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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Positioniervorrichtung, die
drei elektrische Signale liefert, proportional zur Bewegung eines Teiles der
Vorrichtung im dreidimensionalen Raum, d. h. proportional zu den drei
Koordinatenachsen x, y und z, die diese Position definieren, und speziell,
jedoch nicht ausschließlich, auf eine Vorrichtung zur Verwendung in
Verbindung mit einem Computer, um die Bewegung eines Cursors oder Objektes
in den x-y und z Richtungen bei Darstellung auf einem Computermonitor
zur ermöglichen.
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Übliche Anordnungen, die bei Computern benutzt werden, um die genaue
Position eines Cursors auf einem Schirm zu lokalisieren (wie bei der Xerox
Corporation "Maus") sind lediglich in der Lage, ein Signal bezüglich der
Bewegung in zwei Dimensionen zu liefern. Es ist bekannt, dass vorhandene
Positioniergeräte vom Maustyp und auch ähnliche zweidimensionale
Positioniergeräte, etwa Tastbildschirme, Lichtgriffel usw., oftmals ungenau sind,
schwierig zu benutzen, ergonomisch ermüdent, oftmals hinsichtlich der
Verwendung eingeschränkt sind und insbesondere im Falle der Maus der
Beeinträchtigung durch Ansammlung von Staub und Schmutz ausgesetzt
sind.
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Es sind existierende Positioniervorrichtungen für Computer bekannt, bei
denen ein Signal bezüglich der Position mittels der Interaktion einer Hall-
Effekt-Vorrichtung mit einem Magnetfeld ermittelt wird. Hall-Vorrichtungen
sind ein bekanntes Verfahren für die Ermittlung der Magnetfeldstärke, sie
sind abhängig von der Interaktion eines Magnetfeldes mit dem in einem
leitenden Material fließenden Strom, typischerweise einer dünnen
Halbleiterschicht. Wir beziehen uns auf den Hall-Effekt, erstmalig entdeckt durch
E. H. Hall im Jahre 1878, und auf die seit damals nachfolgend verfeinerte
Technik.
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Die prinzipiellen Merkmale des Hall-Effektes sind, dass das Auftreffen eines
Magnetfeldes (B-Feld) auf einen stromführenden Leiter eine Hall-Spannung
bewirkt, proportional zu B. Diese Hall-Spannung hat ein Maximum, wenn
das B-Feld und die Leiterfläche orthogonal sind.
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Nun existiert jedwedes Magnetfeld in drei Dimensionen, und ein System
aus Hall-Vorrichtungen, das in der Nähe einer Stelle im magnetischen
Raum gelegen ist ergibt Hall-Spannungen, die eine eigentümliche Funktion
dieser Stelle im magnetischen Raum sind. Wenn ein System aus Magneten
benutzt wird, um eine spezielle räumliche Magnetfeldkonfiguration zu
entwickeln, und dieses System relativ zu einem System aus Hall-Sonden
beweglich ist, dann definieren die in diesen Hall-Vorrichtungen generierten
Hall-Spannungen nach der Verarbeitung die Position des Magnetsystems.
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Eine Anzahl von Patentanmeldungen hat diesen Ansatz angewendet,
insbesondere die folgenden:
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US-Patent Nr. 4,459,578 10.07.1984
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US-Patent Nr. 4,639,667 21.01.1987
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US-Patent Nr. 4,654,576 31.03.1987
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US-Patent Nr. 4,825,157 25.04.1989
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Ein Nachteil bei diesem Ansatz ist die Ungenauigkeit, Mehrdeutigkeit und
der Verlust an Genauigkeit des geometrischen Zentrums einer solchen
Magnetanordnung. Weitere Nachteile sind die Kleinheit des B-Feldes, die
Schwierigkeit der Flußkonzentration und dass die Bewegung von Magneten
Kreisströme in dem magnetischen Material hervorruft, die zusätzliche
Felder erzeugen, die den primären überlagert sind. Ein praktischer Nachteil
besteht darin, dass ein Magnetsensor oftmals groß uns sehr sperrig ist. Die
Benutzung großer Magnete kann auch die Verwendung einer Abschirmung
erforderlich machen, um zu verhindern, dass das erzeugte Magnetfeld mit
magnetisch empfindlichen Einrichtungen interferiert.
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Eine weitere existierende Anordnung ist in der WO 93/20535 beschrieben.
Diese Anordnung hat die Form eines Joystick und weist einen Körper mit
einer Endwand auf, in der ein federnder Arm befestigt ist. Am federnden
Arm sind oben ein Rohr und eine Handhabe befestigt. Das Rohr umgibt den
Arm und trägt einen ringförmigen Magneten auf der Höhe einer
Schwenkstelle, um die sich der Arm biegt. Die Ausgangssignale von vier Hall-Effekt-
Sonden werden durch die Position des Magnetes beeinflußt, um eine
Anzeige für die Position des Armes in zwei Dimensionen zu liefern. Die
Winkelposition einer zweiten, drehbaren Handhabe wird mittels eines weiteren
Magneten abgefühlt, welcher mit der Handhabe für Bewegung relativ zu
weiteren Hall-Effekt-Sonden verbunden ist.
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Eine weitere Verwendung einer Hall-Effekt-Vorrichtung ist in US 5004871
offenbart, welche einen Griffel eines Typs beschreibt, der für die Benutzung
bei einem Computer geeignet ist. Der Griffel weist einen
druckempfindlichen Schalter auf, welcher einen Magnet und eine Hall-Effekt-Vorrichtung
aufweisen kann, die relativ zueinander beweglich angeordnet sind.
