Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktor zum Ausführen einer Funktion, insbesondere einer Lenkfunktion, insbesondere eines ferngelenkten Objektes, insbesondere eines Spielzeugs, Fahrspielzeuges, Bootes oder Flugzeugs, mit einem Eingang, welcher zum Empfangen eines Steuersignals, insbesondere eines elektrischen Steuersignals, ausgebildet ist, und mit einem mechanisch bewegbaren Ausgangsglied, welches das Steuersignal in eine mechanische Bewegung mit mindestens einem Bewegungsparameter umsetzt, wobei der Aktor derart ausgebildet ist, dass sich das Ausgangsglied mit einer Ausgangskraft in Abhängigkeit von dem Steuersignal mechanisch bewegt und sich dadurch mindestens ein Bewegungsparameter des Ausgangsgliedes verändert, wobei eine Gegenkrafteinrichtung vorgehen ist, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, dass diese auf das Ausgangsglied eine der Bewegung des Ausgangsgliedes entgegen gerichtete Gegenkraft ausübt, welche umso größer ist, je größer der sich verändernde mindestens eine Bewegungsparameter des Ausgangsgliedes ist, so dass der sich verändernde Bewegungsparameter des Ausgangsgliedes einen stationären Zustand einnimmt, wenn die Ausgangskraft gleich der Gegenkraft ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Aktors, wobei dieser mit einem Steuersignal, insbesondere mit einem elektrischen Steuersignal, angesteuert wird und das Steuersignal in eine mechanische Bewegung eines Ausgangsgliedes mit mindestens einem sich aufgrund der Bewegung ändernden Bewegungsparameter und einer Ausgangkraft umsetzt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Zum ferngelenkten Steuern von Fahrspielzeugen sind so genannte digitalproportionale Fernsteuerungen bekannt, bei denen es möglich ist, beispielsweise einen Lenkeinschlag von gelenkten Rädern und/oder eine Fahrgeschwindigkeit proportional zu einer Auslenkung bzw. Position eines entsprechenden Betätigungselementes an der Fernsteuerung, wie beispielsweise Steuerknüppel oder Stellelement, einzustellen. Hierzu sind als Aktoren entsprechende Servomotoren im Fahrspielzeug vorhanden, die mit einem eigenen Regelkreis eine bestimmte Stellung beispielsweise des Lenkeinschlags entsprechend einer Position eines Steuerknüppels an der Fernsteuerung einnehmen und halten, so lange auch der Steuerknüppel an der Fernsteuerung diese entsprechende Position aufweist. Im Gegensatz dazu ist es bei einfachen Fernsteuerungen nur möglich, mit den durch einen Benutzer per Hand bedienten Betätigungselementen einen vorbestimmten Einschlagwinkel bzw. eine vorbestimmte Fahrgeschwindigkeit zu wählen oder nicht. Zwischenstellungen sind nicht möglich. Trotz dieser enormen Vorteile von digitalproportionalen Fernsteuerungen, sind diese gegenüber einfachen Fernsteuerungen derart kostenintensiv, dass es auch heute noch ferngelenkte Fahrspielzeuge mit einer einfachen Fernsteuerung ohne so genannte Servomotoren mit proportionaler Steuerung von Steuerfunktionen, wie Lenkfunktion bzw. Fahrfunktion, gibt.

