ОПТИЧЕСКИЙ ДЖОЙСТИК
OPTICAL JOYSTICK

Изобретение относится к джойстикам, используемым в вычислительной технике, в устройствах для ввода информации в ЭВМ, а также для 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 г. 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 г. 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 г. описано устройство " sPointing device utilizing a photodetector array and controlled by a human finger contacting a prim," 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. 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 заявленному изобретению является оптический джойстик по патенту США №6740863, МПК G09G, заявл. 20 декабря 2002 г., опубл. 25 мая 2004 г. Оптический джойстик содержит корпус и управляющую рукоятку, источник света и фотоэлектрические преобразователи, расположенные на основании и соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных, и средство изменения интенсивности светового потока.
Средство изменения интенсивности светового потока выполнено в виде светоотражающей поверхности, обращенной к фотоэлектрическим преобразователям, и имеет возможность изменения положения относительно них с помощью управляющей рукоятки,
Недостатком такого джойстика является использование в его конструкции достаточно сложных механических деталей и узлов, имеющих большие габариты, которые делают его малонадежным, неудобным в использовании и сложным, в целом, устройством.
Техническим результатом заявляемого изобретения является исключение из конструкции сложных механических деталей и узлов, что позволяет упростить конструкцию оптического джойстика, повысить его надежность, уменьшить габариты и обеспечить удобства пользования.
Заявляемый технический результат достигается тем, что оптический джойстик содержит корпус, управляющую рукоятку, источник света, фотоэлектрические преобразователи, расположенные на основании и соединенные с микропроцессором с помощью шин и средств передачи данных, средство изменения интенсивности светового потока, выполненное в виде светоотражающей поверхности, обращенной к фотоэлектрическим преобразователям, и имеющее возможность изменения положения относительно них с помощью управляющей рукоятки.
Новым в изобретении является то, что джойстик снабжен упругодеформируемым элементом, причем управляющая рукоятка расположена на его наружной поверхности, а светоотражающая поверхность - на внутренней и обращена к основанию, которое выполнено в виде печатной платы, источник света также расположен на этой плате.
В качестве источника света может быть использован светодиод или лазер.
В качестве приемника света могут быть использованы фотодиоды.
Приемник света может содержать два фотодиода, размещенных радиально от источника света, так что радиальный угол между ними равен 90 или 180 градусов. Приемник света может содержать четыре фотодиода, размещенных радиально от источника света, так что радиальный угол между ними равен 90. Приемник света также может содержать несколько фотодиодов, размещенных радиально от источника света, так что радиальные углы между ними равны.
Упругодеформируемый элемент может быть закреплен на печатной плате путем приклеивания и/или с помощью механических крепежных элементов, в качестве которых могут быть использованы заклепки, штыри, скобки или хомуты.
Свободный конец управляющей рукоятки оптического джойстика снабжен головкой в виде выпуклой или вогнутой сферы, имеющей с рукояткой разъемное или неразъемное соединение.
Упругодеформируемый элемент оптического джойстика может содержать опорные поверхности в виде бортиков, бобышек или отливов и соединен с их помощью с печатной платой. Соединение может быть выполнено путем сварки или пайки.
На печатной плате могут быть выполнены отверстия или пазы и в них расположены опорные поверхности упругодеформируемого элемента.
Источник и приемники света могут быть отделены от упругодеформируемого элемента защитной пластиной, в которой выполнены отверстия для прохода света от источника света к приемникам.
Источник и приемники света могут быть закреплены на обратной стороне платы, а в местах их крепления в плате выполнены отверстия для прохода света.
На прилагаемых чертежах изображен оптический джойстик:
- на фигурах 1-3 показаны конструкции оптического джойстика с разными вариантами крепления упругодеформируемого элемента к плате;
- на фигурах 4, 5 и 6 показаны конструкции оптического джойстика с разным количеством фотодиодов и разным их расположением, а также схема подключения к микропроцессору;
На фигурах 1-6 цифрами обозначены:
1 - печатная плата;
2 - корпус;
3 - упругодеформируемый элемент;
4 - управляющая рукоятка;
5 - источник света (светодиод, лазер);
6 - фотоэлектрический преобразователь (фотодиод, фоторезистор);
7 - микропроцессор;
8 - шины и средства передачи данных;
9 - светоотражающая поверхность;
10 - фиксирующие элементы корпусных деталей;
11 - пазы или отверстия для прохода света в плате 1;
12 - защитная пластина;
13 - отверстия или прорези в защитной пластине 12;
14 - головка рукоятки.