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Es gibt auch eine Anzahl existierender dreidimensionaler Vorrichtungen,
die für die Benutzung in Verbindung mit Computern verfügbar sind. Die
Vorrichtungen benutzen eine Vielzahl von Verfahren zur Erzeugung eines
Signales, welches zur Bewegung in drei Dimensionen in Beziehung steht,
einschließlich der Verwendung gyroskopischer Systeme, um die Bewegung
einer Vorrichtung im Raum zu ermitteln, elektrooptischer Systeme und, bei
einer Vorrichtung, der Benutzung von Dehnungsmessern, um die
Bewegung eines Teiles der Vorrichtung relativ zum Rest der Vorrichtung zu
ermitteln. Existierende dreidimensionale Positioniervorrichtungen sind teuer
und/oder ungenau, unhandlich und bei der Anwendung ermüdend, und in
manchen Fällen begrenzen physikalische Zwänge die Verwendung der
Vorrichtung.
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Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine dreidimensionale
Positioniervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die vorteilhaft, einfach und
genau ist und die, wenn sie als Eingabevorrichtung für einen Computer
benutzt wird, die Fähigkeiten existierender und zukünftiger Softwaretechniken
erhöht und die Nutzung neuer, leistungsfähiger Computer ermöglicht.
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Zusätzliche Vorrichtungen sind für die Benutzung bei Computerspielen,
medizinischen Computern, Graphiken, Virtual Reality, Robotern,
Sicherheit, Lern- und anderer Anwendlungen für Verbraucher und Industrie
vorgesehen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
dreidimensionale Positioniervorrichtung vorgesehen, die drei Hall-Effekt-
Vorrichtungen, die auf beweglichen Trägern angeordnet sind, sowie drei
zugehörige Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes aufweist, die auf
stationären Trägern in der Nähe von den beweglichen Trägern, jedoch zu
diesen versetzt, angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die drei Magnetsysteme nicht verbunden und nicht
miteinander in Beziehung. Jedes der Magnetsysteme weist vorzugsweise zwei
Magnete auf, die in sich abstoßender Polarität angeordnet sind, und die
Hall-Effekt-Vorrichtungen sind so angeordnet, dass sie sich zwischen den
gegenüberliegenden Magneten bewegen. Bei dieser Anordnung entspricht
die gemessene Hall-Spannung der Position der Vorrichtung zwischen den
zwei Magneten, mit einem positiven Maximum, wenn die Hall-Vorrichtung
dem einen der Magneten benachbart ist, und einem negativen Maximum,
wenn die Vorrichtung dem gegenüberliegenden Magnet benachbart ist.
Die Magnete weisen vorzugsweise kleine Nd.B.Fe Seltene Erden Magnete
hoher Koerzitivkraft auf, obwohl sie jedwedes andere geeignete
magnetische Material aufweisen könnten. Die Hall-Vorrichtungen bestehen
vorzugsweise aus üblichen, im Handel erhältlichen Hall-Halbleiterchips,
obgleich sie die durch hochsensitive, zweidimensionale Elektronengas-Hall-
Vorrichtungen (2DEG) gebildet sein könnten.
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Die drei Hall-Vorrichtungen und zugehörigen Magnetfelder sind
vorzugsweise in einem Körper angeordnet, der das Aussehen einer gewohnten
zweidimensionalen Positioniervorrichtung besitzt, einer Maus, jedoch so
eingerichtet, um eine dreidimensionale Bewegung zu liefern, die durch
Bewegen des Deckels der Vorrichtung relativ zu ihrer Basis erreicht wird.
Die Bewegung der drei Hall-Vorrichtungen kann proportional zu den
Komponenten der Bewegung des Deckels der Vorrichtung relativ zu ihrer Basis
in drei orthogonalen Richtungen sein. Federn können dazu benutzt werden,
um die Hall-Vorrichtungen in vorbestimmte Positionen relativ zu ihren
zugehörigen Magneten zurück zu stellen, wenn keine äußeren Kräfte auf die
Vorrichtung aufgebracht werden. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen
sämtlichen der drei Positionsmodule (die jedes zwei gegenüberliegende
Magnete und eine zugehörige Hall-Vorrichtung aufweisen) größer als der
Abstand zwischen den gegenüberliegenden Magneten jeder der Module, in
besonders vorteilhafter Weise beträgt der Abstand zwischen sämtlichen der
Module zumindest das Zweifache des Abstandes zwischen den
gegenüberliegenden Magneten jedes einzelnen Moduls. Die Hall-Spannungen werden
vorzugsweise unter Benutzung üblicher, im Handel erhältlicher Elektronik
gemessen und kodiert, um auf einen Computer über Kabel oder durch
infrarot- oder Funkübertragung übermittelt zu werden, in welchem Falle die
Energieversorgung für die Vorrichtung vorzugsweise mittels einer wieder
aufladbaren Batterie vorgesehen ist, und eine Einrichtung zum Aufladen
dieser Batterie ist integral bei der Einrichtung vorgesehen, bei der diese
Positioniervorrichtung Verwendung finden soll. Die kodierte Information
bezüglich der drei Hall-Spannungen wird vorzugsweise mittels
Treibersoftware verarbeitet, die dazu dient, einen Cursor oder ein Objekt auf dem
Comuptermonitor in Abhängigkeit von den Signalen zu bewegen, die von
der Positioniervorrichtung erhalten werden. Beispielsweise kann seine
Bewegung in zwei Dimensionen durch Bewegen eines Objektes über die
Oberfläche eines zweidimensionalen Bildschirmes dargestellt werden und
die Bewegung in einer dritten Dimension durch Verändern der Größe
dieses Objektes, obgleich andere Möglichkeiten zur Verfügung stehen, durch
die eine Bewegung in drei Dimensionen dargestellt werden kann. Die Art,
in der sich das durch die Maus gesteuerte Objekt in Abhängigkeit von der
Bewegung der Positioniervorrichtung benimmt, wird ebenfalls durch ihre
Treibersoftware bestimmt und kann so zugeschnitten werden, dass sie für
die Anwendung passend ist, für die die Positioniervorrichtung benutzt
werden soll. Vorzugsweise verursacht die Bewegung des Deckels des
Positioniergerätes in einer Richtung, beispielsweise das Verschieben des Deckels
in der x-Richtung, dass sich das durch die Vorrichtung gesteuerte Objekt in
der Richtung des Computermonitors beschleunigt, und dass das
Zurückführen der Vorrichtung zur Ausgangsposition, oder indem man den Griff an der
Vorrichtung losläßt, bewirkt, dass die Bewegung des Objektes anhält. Auch
enthält der Deckel der Vorrichtung vom Maustyp vorzugsweise
Drucktasten, ähnlich der üblichen zweidimensionalen Maus, um zusätzliche
Eingangssignale für die Software zu liefern, was auch beispielsweise ermöglichen
könnte, dass die Vorrichtung für die Eingabe von sechs
Freiheitsgraden benutzt werden kann, d. h. die Bewegung längs und in Rotation um
drei orthogonale Achsen.