Aus der DE 1 992 440 ist eine Steuereinrichtung für Spielzeuge mit magnetisch betätigtem Ausgangsglied bekannt, welches die Bewegung auf einen Zapfen überträgt. Zur Erzeugung eines mittelbar oder unmittelbar auf ein Steuerorgan wirkenden Drehmomentes bilden die beiden Pole bzw. die Achsen zweier gegensinnig erregbaren Drehspulen S1 und S1 eines Ankers in der Null-Stellung des Ankers mit den Magnetpolen eines Stators einen Winkel zwischen 0° und 90°. Der Anker ist mittels mechanischer Rückstellkräfte in seiner Null-Stellung gehalten. Spulen S1 und S2 werden entweder erregt oder nicht erregt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor der o.g. Art dahingehend zu verbessern, dass die Ausführung von Steuerfunktionen mit diesem Aktor verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Aktor der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 7 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei einem Aktor der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das mechanisch bewegbare Ausgangsglied einen Hebel aufweist, wobei der mindestens eine sich verändernde Parameter ein Schwenkwinkel des Hebels und die Ausgangskraft ein Drehmoment einer Schwenkbewegung des Hebels ist, wobei die Gegenkrafteinrichtung zwei relativ zueinander um eine gemeinsame Schwenkachse verschwenkbare Schenkel aufweist, an denen der Hebel bei einer Schwenkbewegung anschlägt und in Abhängigkeit von seiner Schwenkrichtung einen der beiden Schenkel relativ zum anderen Schenkel verschwenkt, wobei die Schenkel mittels einer Federeinrichtung miteinander derart verbunden sind, dass der von dem Hebel jeweils verschwenkte Schenkel die Gegenkraft auf den Hebel ausübt, wobei ein Stopper zwischen den beiden Schenkeln vorgesehen ist, an dem der jeweils nicht von dem Hebel verschwenkte Schenkel anschlägt.

Dies hat den Vorteil, dass mit einer einfachen Variation der Ausgangskraft mittels des Steuersignals eine digital-proportionale Steuerung des Aktors mit einem einfachen Elektromotor nachgebildet werden kann, ohne dass hierfür ein kostenintensiver Servomotor als mechanisch bewegbares Ausgangsglied erforderlich ist. Einen besonders kostengünstigen, funktionssicheren und wenig Bauraum erfordernden Aktor erzielt man dadurch, dass das mechanisch bewegbare Ausgangsglied einen Elektromotor aufweist. Eine quasi direkt-proportionale Funktion des Aktors erzielt man dadurch, dass eine Höhe der Gegenkraft proportional zur Größe des mindestens einen sich verändernden Bewegungsparameters ist.

Eine einfache Justierbarkeit der Lenkfunktion in eine Grundstellung für eine Geradeausfahrt erzielt man auf einfache Weise dadurch, dass der Stopper in seiner Position relativ zu den Schenkeln verstellbar ausgebildet ist.

Ein automatisches Zurückstellen des Hebels in eine Mittelstellung, wenn der Aktor kein Steuersignal erhält, erzielt man dadurch, dass die Federeinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese über die Schenkel den Hebel in Richtung einer Grundstellung bzw. Mittelstellung mit einer rückstellenden Kraft beaufschlagt.

Eine besonders einfache und funktionssichere Ansteuerung des Aktors erzielt man dadurch, dass das Steuersignal ein elektrisches Signal mit Pulsweitenmodulation (PWM) mit einem Tastverhältnis ist, wobei das Tastverhältnis die Ausgangskraft bestimmt.

Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in Abhängigkeit von einer Größe des Bewegungsparameters auf das Ausgangsglied eine Gegenkraft entgegen der mechanischen Bewegung des Ausgangsgliedes ausgeübt wird, wobei eine Größe der Gegenkraft mit zunehmendem Wert für den Bewegungsparameter zunimmt, bis der Bewegungsparameter einen stationären Zustand einnimmt, bei dem eine weitere Erhöhung des Wertes des Bewegungsparameters gestoppt ist, wenn die Ausgangskraft gleich der Gegenkraft ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einer einfachen Variation der Ausgangskraft mittels des Steuersignals eine digital-proportionale Steuerung des Aktors mit einem einfachen Elektromotor nachgebildet werden kann, ohne dass hierfür ein kostenintensiver Servomotor als mechanisch bewegbares Ausgangsglied erforderlich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in: eine beispielhafte Ausführungsform einer Funkfernsteuerung für ein Fahrspielzeug mit zwei erfindungsgemäßen Aktoren für eine Lenkfunktion und eine Antriebsfunktion in schematischer Blockschaltbilddarstellung, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors mit einer Gegenkrafteinrichtung in schematischer Darstellung und die Gegenkrafteinrichtung des Aktors gemäß Fig. 2 in vergrößerter schematischer Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte, beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Funkfernsteuerung umfasst einen Sender 10 mit zwei Kodiereinrichtungen 12 und 14 sowie einer Sendeantenne 16. Die Kodiereinrichtungen 12, 14 dienen jeweils zum Kodieren einer Stellung eines manuell durch eine Bedienungsperson betätigbaren Stellelementes 18, 20. Hierbei dient beispielsweise für die Bedienungsperson das Stellelement 18 zum Steuern einer Lenkfunktion und das Stellelement 20 zum Steuern einer Fahrgeschwindigkeit eines ansonsten nicht näher dargestellten Fahrspielzeugs. Die Kodiereinrichtungen 12, 14 erfassen die jeweilige Stellung des zugeordneten Stellelementes 18, 20 und kodieren diese Stellung in entsprechender Weise. Die kodierten Stellungen werden über eine Funkstrecke 22 von dem Sender 10 an einen Empfänger 24 mit Empfangsantenne 26 übertragen. Der Empfänger 24 wertet die empfangenen Funksignale aus und extrahiert die in den Funksignalen übertragene Stellung der Stellelemente 18, 20. Der Empfänger 24 ist in dem Fahrspielzeug angeordnet und erzeugt aus den empfangenen Stellungen der Stellelemente 18, 20 entsprechende Steuersignale 32, 34 für einen ersten Aktor 28, welcher zum Betätigen von gelenkten Rädern des Fahrspielzeugs dient, und einen zweiten Aktor 30 zum Antrieb von Antriebsrädern des Fahrspielzeugs. In dem dargestellten Beispiel werden die Stellungen der Stellelemente 18, 20 durch ein Tastverhältnis von elektrischen Steuersignalen 32, 34 mit Pulsweitenmodulation (PWM) abgebildet, d.h. das Tastverhältnis des jeweiligen elektrischen Steuersignals 32, 34 entspricht der Stellung der jeweiligen Stellelemente 18, 20. Die Pulsweitenmodulation (PWM) (auch Unterschwingungsverfahren) ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe (z. B. elektrischer Strom) zwischen zwei Werten wechselt. Dabei wird bei konstanter Frequenz der Tastgrad des Signals moduliert, also die Breite (nicht etwa Weite) eines Impulses. Der englische Begriff für das Verfahren lautet pulse-width modulation (PWM). Ein PWM-Signal wird allgemein über einen Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische Größe entspricht dem arithmetischen Mittelwert und damit der mittleren Größe der Fläche unter der modulierten Größe, mathematisch bestimmt aus dem Integral über eine ganze Zahl von Perioden, geteilt durch die Dauer der Integration. PWM ist auch unter Pulsbreitenmodulation (PBM) und Pulsdauermodulation (PDM) bekannt. Die elektrischen Steuersignale 32, 34 werden den Aktoren 28, 30 über jeweilige Verstärker 36, 38 zugeführt. Die Aktoren 28, 30 setzen die Steuersignale 32, 34 in eine jeweilige mechanische Bewegung eines Ausgangsgliedes mit entsprechender Ausgangskraft um. Das Ausgangsglied weist hierzu bevorzugt einen Elektromotor auf, welcher sich mit einem jeweiligen Drehmoment als Ausgangskraft dreht, welches dem Tastverhältnis des entsprechenden PWM-Steuersignals 32, 34 entspricht. Mit