переключателя выполнен в виде закрепленного на печатной плате усеченного полого конуса или иной осесимметричной полой фигуры из эластичного материала, сужающейся к низу с вырезами на боковой поверхности или без них, в центре полости которой расположена управляющая рукоятка, при этом упругодеформируемый элемент закреплен на печатной плате путем приклеивания и/или с помощью механических крепежных элементов.
Этот подход был применен в изобретении для достижения технического эффекта.
Предложен оптический министик, содержащий корпус с управляющей рукояткой, устройство, преобразующее отклонение управляющей рукоятки в изменяющийся по интенсивности световой сигнал, и оптоэлектронные элементы в виде источников света и приемников света, соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных, причем устройство, преобразующее отклонение управляющей рукоятки в изменяющийся по интенсивности световой сигнал, представляет собой упругодеформируемый элемент в виде детали из эластичного полимерного материала, содержащей светоотражающую поверхность, расположенную над оптоэлектронными элементами, согласно изобретению содержит несколько источников света расположенных вокруг одного приемника света.
Основные отличия заявляемого объекта заключаются в следующем.
1. Оптический министик содержит несколько источников света, расположенных вокруг одного приемника света.
2. Схема управления содержит микропроцессор с ключами управления для поочередного включения и выключения источников света по заданной программе, например поочередно, последовательно друг за другом, или попарно, или группами на время, необходимое для измерения интенсивности освещения приемника, причем процесс измерений циклически повторяется.
3. Упругодеформируемый элемент выполнен в виде эластичной детали, на внешней поверхности которой имеется управляющая рукоятка, а внутренняя сторона, обращенная к приемнику и источникам света, содержит светоотражающую поверхность плоской, выпуклой или вогнутой формы.
Приведенные отличия 1, 2 и 3 позволяют получить заявленный технический эффект и не встречается в известных источниках технической информации, поэтому может считаться новым.
Следующие отличия известны и применяются в аналогах, но в рамках изобретения являются новыми.
4. Упругодеформируемый элемент выполнен из резины, силиконового пластика или полиуретана.
5. В качестве источников света используются светодиоды.
6. В качестве источников света используются лазеры.
7. В качестве приемника света используется фотодиод.
8. В качестве приемника света используется фоторезистор.
9. В качестве источников света используются два светодиода, размещенные радиально от приемника света, так что радиальный угол между ними равен 90 или 180°.
10. В качестве источников света используются четыре светодиода, размещенные радиально от приемника света, так что радиальный угол между ними равен 90°.
11. В качестве источников света используются несколько светодиодов, размещенных радиально от приемника света, так что радиальные углы между ними равны.
12. Для отображения его состояния используются дисплеи или светодиоды, расположенные возле манипулятора или непосредственно на нем.
13. Свободный конец управляющей рукоятки снабжен головкой, выполненной в виде съемной или постоянно закрепленной сферы либо плоской, выпуклой или вогнутой детали.
14. Упругодеформируемый элемент закреплен на печатной плате механическими крепежными элементами в виде скобок или хомутов, либо удерживается фиксирующими элементами корпусных деталей, либо приклеен к ней.
15. Источники света и приемник расположены или выполнены на одной подложке, модуле или основании.
Отличие 15 описано в патентной заявке США №20110064110 А1 от 17.03.2011, где раскрыто устройство VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER DEVICE WITH MONOLITHICALLY INTEGRATED PHOTODIODE, содержащее вертикально излучающий лазер и фотодиод, размещенные на одном кристалле. Однако в рамках предложенного оптического министика оно является новым.
16. Источники и приемник света отделены от упругодеформируемого элемента защитной пластиной, в которой имеются отверстия или прорези для прохода света от источника света к фотоэлектрическим преобразователям.
17. Источники и приемник света припаяны к плате со стороны, противоположной стороне платы, обращенной к светоотражающей поверхности, а в местах их пайки выполнены пазы или отверстия для прохода света
Отличия 16 и 17 являются новыми и не встречаются в известных конструкциях министиков.