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Es ist jedoch ersichtlich, dass weitere Ausführungsbeispiele möglich sind,
beispielsweise wenn ein System aus Hall-Effekt-Vorrichtungen mit
geeigneten mechanischen Verbindungsgliedern in verschiedenen
Vorrichtungskörpern angeordnet ist. Beispiele weiterer möglicher Ausführungsformen
beinhalten einen Joystick, Einhandvorrichtung, Zweihand- oder Mehrnutzer-
Vorrichtung und auch Lage- und Bewegungsdetektoren für industrielle
Verwendung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine
dreidimensionale Positioniervorrichtung vorgesehen, die einen stationären Teil
und einen beweglichen Teil aufweist, wobei Bewegung in zwei
Dimensionen bewirkt wird, indem der bewegliche Teil in einer Ebene relativ zum
stationären Teil bewegt wird, und die Bewegung in einer dritten Dimension
bewirkt wird, indem der bewegliche Teil relativ zum stationären Teil
geschwenkt wird.
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Vorzugsweise ist die Achse, um die der schwenkbare Teil geschwenkt
werden kann, parallel zu der Ebene. Wenn die Bewegung des beweglichen
Teiles in der Ebene in zwei Achsen aufgelöst ist, möglicherweise für
Weiterübermittlung, dann ist die Achse, um die der bewegliche Teil
geschwenkt werden kann, vorzugsweise parallel zu einer der zwei Achsen in
der Ebene. Wenn die Bewegung in der Ebene in orthogonale Achsen
aufgelöst ist, etwa x und y-Achse, dann kann der bewegliche Teil vorzugsweise
um eine Achse geschwenkt werden, die parallel zu einer dieser Achsen ist,
etwa der x-Achse.
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Wenn die Bewegung des beweglichen Teiles kodiert wird, um auf einen
Computer oder eine andere Vorrichtung weiter übermittelt zu werden, dann
ist es vorzuziehen, dass die Bewegung des beweglichen Teiles in der Ebene
die Bewegung in der x-y Ebene darstellt und dass das Schwenken des
beweglichen Teiles die Bewegung in der z-Richtung darstellt, orthogonal zu
der x-y Ebene.
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Die Bewegung des beweglichen Teiles relativ zum stationären Teil wird
vorzugsweise mittels eines Magnetsystems gemessen, das eine Hall-
Vorrichtung oder -Vorrichtungen aufweist sowie ein Mittel, um ein
Magnetfeld zu erzeugen, obgleich jedwede anderen geeigneten Mittel angewendet
werden könnten, beispielsweise Schalter oder ein optisches System. Die
Hall-Vorrichtung; oder -Vorrichtungen sind vorzugsweise an einem
beweglichen Träger oder an Trägern angeordnet, und das Mittel zum Erzeugen
eines Magnetfeldes ist an einem stationären Träger oder Trägern
angebracht, nahe dem beweglichen Träger/den Trägern, jedoch hierzu versetzt.
Die beweglichen Träger sind vorzugsweise mit dem beweglichen Teil der
Vorrichtung verbunden. Die Einrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes
weist vorzugsweise einen Permanentmagneten oder Magnete auf,
beispielsweise kleine Nd-Be-Fe Seltene Erden Magnete.
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Vorzugsweise sind drei Hall-Effekt-Vorrichtungen vorgesehen, beweglich zu
relativ drei unverbundenen und miteinander nicht in Beziehung stehenden
Magnetsystemem, wie vorstehend beschrieben. Zwei der Magnetsysteme
sind vorzugsweise dazu eingerichtet, um die Bewegung des beweglichen
Teiles in jeder der zwei orthogonalen Richtungen in der Ebene zu messen,
und das dritte Magnetsystem für das Ausmaß, in dem der bewegliche Teil
relativ zum stationären Teil geschwenkt wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind zwei der drei Hall-Effekt-Vorrichtungen
an Schlitten angeordnet, die innerhalb des Körpers der
Positioniervorrichtung so angeordnet sind, dass die Bewegung des Deckels relativ zur Basis
der Vorrichtung zu einer Bewegung der Hall-Vorrichtungen relativ zu ihren
zugehörigen Magneten führt.
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Die übrige Hall-Vorrichtung ist vorzugsweise an einem Schwenkglied
angebracht, das so angeordnet ist, dass es sich mit dem beweglichen Teil der
Vorrichtung bewegt, und ihre zugehörigen Magnete sind am stationären
Glied angebracht. Die Schlitten können unmittelbar mit dem beweglichen
Teil verbunden sein oder mittels einer Verbindungsstange und
Schwenkeinrichtung. Ein Lager oder Lager können zwischen beweglichem und
stationärem Teil angeordnet sein, um ihre Relativbewegung zu erleichtern. Ein
federndes Mittel, beispielsweise Rückstellfedern, können zwischen
beweglichem und stationärem Teil angeordnet sein, um die zwei Teile in eine
vorbestimmte Relativstellung zurück zuführen, wenn keine äußere Kraft
aufgebracht wird.
