МАГНИТНЫЙ ДЖОЙСТИК

Полезная модель относится к области устройств дистанционного управления техническими объектами и курсорами дисплеев, а именно к джойстикам, основанным на использовании магнитных сенсоров, реагирующих на изменение магнитного потока при изменении положения задающего органа управления.
Известно техническое решение по патенту US №4500867. В нем описан бесконтактный джойстик, состоящий из немагнитного статора, в сферической полости которого установлен шарообразный ротор из немагнитного материала с рычагом. Внутри шарообразного ротора закреплен кольцеобразный магнит. На немагнитном статоре в одной плоскости установлены два магниточувствительных элемента. Для фиксации положения ротора в нижней части статора установлен пружинный элемент в виде корончатой шайбы. Недостатками такого решения является сложность конструкции, малый угол поворота в вертикальной плоскости и невозможность самоустановки рычага в исходном положении.
Под самоустановкой рычага в исходном положении понимается самопроизвольное перемещение рычага в исходное положение без участия человека-оператора, то есть, если человек-оператор отпустит отклоненный от исходного нейтрального положения рычаг, то он самостоятельно возвратится в исходное положение.
Другим аналогом полезной модели является техническое решение по заявке US №2007262959, по которому магнитный джойстик содержит основание, на котором располагаются магниточувствительные сенсоры, сферический шарнир со штоком, зафиксированным на нем. На конце штока установлен диск с четырьмя магнитами, которые взаимодействуют с магнитными сенсорами. На основании имеется подвижное седло для конической пружины, которая позволяет самоустанавливаться штоку в исходном положении. Недостатком такого решения является сложность, большие габариты, малый диапазон угла поворота штока в вертикальной плоскости - до 60°.
Аналогом заявляемой полезной модели также является модуль электронного дистанционного управления (джойстик) на сенсорах Холла (патент RU №2334267). Он включает в себя шарообразную головку рычага с закрепленным в ней постоянным магнитом, установленную в немагнитном корпусе с возможностью поворота, и магниточувствительные сенсоры, закрепленные в немагнитном корпусе. Для самоустановки рычага в исходном положении в конструкции джойстика предусмотрены подвижная втулка и пружина, установленные соосно на рычаге. Благодаря тому, что шарообразная головка представляет собой усеченную сферу, магниточувствительные сенсоры находятся в полости, образованной сферической поверхностью внутри немагнитного корпуса. Этим достигается уменьшение габаритов устройства.
Недостатком аналога является малый диапазон углов поворота рычага в вертикальной плоскости - до 60°. Это объясняется тем, что при повороте рычага плоская поверхность шарообразной головки упирается в один из магниточувствительных сенсоров (они находятся внутри сферического пространства под головкой). Другим недостатком указанного устройства является сложность конструкции, обеспечивающей самоустановку рычага в исходном положении, и, как следствие, ненадежность устройства в целом.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является магнитный джойстик по патенту US №5969520, который содержит корпус со сферической полостью. Корпус имеет отверстие меньшее, чем диаметр сферической полости, внутри которой установлен магнитный шар с закрепленным на нем рычагом с возможностью поворота, причем рычаг закреплен на одном из магнитных полюсов магнитного шара. В корпусе также установлены два магниточувствительных датчика (датчики Холла), связанные с микроконтроллером. Такое техническое решение имеет высокую надежность и позволяет управлять перемещением объекта управления по двум координатам.
Недостатком прототипа является малый диапазон углов поворота рычага в вертикальной плоскости, не более 90°. Это объясняется тем, что угол поворота рычага ограничен диаметром отверстия в корпусе и толщиной рычага. Другим недостатком является отсутствие возможности самоустановки рычага в исходном вертикальном положении. Недостатком устройства является также сложность конструкции - магнитный шар находится в сферической полости корпуса, состоящей из двух частей, причем необходимо обеспечить высокие требования по точности сопряжения магнитного шара со сферической полостью с минимальными зазорами.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое решение, является малый диапазон углов поворота рычага, отсутствие возможности самоустановки рычага в исходном вертикальном положении, а также сложность конструкции.
Техническим результатом реализации предлагаемой полезной модели является повышение функциональных возможностей магнитного джойстика, а именно увеличение диапазона поворота рычага и осуществление самоустановки рычага в исходном положении, а также упрощение конструкции.