Таким образом, имеется достаточное количество существенных отличий, позволяющих охарактеризовать предложенное решение как новое изобретение.
Описание изобретения поясняется фиг. 1-7.
На фиг. 1-3 показано устройство вариантов конструкций оптического министика с разными вариантами крепления упругодеформируемого элемента к плате;
на фиг. 4 и 5 показаны конический вогнутый и сферический выпуклый варианты формы светоотражающей поверхности упругодеформируемого элемента;
на фиг. 6-8 показаны варианты оптического министика с разным количеством светодиодов и разным их расположением и схема подключения к микропроцессору;
на фиг. 9 показан вариант конструкции оптического министика с размещением оптоэлектронных элементов на одном кристалле для интегрального варианта исполнения или на одной общей подложке для гибридного варианта монтажа.
На фиг. 1-9 цифрами обозначены:
1 - печатная плата;
2 - корпус;
3 - упругодеформируемый элемент;
4 - управляющая рукоятка;
5 - приемник света (фотодиод, фоторезистор);
6 - источник света (светодиод, лазер);
7 - микропроцессор с блоком ключей;
8 - шины и средства передачи данных;
9 - светоотражающая поверхность;
10 - фиксирующие элементы корпусных деталей;
11 - общий кристалл, или модуль или основание;
12 - защитная пластина с отверстиями или прорезями.
На фиг. 1 и 2 показан оптический министик, размещенный на плате 1, состоящий из корпуса 2, упругодеформируемого элемента 3, выполненного за одно целое с управляющей рукояткой 4.
На плате 1 под упругодеформируемым элементом 3 расположены приемник света (фотодиод, фоторезистор) 5 и не менее одного источника света (светодиод, лазер) 6, которые соединены с микропроцессором 7 шинами и средствами передачи данных 8. Упругодеформируемый элемент 3 в виде детали из эластичного полимерного материала содержит светоотражающую поверхность 9, расположенную над фотоэлектрическим преобразователем 5 и источниками света 6. Светоотражающая поверхность 9 может быть различной формы - плоской, выпуклой или вогнутой. Например, на фиг. 4 показана коническая, а на фиг. 5 сферическая выпуклая поверхность.
Упругодеформируемый элемент выполнен из эластичного материала в виде пластины с управляющей ручкой 4, опирающейся на элементы корпуса 2 оптического министика, прикрепленного к плате 1 (как на фиг. 1).
На фиг. 2 показан оптический министик с упругодеформируемым элементом 3 в виде детали, с одной стороны которой имеется управляющая ручка 4, а с другой стороны имеется выемка для прохода света от источников света 6 к фотоэлектрическому преобразователю 5 (как на фиг. 2). В таком исполнении упругодеформируемый элемент 3 оптического министика крепится в устройстве путем прижима фиксирующими элементами корпусных деталей 10.
На фиг. 2 показан вариант конструкции оптического министика, в котором фотодиод 5 и светодиоды 6 припаяны к плате со стороны, противоположной стороне платы, обращенной к светоотражающей поверхности 9, а в местах их пайки выполнены пазы или отверстия для прохода света.
В качестве эластичного материала могут использоваться различные сорта резин, силиконов, полиуретанов или иных эластичных полимеров.
На фиг. 3 показан оптический министик, в котором источники 6 и приемник света 5 отделены от упругодеформируемого элемента защитной пластиной 12, в которой имеются отверстия или прорези для прохода света от источника света к фотоэлектрическим преобразователям.
На фиг. 6 показан оптический министик, в котором установлен один фотодиод 5 и два светодиода 6, размещенные радиально от фотодиода 5, так что радиальный угол между ними равен 90 или 180°.
На фиг. 7 показан оптический министик, в котором установлен один фотодиод 5 и восемь светодиодов 6.
На фиг. 8 показан оптический министик, в котором установлен один фотодиод 5 и четыре светодиода 6, размещенные радиально от фотодиода 5, так что радиальный угол между ними равен 90°.
На фиг. 9 показан оптический министик, в котором один фотодиод 5 и четыре светодиода 6 установлены на одном кристалле, или модуле, или основании.