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Die Vorrichtung hat vorzugsweise das Aussehen einer üblichen "Maus"-
Vorrichtung, wobei der bewegliche Teil aus dem Deckel besteht und der
stationäre Teil in der Basis enthalten ist. Die Vorrichtung kann so
eingerichtet sein, dass der bewegliche Teil um mehr als eine Achse schwenkbar ist,
um die Eingabe zusätzlicher Freiheitsgrade zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem
Stand der Technik, die Verwendung statischer Magnete vermeidet die
Erzeugung von Wirbelströmen in nahegelegenen metallischen Teilen und
damit die Erzeugung zusätzlicher Magnetfelder durch solche Ströme und
daraus folgender Fehler in den durch die Vorrichtung erzeugten Signalen,
Die Benutzung eines Magnetsystems ist gegenüber solchen Vorrichtungen
des Standes der Technik vorteilhafter, die mechanischen Mittel zur
Ermittlung der Position ausnutzen, weil Magnetsysteme, da sie keine beweglichen
Kontakte beinhalten, durch Ansammlung von Staub und Schmutz nicht
beeinträchtigt werden.
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Eine Einrichtung; um Staub und Schmutz auszuschließen, beispielsweise
ein flexibles Hemd, kann zwischen beweglichem und stationärem Teil der
Positioniervorrichtung angeordnet sein.
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Wenn eine Vorrichtung benutzt werden kann, um zweidimensionale
Bewegung durch Verschieben eines Teiles relativ zu einem anderen
vorzusehen, und eine Bewegung in einer dritten Dimension durch Schwenken,
dann ergibt dies eine ergonomisch weniger ermüdende Einrichtung als viele
Vorrichtungen des Standes der Technik. Der Benutzer kann bei der
Benutzung seine Hand auf die Vorrichtung auflegen, anstatt gezwungen zu sein,
einen Teil der Vorrichtung anzuheben oder abzusenken, was ein Anheben
seiner Hand oder seines Armes bedingt. Das Vorsehen von Null
Rückstellungs-Federn und insbesondere von Null Rückstellungs-Federn variabler
Rückstellrate, kann das Gefühl der Vorrichtung verbessern. Alternativ
könnte ein Betätiger oder Betätiger durch die Bewegung der Vorrichtung benutzt
werden, um dem Benutzer ein zusätzliches Feedback zu liefern.
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Mit besonderem Bezug auf die Konfiguration vom Maustyp ist zu sagen,
dass dieses Ausführungsbeispiel bei der Benutzung relativ zu seiner
Umgebung statisch ist, im Gegensatz zu existierenden
"Maus"-Positioniervorrichtungen, die beweglich sind. Dies verringert den Einfluß von beschädigenden,
wiederholten Belastungen aufgrund der Verwendung der
Vorrichtung.
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Die Verwendung dreier ähnlicher Positionsmodule innerhalb der
Vorrichtung führt zu einem System, das leicht und billig montierbar ist. Die drei
Positionsmodule sind relativ zum Körper der Vorrichtung klein,
insbesondere ist der Abstand zu den zwei gegenüberliegenden Magneten jedes Moduls
kleiner als der Abstand zwischen den gesonderten Modulen, was
magnetische Interferenz zwischen den drei Modulen und auch die Erzeugung
externer Magnetfelder verringert. Dies vermeidet das Erfordernis der
Abschirmung, um Interferenzen mit äußeren, magnetisch, empfindlichen
Einrichtungen zu verhindern.
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Zum klareren Verständnis der Erfindung sind nun Ausführungsformen
derselben beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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- Fig. 1 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines ersten
Ausführungsbeispieles einer dreidimensionalen Positioniervorrichtung vom
Maustyp zeigt;
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- Fig. 2 einen Querschnitt in Draufsicht eines zweiten
Ausführungsbeispieles einer dreidimensionalen Positioniervorrichtung vom Maustyp
zeigt;
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- Fig. 3 einen longitudinalen Querschnitt einer Positioniervorrichtung des
in Fig. 2 dargestellten Typs zeigt;
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- Fig. 4 einen Querschnitt einer Positioniervorrichtung des in Fig. 2 und 3
dargestellten Typs zeigt;
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- Fig. 5 eine partielle, abgeschnittene schematische Ansicht eines dritten
Ausführungsbeispieles einer dreidimensionalen Positioniervorrichtung
vom Maustyp zeigt;
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- Fig. 6 eine der Fig. 5 ähnliche Ansicht zeigt, wobei sowohl x als auch y
Magnet gezeigt sind;
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- Fig. 7 eine auseinandergezogene Ansicht der Positioniervorrichtung von
Fig. 5 und 6 zeigt;
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- Fig. 8 eine Draufsicht des "z"-Chassis der Vorrichtung von Fig. 5 bis 7
zeigt;
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- Fig. 9 eine der Fig. 8 ähnliche Ansicht zeigt, wobei die Druck-
Kugellaufbahn aus der Zentralposition heraus verschoben ist;
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- Fig. 10 eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung der
drei Half-Effekt-Vorrichtungen zeigt, die bei einer Positioniervorrichtung
benutzt werden, und
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- Fig. 11 eine alternative Implementierung der Schaltungsanordnung
zeigt, die in Fig. 10 dargestellt ist.
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Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine Positioniervorrichtung
dargestellt ist. Für Bezugszwecke und um die Klarheit zu unterstützen sind hier
die drei Koordinatenachsen x-y und z markiert. Der Körper der Vorrichtung
weist eine Basis 1 und einen Deckel 2 auf. Im Schnittstellenbereich
zwischen dem Umfang der Basis 1 und dem Deckel 2 ist ausreichend
Spielraum vorgesehen, um zu ermöglichen, dass der Deckel 2 in einem
vorbestimmten Ausmaß in der horizontalen (x-y) Ebene bewegt und auch relativ
zur Basis 1 um eine zur x-Achse parallele Achse geschwenkt werden kann.