Оптический джойстик включает плату 1 (фиг.1-6), корпус 2, упругодеформируемый элемент 3, выполненный за одно целое с управляющей рукояткой 4.
На плате 1 под упругодеформируемым элементом 3 расположены источник света 5 (светодиод или лазер) и не менее одного приемника света 6 (фотодиода, фоторезистора), которые соединены с микропроцессором 7 (фиг.4, 6) шинами и средствами передачи данных 8. Упругодеформируемый элемент 3 содержит светоотражающую или светопоглощающую поверхность 9 (фиг.1-3), расположенную над источником света 5 и фотоэлектрическими преобразователями 6. Светоотражающая поверхность 9 выполнена либо в виде лакокрасочного покрытия, содержащего светоотражающие вещества, например алюминиевую, бронзовую или иную металлическую пудру, либо в виде пленки металла, нанесенного на упругодеформируемый элемент, либо в виде зеркальной металлизированной полимерной пленки, которая приварена или приклеена к упругодеформируемому элементу.
Упругодеформируемый элемент выполнен в виде пластины с управляющей рукояткой 4, опирающейся на элементы корпуса 2 оптического джойстика, прикрепленного к плате 1 (как на фиг.1).
Упругодеформируемый элемент 3 (фиг.2) может быть выполнен в виде детали, с одной стороны которой имеется управляющая рукоятка 4, а с другой стороны имеется выемка для прохода света от источника света 5 к фотоэлектрическим преобразователям 6. В таком исполнении упругодеформируемый элемент 3 оптического джойстика крепится в устройстве путем прижима фиксирующими элементами 10 корпусных деталей. Упругодеформируемый элемент 9 также может быть закреплен на печатной плате 1 путем приклеивания, сварки, пайки и/или с помощью механических крепежных элементов (на чертежах не показано), в качестве которых могут быть использованы заклепки, штыри, скобки, хомуты и т.п.
Светодиод 5 и фотодиоды 6 припаяны к плате 1 со стороны, противоположной стороне платы, обращенной к светоотражающей или светопоглощающей поверхности 9, а в местах их пайки выполнены пазы или отверстия 11 для прохода света
В качестве эластичного материала могут использоваться различные сорта резин, силиконов, полиуретанов или иных эластичных полимеров.
В оптическом джойстике (фиг.3) источник 5 и приемники света 6 могут быть отделены от упругодеформируемого элемента защитной пластиной 12, в которой имеются отверстия или прорези 13 для прохода света от источника света к фотоэлектрическим преобразователям.
Свободный конец управляющей рукоятки 4 может быть снабжен головкой 14 в виде выпуклой или вогнутой сферы, имеющей с рукояткой 4 разъемное или неразъемное соединение.
В оптическом джойстике (фиг.4) установлен один светодиод 5 и два фотодиода 6, размещенных радиально от светодиода 5, так что радиальный угол между ними равен 90 или 180 градусов, а в джойстике (фиг.5) установлен один светодиод 5 и восемь фотодиодов 6.
Оптический джойстик (фиг 6) может содержать один светодиод 5 и четыре фотодиода 6, размещенных радиально от светодиода 5, так что радиальный угол между ними равен 90°, или один светодиод 5 (фиг.6) и четыре фотодиода 6.
Оптический джойстик работает следующим образом. В ненажатом состоянии (фиг.1) свет от светодиода 5 отражается от недеформированной светоотражающей поверхности 9 и попадает на фотоэлектрические преобразователи 6, которые находятся примерно в одинаковом состоянии. Это состояние фиксируется микроконтроллером 7 как ненажатое исходное состояние.
Для управления объектами оператор нажимает пальцем руки управляющую рукоятку 4 оптического джойстика (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 в зависимости от угла наклона управляющей рукоятки 4 джойстика. Эти изменения фиксируются фотоэлектрическими преобразователями 6. С помощью шин и средств передачи данных 8 сигналы от фотоэлектрических преобразователей 6 передаются в микропроцессор 7 (фиг. 4-6).
С помощью микропроцессора 7 анализируются состояния фотоэлектрических преобразователей 6 и по их значениям, используя известные алгоритмы, вычисляют угол направления нажатия управляющей рукояткой 4 и управляющую команду.
Как видно из описания, предлагаемый оптический джойстик по конструкции чрезвычайно прост, имеет малые габариты. 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 джойстики найдут самое широкое применение в электронике.