Решение указанной технической проблемы достигается тем, что в джойстике, содержащем магнитный шар с закрепленным на одном из его магнитных полюсов рычагом, установленный в немагнитном корпусе с возможностью поворота, и два магнитчувствительных датчика, закрепленных на немагнитном корпусе, магнитный шар опирается на коническую поверхность фаски отверстия в немагнитном корпусе, в котором соосно с этим отверстием закреплен ферромагнитный стержень.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что магнитный шар выполнен из неодимового сплава, а рычаг - из немагнитного материала.
Сущность полезной модели состоит в том, что в отличие от прототипа, в котором магнитный шар установлен внутри сферической полости, магнитный шар опирается на коническую поверхность фаски отверстия в немагнитном корпусе. Таким образом, большая часть магнитного шара остается вне корпуса, кроме того, существенно упрощается конструкция немагнитного корпуса. Указанный признак полезной модели позволяет существенно увеличить диапазон поворота рычага в любом направлении. Для того чтобы магнитный шар оставался постоянно в контакте с конической поверхностью фаски отверстия при повороте рычага, в немагнитном корпусе соосно с отверстием закреплен ферромагнитный стержень. Кроме того, наличие указанного признака полезной модели обеспечивает также самоустановку рычага в исходном положении по оси отверстия, так как рычаг закреплен на одном из полюсов магнитного шара. При отклонении человеком-оператором рычага от исходного положения и дальнейшего его отпускания магнитные силы, действующие между магнитным шаром и ферромагнитным стержнем, восстановят его исходное положение - положение равновесия магнитных сил.
Для увеличения магнитной силы прижима в качестве материала магнитного шара использован неодимовый сплав, а для осуществления надежной самоустановки в исходном положении рычаг выполнен из немагнитного материала, в противном случае возможно «залипание» рычага в крайних положениях, так как он будет притягиваться к ферромагнитному стержню.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 изображен магнитный джойстик в осевом разрезе с возможными крайними положениями рычага в одной из вертикальных плоскостей, на фиг. 2 изображен магнитный джойстик, вид сверху с вырывом по магнитному шару.
Магнитный джойстик содержит немагнитный корпус 1, на котором установлена печатная плата 2 с магниточувствительными датчикам 3 и 4 (например, с датчиками Холла), оси чувствительности 5 и 6 которых перпендикулярны и пересекаются на оси отверстия 7, а также микроконтроллер 8, подключенный к датчикам 3 и 4. Печатная плата 2 закрыта кожухом 9. В нижней части немагнитного корпуса 1 соосно с отверстием 7 закреплен при помощи резьбы ферромагнитный стержень 10. В отверстии 7 имеется фаска 11, на коническую поверхность которой опирается магнитный шар 12 с рычагом 13. За счет магнитного взаимодействия между ферромагнитным стержнем 10 и магнитным шаром 12 создается сила прижима его к конической поверхности фаски 11.
Устройство работает следующим образом. При повороте рукой человека-оператора рычага 13 магнитный шар 12 поворачивается вокруг своего центра в любом нужном направлении, и при этом происходит изменение положения магнитных силовых линий относительно магниточувствительных датчиков 3 и 4. Это приводит к изменению выходных сигналов указанных датчиков, поступающих на микроконтроллер 8, который выдает управляющие сигналы на объект управления. Если человек-оператор отпустит рычаг 13, то под действием магнитного поля он вместе магнитным шаром 12 самопроизвольно возвратится в исходное вертикальное положение - положение равновесия магнитных сил.
Возможна ситуация, когда человек-оператор после окончания работы с джойстиком захочет запретить несанкционированный доступ к управлению, тогда он может просто удалить магнитный шар 12 с рычагом 13 из корпуса 1, приложив небольшую силу.
В случае непредвиденной ситуации, когда магнитный шар 12 случайно окажется вне корпуса 1 (например, при падении джойстика), микроконтроллер 8 по отсутствию сигналов от магниточувствительных датчиков 3 и 4 или при их скачкообразном изменении останавливает объект управления и запоминает его положение на момент отрыва магнитного шара 12 от корпуса 1. При восстановлении работоспособности джойстика программное обеспечение микроконтроллера 8 позволяет вывести объект управления в исходное положение.
Таким образом, заявляемый магнитный джойстик обладает повышенными функциональными возможностями и простотой конструкции, а именно он имеет диапазон поворота рычага q≈160° в любой вертикальной плоскости, что примерно в два раза превышает аналогичный параметр прототипа. Заявляемый магнитный джойстик дополнительно имеет функцию самоустановки рычага в исходном положении, а также имеется возможность предотвращения несанкционированного доступа к управлению джойстиком. Габариты устройства могут быть достаточно малыми, например, ∅50×50 мм при диаметре магнитного шара ∅15 мм.