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Am Deckel 2 sind zwei gabelförmige Gestaltungen angebracht, die x-Gabel
3 und die y-Gabel 4. Beide der Gabeln bestehen aus drei parallelen Armen
kreisrunden Querschnitts. Die Arme der x-Gabel 3 sind entlang der y-
Richtung ausgerichtet, die Arme der y-Gabel 4 sind entlang der x-Richtung
ausgerichtet, wie sie mit den Bezugsachsen auf dem Diagramm angegeben
sind. Die x- und die y-Richtung sind orthogonal. Am Ende des zentralen
Armes jedes gabelförmigen Gliedes ist eine Hall-Effekt-Vorrichtung
angebracht. An dem zentralen Arm der x-Gabel 3 ist die x-Hall-Effekt-
Vorrichtung 14 angebracht. Die x-Hall-Vorrichtung 14 besteht aus einem
üblichen Hall-Halbleiterchip, gebildet aus einem im wesentlichen flachen,
rechteckigen Stück Halbleitermaterials, dessen Ebene im wesentlichen auf
die y, z-Ebene ausgerichtet ist. In ähnlicher Weise ist eine Hall-Effekt-
Vorrichtung an der y-Gabel 4 angebracht. Diese y-Hall-Effekt-Vorrichtung
15 ist der x-Hall-Effekt-Vorrichtung 14 ähnlich, obgleich sie in etwa auf die
x, z-Ebene ausgerichtet ist.
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Die x-Gabel 3 und die y-Gabel 4 sind mit dem x-Schlitten 13 bzw. dem y-
Schlitten 16 in Eingriff.
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An der Basis 1 ist mittels eines Schwenklagers 5 eine Struktur angebracht,
das z-Schwenkglied 6, das so angeordnet ist, dass es um eine zur x-Achse
parallele Achse schwenkt. An einem vorstehenden Teil des
z-Schwenkgliedes 6 ist die z-Hall-Sonde 7 befestigt. Die z-Hall-Sonde 7 ist relativ zum
z-Schwenkglied 6 fest und so angeordnet, dass sie sich zwischen den zwei
z-Magneten 8, 9 bewegt, deren einer β, an der Basis 1 befestigt ist. Der
zweite Magnet 9 ist an einem vorstehenden Ansatz befestigt, der in der
Basis ausgebildet ist. Die z-Magnete sind in sich abstoßender Polarität
angeordnet und enthalten Seltene Erden Magnete, beispielsweise Nd-B-Fe.
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Die Basis 1, der Deckel 2, Gabeln 3 und 4 sowie das z-Schwenkglied sind
vorzugsweise aus Kunststoffmaterial aufgebaut.
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Zwischen dem z-Schwenkglied 6 und der Basis 1 sind zwei
z-Rückstellfedern 10 gelegen, die so angeordnet sind, dass sie das z-Schwenkglied 6 in
eine Position bewegen, wo die z-Hall-Sonde 7 in der Mitte zwischen den z-
Magneten 8 und 9 liegt, wenn keine äußeren Kräfte auf das System
aufgebracht werden. In dem z-Schwenkglied 6 sind zwei Ausnehmungen
ausgebildet, die x-Ausnehmung 11 und die y-Ausnehmung 12.
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In der x-Ausnehmung 11 ist der x-Schlitten 13 verschiebbar. Der x-Schlitten
kann in der y-Richtung gleiten, relativ zum z-Schwenkglied 6.
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In ähnlicher Weisse ist ein y-Schlitten 16 in der y-Ausnehmung 12
verschiebbar und relativ zum z-Schwenkglied 6 in der x-Richtung bewegbar.
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Die x und y-Schlitten sind mit zentralen Öffnungen versehen, Magnete sind
in den gegenüberliegenden Enden jeder Öffnung befestigt, angeordnet in
sich abstoßender Polarität. Die x-Magnete 17 sind entlang einer Linie in der
x-Richtung gegenüberliegend angeordnet, die y-Magnete sind entlang einer
Linie in der y-Richtung einander gegenüberliegend angeordnet.
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Die x-Gabel 3 und die y-Gabel 4 erstrecken sich in die x- bzw.
y-Ausnehmungen 11, 12, die durch das z-Schwenkglied 6 durchgehend
ausgebildet sind, und sind in Eingriff mit dem x-Schlitten 13 bzw. y-Schlitten 16.
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Zwischen den äußeren Armen der x-Gabel 3 und der Seite der
x-Ausnehmung 11 sind x-Rückstellfedern 19 angeordnet, die dazu eingerichtet sind,
die x-Gabel 3 in eine vorbestimmte Position in der x-Ausnehmung 11
zurück zustellen, wenn keine äußeren Kräfte aufgebracht werden, so dass die
y-Hall-Effekt-Vorrichtung 15 in der Mitte zwischen den y-Magneten 18 liegt.
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In ähnlicher Weise sind y-Rückstellfedern 20 zwischen der y-Gabel 4 und
der y-Ausnehmung 12 angeordnet, um die x-Hall-Effekt-Vorrichtung 14 in
eine Mittelposition zwischen den x-Magneten 17 zurück zustellen, wenn
keine äußeren Kräfte einwirken.
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Die Rückstellfedern sind aus Berylium Kupfer gefertigt, einem nicht
magnetischen Material.
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Obgleich es nicht gezeigt ist, sind die Hall-Effekt-Vorrichtungen mit einer
geeigneten Stromquelle verbunden, die sie mit einem Gleichstrom versorgt.
Die Hall-Vorrichtungen sind auch mit einer Überwachungseinrichtung
verbunden, die in der Lage ist, die Hall-Spannungen zu erkennen, um die
Position der Hall-Effekt-Vorrichtungen zwischen ihren zugehörigen,
gegenüberliegenden Magneten zu ermitteln. Die Information bezüglich der Position
der drei Hall-Vorrichtungen wird über eine geeignete Elektronik
weitergeleitet, um an einen Computer weiter übertragen zu werden.
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Bei der Benutzung wird der Deckel 2 der Vorrichtung relativ zur Basis 1
bewegt. Wenn der Deckel 2 in einer x-Richtung relativ zur Basis
verschoben wird, wird bewirkt, dass sich die x-Hall-Vorrichtung 14 relativ zu den x-
Magneten 17 bewegt. In ähnlicher Weise führt das Verschieben des
Deckels relativ zur Basis in einer y-Richtung zu einer Bewegung der y-Hall-
Effekt-Vorrichtung 15 relativ zu den y-Magneten 18. Das Schwenken des
Deckels 2 relativ zur Basis 1 führt zu einem Schwenken des
z-Schwenkgliedes 16 und zur Bewegung der z-Hall-Effekt-Vorrichtung 7 zwischen den
z-Magneten 8 und 9.