Оптический министик работает следующим образом.
В ненажатом состоянии (см. фиг. 1) свет от поочередно зажигаемых светодиодов 6 отражается от недеформированной светоотражающей поверхности 9 и попадает на приемник света 5. При этом уровни освещенности приемника света от противоположно размещенных источников света одинаковы. Это состояние фиксируется микроконтроллером 7 как ненажатое исходное состояние.
Для управления объектами оператор нажимает пальцем руки управляющую рукоятку 4 оптического министика в нужном направлении (см. фиг. 2). Силовое воздействие от нажатия рукояткой 4 передается на упругодеформируемый элемент 3, что вызывает его деформацию. Деформация упругодеформируемого элемента 3 приводит к деформации светоотражающей поверхности 9 и изменению распределения потоков света, попадающих на приемник света 5 от источников света 6 в зависимости от угла наклона управляющей ручки министика 4. При этом уровни освещенности приемника света от противоположно размещенных источников света значительно изменяются. Сигнал от приемника света 5 в виде величины напряжения Ui, зависящего от величины освещенности приемника света i-м источником света, с помощью шин и средств передачи данных 8 передается в микропроцессор 7 (фиг. 6, 8).
Схема управления содержит ключи управления для поочередного включения и выключения источников света по заданной программе. Программа управления светодиодами может, например, производить поочередное, или последовательное друг за другом, или попарное включение светодиодов. Для повышения точности управления возможно включение светодиодов группами по 2 или по 3 светодиода. Включение светодиодов производится на время, необходимое для измерения интенсивности освещения приемника.
После выполнения программы измерений она циклически повторяется.
Микропроцессор сравнивает значения сигналов Ui, поступивших от приемника света при его засветке i-ми источниками света и вычисляет направления и величины приращений перемещений курсора по координатам X и Y, зависящие от угла наклона управляющей рукоятки по известным формулам.
С помощью микропроцессора 7 анализируется состояние приемника света 5 для каждого зажженного светодиода 6 и по их значениям, используя известные алгоритмы, вычисляют угол направления нажатия управляющей рукоятки 4 и управляющую команду.
Например, для схемы, показанной на фиг. 8, засветка приемника света 5 осуществляется четырьмя светодиодами 6, расположенными парами вдоль ортогональных координат X и Y. Причем вначале поочередно включаются светодиоды, расположенные вдоль координаты X (моменты времени t2 и t2), а затем поочередно включаются светодиоды, расположенные вдоль координаты Y (моменты времени t3 и t4). От порядка включения светодиодов зависят точность и скорость работы министика.
Величина и направление приращений перемещений курсора по координатам ΔХ и ΔY могут быть вычислены по формулам
x
xt1
xt2
ΔX=k(U-U);
y
yt3
yt4
ΔY=k(U-U),
где ΔХ и ΔY - приращения перемещений курсора по координатам ΔХ и ΔY;
x
y
k и k - заданные коэффициенты чувствительности или передаточные функции влияния наклона рукоятки министика на величины приращений перемещений курсора по координатам ΔХ и ΔY;
xt1
xt3
xti
_
U и U значения сигналов приемника света U, поступившие в моменты измерения t1 и t2 при их засветке источниками света, расположенными вдоль координаты X в моменты времени t1 и t2;
yt3
yt4
yti
U и U - значения сигналов приемника света U, поступившие в моменты измерения t3 и t4 при их засветке источниками света, расположенными вдоль координаты Y в моменты времени t3 и t4.
Полученные величины приращений передаются в компьютер и используются для перемещения курсора по дисплею в зависимости от угла наклона министика.
Как видно из описания, предлагаемый оптический министик по конструкции чрезвычайно прост. Все его элементы могут изготавливаться на автоматических линиях. Сборка не требует значительных трудозатрат. Это позволяет организовать массовое производство с минимальной себестоимостью.
Обладая уникальным сочетанием простоты, дешевизны, надежности и многофункциональности, предлагаемые оптические министики найдут самое широкое применение в электронике.