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Diese Bewegung des Deckels 2 relativ zur Basis bewirkt das Bewegen
dreier Hall-Effekt-Vorrichtungen in drei orthogonalen Richtungen. Die Position
der Hall-Effekt-Vorrichtungen ermöglicht es, ein elektrisches Signal in Bezug
zur Bewegung in drei Dimensionen zu erzeugen. Dies ermöglicht,
beispielsweise
unter Verwendung geeigneter Treibersoftware, eine Bewegung
eines Objektes oder Cursors in drei wahrnehmbaren Dimensionen auf
einem Computerbildschirm.
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Es wird auf Fig. 2, 3 und 4 Bezug genommen, wo ein alternatives
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, das ebenfalls einen Deckel 25
und eine Basis 26 aufweist.
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Mittels eines Schwenklagers 27 ist ein Schwenkglied 28 an der Basis
befestigt.
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Ein Arm 33, an dem eine Hall-Vorrichtung 34 angebracht ist, bildet Teil des
x-Schlittens 32. Bewegung des x-Schlittens 32 relativ zum Schwenkglied 28
führt zu einer Bewegung der Hall-Vorrichtung 34 relativ zu den x-Magneten
31.
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Wiederum sind die Zeichnungen zur Klarheit mit den drei Koordinaten der
x-y und z-Richtungen markiert. Das Schwenkglied ist so angeordnet, dass es
um die x-Achse schwenkt.
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An einem Ende des Schwenkgliedes 28 ist eine Hall-Effekt-Vorrichtung 29
befestigt, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seltene Erden
Magneten 30 bewegt. Das Schwenkglied 28 ist durch zwei Federn 61
abgestützt, welche dazu dienen, das Schwenkglied 28 in eine Position
zurückzuführen, in der die Hall-Effekt-Vorrichtung 29 in einer vorbestimmten
Position zwischen den Magneten 30 gelegen ist, die relativ zur Basis 26
feststehend angebracht sind. An dem Schwenkglied ist ein zweites Paar Magnete
angebracht, die x-Magnete 31. Diese Magnete sind an Formationen
angebracht, die aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sind wie das Schwenkglied
28, und sie sind in sich abstoßender Polarität angeordnet. Die
Magnete 30 und 31 weisen Seltene Erden Magnete auf, beispielsweise Nd-B-Fe.
Verschiebbar am Schwenkglied 28 ist der x-Schlitten 32 angeordnet, der
dazu eingerichtet ist, relativ zum Schwenkglied 28 in der x-Richtung zu
gleiten.
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An dem x-Schlitten 32 sind zwei Magnete 36 angebracht, ähnlich den
Magneten 31, ebenfalls in abstoßender Polarität angeordnet. Auch sind hier
zwei Rückstellfedern 37 vorgesehen, die sich sowohl am x-Schlitten 32 als
auch am Schwenkglied 28 abstützen und so angeordnet sind, dass sie den
x-Schlitten 32 relativ zum Schwenkglied in eine vorbestimmte Position
bewegen, wenn keine äußeren Kräfte auf die Vorrichtung aufgebracht werden.
Typischerweise derart, dass die Hall-Effekt-Vorrichtung in der Mitte
zwischen den x-Magneten 31 liegt.
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Ferner ist verschiebbar am x-Schlitten 32 ein y-Schlitten 35 eingeordnet, der
relativ zum x-Schlitten 32 in der y-Richtung bewegbar ist.
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Vom y-Schlitten 35 vorstehend befindet sich ein Arm 38, an dessen Ende
die y-Hall-Effekt-Vorrichtung 39 angebracht ist. Der Arm 38 ist derart
angeordnet, dass die y-Hall-Effekt-Vorrichtung 39 sich zwischen den Magneten
36 in Abhängigkeit von der Bewegung des y-Schlittens 35, relativ zum x-
Schlitten 32, bewegt. Ferner sind, gelegen an entgegengesetzten Enden des
y-Schlittens 35, zwischen y-Schlitten 35 und den vorstehenden Teilen des x-
Schlittens 32 Rückstellfedern 40 vorgesehen, die so angeordnet sind, dass
sie den y-Schlitten 35 zurückstellen, wenn keine äußeren Kräfte aufgebracht
werden, und zwar in eine vorbestimmte Ruhestellung relativ zum x-
Schlitten 32. Typischerweise dergestalt, dass die y-Hall-Effekt-Vorrichtung
39 in eine Mittelposition zwischen den y-Magneten 36 zurückgestellt wird.
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Der mit 41 bezeichnete oberste Teil des y-Schlittens weist einen
quadratischen Querschnitt auf und besitzt eine vorstehende Lippe. Die Unterseite
des Deckeis 25 besitzt ebenfalls einen vorstehenden Teil 42, der mit dem
obersten Teil 41 des y-Schlittens zusammenwirkt. Diese Anordnung
ermöglicht es, den Deckel an dem y-Schlitten mit einer "Schnappverbindung"
anzubringen, damit die Bewegung des Deckels zu einer Bewegung des y-
Schlittens führt.
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Der Körper der Vorrichtung und die Schlitten sind aus nicht magnetischem
Kunststoffmaterial gefertigt, die Rückstellfedern sind aus Beryllium-Kupfer
hergestellt.
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Die Bewegung des Deckels 25 relativ zur Basis 26, entweder durch
verschieben des Deckels in der x-y-Ebene oder durch Neigen des Deckels um
eine Achse, parallel zu der x-Achse, führt zu entsprechenden Bewegungen
der x-y und z-Hall-Effekt-Vorrichtungen relativ zu ihren zugehörigen
Magneten.
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Es wird auf Fig. 5 bis 9 Bezug genommen, wo ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer Positioniervorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt wird. Dieses
Ausführungsbeispiel beinhaltet ebenfalls eine Basis 61 und einen Deckel
64, der Deckel enthält die Drucktasten 74, und die Form des Deckels 64 ist
ergonomisch ausgelegt, um eine bequeme Betätigung mit einer Hand zu
erleichtern. Das Ende des Deckels 64, das dem die Schalter enthaltenden
entgegengesetzt ist, bildet eine Fläche, auf die der Benutzer sein
Handgelenk auflegen kann, wenn er die Vorrichtung benützt. Im Vergleich mit den
anderen oben beschrieben Vorrichtungen beinhaltet dieses
Ausführungsbeispiel eine mechanische Verbindung, die dazu eingerichtet ist, die
Bewegung des Deckels 64 relativ zur Basis 61 in die Bewegung dreier Hall-Effekt-
Vorrichtungen relativ zu drei Paaren stationärer Magnete zu übertragen. Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist der Deckel 64 mit einer Welle 62
verbunden. Drehbar auf der Welle sind zwei Verbindungsstangen angeordnet, die
x-Verbindungsstange 75 und die y-Verbindungsstange 63. Die
Verbindungsstangen 75 und 63 sind schwenkbar mit x- und y-Kolben 76 bzw. 66
verbunden. Die Kolben wiederum sind mit x- und y-Hall-Chiphaltern 77
bzw. 69 verbunden.
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Die Kolben sind verschiebbar in Kolbenblöcken 67 angeordnet, die eine
Einrichtung aufweisen, um die Anordnung zweier Permanentmagnete 68 zu
ermöglichen. Die Kolbenblöcke 67 grenzen die Kolben 66 und 76 und
damit die Hall-Chiphalter 69 und 77 so ein, dass sie sich linear zwischen den
Magneten 68 bewegen. Die Kolben 66 und 76 sind mit kreisrundem
Querschnitt dargestellt, obgleich sie jedwede andere geeignete Form haben
könnten.
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An dem dem Deckel 64 entgegengesetzten Ende ist an der Welle 62 eine
Druck-Kugellaufbahn 72 angeordnet. Die Druck-Kugellaufbahn 72 sitzt in
einem eingeschlossenen Bereich 71, der durch eine Barriere 78 gebildet ist,
die am Chassis 65 ausgebildet ist. Die Druck-Kugellaufbahn 72 ist innerhalb
des hochstehenden Teiles 78 durch einen Kugelbahndeckel 79 gehalten,
der mit der Barriere 78 mit einer Schnappverbindung in Eingriff ist. Die
Druck-Kugellaufbahn 72 ermöglicht es dem Deckel 64, sich relativ zur
Basis 61 in einem begrenzten Ausmaß seitwärts zu bewegen. Wenn der
Deckel so bewegt wird, werden die x- und y-Kolben 76 und 66 in der x bzw.
der y-Richtung mittels der x und y-Bewegungskomponenten des Deckels
bewegt.
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Außerdem sind innerhalb des hochstehenden Teiles 78 vier Rückstellfedern
73 angeordnet, die wirksam sind, um die Druckkugellaufbahn 72 in dem
Bereich 71 zu zentralisieren, wenn keine Kraft aufgebracht wird. Wenn die
Druck-Kugellaufbahn 72 zentralisiert ist, dann sind sowohl die x- als auch y-
Hall-Chiphalter 77 bzw. 79 ungefähr mittig zwischen ihren betreffenden
Magneten ausgerichtet.
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Eine gegenüber der Darstellung von Fig. 7 alternative
Rückstellfederanordnung ist in Fig. 8 und 9 dargestellt.
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Bei der in Fig. 8 dargestellten Anordnung sind die Rückstellfedern 73 durch
Druckstangen 84 ergänzt. Die Federn 73 sind wirksam, um die Druck-
Kugellaufbahn 72 innerhalb des durch den hochstehenden Teil 78
definierten Bereiches zu zentralisieren, wenn kein Druck ausgeübt wird, d. h.,
erfüllen eine Null-Rückstellfunktion. Fig. 9 zeigt eine der Fig. 8 ähnliche
Ansicht, wobei jedoch die Druck-Kugellaufbahn 72 aus der Zentralposition
verschoben ist.
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Die Laufkugelanordnung ermöglicht es, dass der Deckel 64 sanft relativ zur
Basis 61 bewegt werden kann. Die Rückstellfedern vermitteln dem Deckel
"Gefühl", weil der Benutzer den Deckel gegen Federdruck bewegen muß,
um beispielsweise die Bewegung eines Cursors auf einem
Computerbildschirm zu steuern.
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Die Rückstellfedern 73 können Federn variabler Kennung sein, dazu
eingerichtet, lediglich eine schwache Kraft gegen eine Anfangsbewegung zu liefern,
jedoch eine verstärkte Kraft, wenn die Druck-Kugellaufbahn 72 weiter
verschoben wird.
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Die x und y-Kolbenblöcke 67, der vertiefte Bereich 71 und die Druck-
Kugellaufbahn 72 sind sämtliche am z-Chassis 65 angeordnet.
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Das z-Chassis 65 ist an der Basis 61 mittels eingreifender Formationen 79
und 80 schwenkbar angeordnet. Ein z-Achse Hall-Chiphalter 81 ist
ebenfalls am z-Chassis 65 angeordnet, und ein z-Magnethalter 82 zum Halten
zweier gegenüberliegender Magnete ist an der Basis 61 angeordnet.
Zwischen dem z-Chassis 65 und der Basis 61 sind vier z-Rückstellfedern 83
angeordnet, die dazu dienen, das z-Chassis in eine Position
zurückzuführen, wo der z-Half-Chiphalter 81 etwa auf halbem Wege zwischen den
zwei z-Magneten gelegen ist, die im z-Magnethalter 82 gehalten sind, wenn
keine Kraft aufgebracht wird.
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In ähnlicher Weise wie beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, wird
die Bewegung in der z-Richtung bewirkt, indem der Deckel 64 relativ zur
Basis 61 um eine Achse geneigt wird, die parallel zur x-Achse ist. Das
Neigen des Deckels 64 bewirkt, dass sich das z-Chassis relativ zur Basis gegen
die z-Rückstellfedern 83 schwenkt und damit der z-Hall-Chiphalter und der
darin gehaltene Hall-Chip relativ zu den stationären Magneten, die im z-
Magnethalter 82 gehalten sind.
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Schließlich ist an der Basis 61 auch eine gedruckte Schaltungskarte 84
angeordnet, auf der eine geeignete Schaltung (nicht gezeigt) für den Betrieb
der drei Hall-Chips und der Drucktasten angeordnet ist.
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An der Schaltungskarte 84 sind auch drei Chipbänder 85 für die elektrische
Verbindung der elektrischen Schaltung mit den Hall-Chips angebracht.
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Sämtliche Teile der Vorrichtung, außer den Magneten, sind aus einem nicht
magnetischen Werkstoff gefertigt, vorzugsweise Kunststoffmaterial.
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Dieses Ausführungsbeispiel bietet eine besonders sanfte Funktion,
insbesondere wenn der Deckel in der x- und y-Richtung bewegt wird. Außerdem
sind x- und y-Chips durch die x- und y-Kolben 76 bzw. 66 eingegrenzt, um
sich in einer linearen Bahn zwischen deren betreffenden Magneten zu
bewegen. Dies führt zu einem genaueren Betrieb der Vorrichtung.
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Es wird auf Fig. 10 Bezug genommen in der eine Darstellung der Hall-
Vorrichtung und Magnet-Positioniereinrichtung für die x-y und z-Achsen
gezeigt ist, wie sie in den vorstehenden Ausführungsbeispielen der
Positioniervorrichtungen benutzt wird.
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Bezüglich der x-Achse-Anordnung 45 ist eine Hall-Effekt-Vorrichtung 46
gezeigt, und zwei Magnete 47 und 48 sind in sich abstoßender Polarität
angeordnet. Die Hall-Effekt-Vorrichtung kann sich relativ zu und zwischen
den Magneten 47 und 48 bewegen. Da die Magnete in abstoßender Weise
angeordnet sind, hat die an der Hall-Effekt-Vorrichtung 46 gemessene Half-
Spannung ein Maximum, wenn sich die Hall-Effekt-Vorrichtung an einen
der Magneten annähert, und ein negatives Maximum, wenn der zweite
Magnet angenähert wird. Die gemessene Hall-Spannung ändert sich im
wesentlichen linear, wenn die Vorrichtung zwischen den Magneten bewegt
wird.
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Bei Benutzung ist jede der drei Hall-Vorrichtungen mit einer
Stromversorgung 49 verbunden, die einen Gleichstrom zuführt, beispielsweise einer
Batterie. Zusätzlich ist jede Vorrichtung mit einem Verstärker 50
verbunden, der ein Signal entsprechend der Hall-Spannung erzeugt, die an der
Hall-Effekt-Vorrichtung generiert wird, die mit der Position der Vorrichtung
in Bezug steht.
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Die drei Signale, welche zu den Positionen der x-y und z-Hall-Effekt-
Vorrichtungen relativ zu deren entsprechenden Magneten in Bezug stehen,
werden einem Mikroprozessor 51 zugeführt.
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Der Mikroprozessor wandelt die drei Hall-Spannungen in ein Signal um,
das für die Bearbeitung durch eine Treibersoftware eines Computers
geeignet ist, die die Position und die Bewegung der Hall-Effekt-Vorrichtung in die
Position und die Bewegung eines Cursors oder Objektes auf dem
Computerbildschirm umsetzt. Das Verhalten des Cursors oder Objektes auf dem
Computerbildschirm in Abhängigkeit von der Bewegung des Deckels der
Positioniervorrichtungen relativ zu deren Basis wird durch die Computer-
Treibersoftware bestimmt. Bei den obigen Ausführungsbeispielen ist die
Software so eingerichtet, dass sie bewirkt, dass der Cursor oder das Objekt
sich in einer gegebenen Richtung beschleunigt, abhängig von der
Bewegung des Deckels der Vorrichtung relativ zur Basis in dieser Richtung.
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Wenn kein Druck mehr auf den Deckel ausgeübt wird, werden die
Rückstellfedern wirksam, um die Hall-Vorrichtungen in ihre vorbestimmte
Position zurückzuführen, die einem stationären Cursor entspricht. Diese
Software ermöglicht es, den Cursor schnell zu einer Stelle auf dem Bildschirm
zu bewegen, der Körper der Maus wird sodann freigegeben, und eine
genauere Positionierung des Cursors kann nunmehr erreicht werden.
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Es wird auf Fig. 11 Bezug genommen, in der eine alternative Anordnung für
die elektrische Verbindung dreier Hall-Effekt-Vorrichtungen dargestellt ist.
Die Signale von Sensoren 52 der Hall-Effekt-Vorrichtung werden einem
Verstärker 53 zugeführt, dessen Ausgang über einen Analog/Digital-
Wandler 54 und einen Mikrokontroller 55 mit einem Sender 56 verbunden
ist. Auf der Empfängerseite ist ein Empfänger 57 über einen Mikrokontroller
58 und einen Puffer 59 mit einem Computer 60 verbunden.
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Bei Benutzung sind beide der obigen Ausführungsbeispiele relativ zu ihrer
Umgebung statisch. Die Anwendung der Vorrichtungen erreicht man durch
Verschieben und Schwenken des Deckels der Vorrichtungen relativ zu
ihren Basen, Diese Anordnung ist vorteilhaft zu benutzen und verglichen mit
existierenden Positioniervorrichtungen genauer und birgt geringere Gefahr,
Beschädigung durch wiederholte Belastung hervorzurufen.
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Die obigen Ausführungsbeispiele sind lediglich in beispielhafter Weise
beschrieben, vielerlei Abwandlungen sind möglich, ohne die Erfindung zu
verlassen.