anderen Worten wird mit den Stellelementen 18 und 20 ein Drehmoment der Elektromotoren der Aktoren 28 und 30 gesteuert. Die Aktoren 28, 30 setzen das jeweilige PWM-Steuersignal 32, 34 in eine mechanische Dreh- oder Schwenkbewegung um, je nach dem, welche Steuerfunktion von dem jeweiligen Aktor erfüllt werden soll, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Fig. 2 veranschaulicht den ersten Aktor 28 näher im Detail. Der erste Aktor 28 setzt das Steuersignal 32 in eine mechanische Bewegung in Form einer Schwenkbewegung mit einem Drehmoment als Ausgangskraft um, wobei ein Bewegungsparameter der mechanischen Bewegung ein Schwenkwinkel ist. Eine Welle 40 eines Elektromotors 42 ist mit einem Hebel 44 drehfest verbunden, so dass eine Bewegung bzw. Drehung der Welle 40 zu einem Verschwenken des Hebels 44 führt. Der Hebel 44 wirkt auf eine Lenkstange 46, die in bekannter, nicht näher dargestellter Weise lenkbare Räder des Fahrspielzeugs bewegt. Weiterhin ist eine Verlängerung 48 des Hebels 44 an der Lenkstange 46 zwischen zwei Schenkeln 50, 52 einer Gegenkrafteinrichtung 54 angeordnet. Die Gegenkrafteinrichtung 54 ist zusätzlich in Fig. 3 dargestellt. Die Schenkel 50, 52 der Gegenkrafteinrichtung 54 sind um eine gemeinsame Schwenkachse 56 verschwenkbar und über eine Federeinrichtung 58 miteinander verbunden, wobei die Federeinrichtung 58 derart ausgebildet ist, dass diese eine rückstellende Kraft auf die Schenkel 50, 52 ausübt, wenn diese voneinander weg verschwenkt sind, wie mit gestrichelt dargestelltem Schenkel 52 angedeutet. Ein Pfeil 60 veranschaulicht die Schwenkbewegung der Welle 40 des Elektromotors 42 und Pfeile 62 veranschaulichen mögliche Bewegungen des Hebels 44 bzw. der Lenkstange 46 bzw. der Verlängerung 48. Weiterhin ist zwischen den Schenkeln 50, 52 ein feststehender Anschlag 64 vorgesehen, an dem die Schenkel 50, 52 unter Einwirkung der rückstellenden Kraft der Federeinrichtung 58 anschlagen. Für den verschwenkten Schenkel 52 ist in Fig. 3 die Federeinrichtung 58 aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung vereinfacht dargestellt. Tatsächlich ist die Federeinrichtung 58 für den mit gestrichelten Linien dargestellten verschwenkten Schenkel 52 gespannt, wobei sich eine entsprechende Längenänderung bzw. Verlängerung der Federeinrichtung 58 ergibt, und an einem vom Schenkel 52 abgewandten Ende mit dem anderen Schenkel 50 mechanisch verbunden. Der ist an einem Mitverschwenken mit dem Schenkel 52 aufgrund des Anschlags am Anschlag 64 gehindert, so dass dies zum Spannen der Federeinrichtung 58 aufgrund der Auslenkung bzw. Verschwenkung des Schenkels 52 führt. Der Aktor 28 empfängt über einen Eingang 66 das Steuersignal 32 und setzt dieses in eine Schwenkbewegung der Welle 40 des Elektromotors 42 mit einem dem Tastverhältnis des PWM-Steuersignals 32 entsprechenden Drehmoment als mechanische Bewegung um. Dies führt zu einem entsprechenden Verschwenken des Hebels 44 mit einem Schwenkwinkel als Bewegungsparameter der mechanischen Bewegung des Hebels 44 als Teil des Ausgangsglieds des Aktors 28. Über die Verlängerung 48 schlägt der Hebel 44 beim Verschwenken entsprechend beispielsweise an dem Schenkel 52 an und verschwenkt diesen relativ zum anderen Schenkel 50. Dieser steht in anschlagendem Eingriff mit dem Anschlag 64 und kann sich deshalb nicht mit dem Schenkel 52 mit bewegen. Auf diese Weise wird mit zunehmendem Schwenkwinkel des Hebels 44 der Schenkel 52 zunehmend verschwenkt und dadurch die Federeinrichtung zunehmend gespannt, die damit in Abhängigkeit von dem zunehmenden Bewegungsparameter "Schwenkwinkel des Hebels 44" eine zunehmende Rückstellkraft bzw. Gegenkraft 68 (Fig. 3) auf den Schenkel 52 in Richtung des Anschlages 64 und damit auf den Hebel 44 entgegen dessen mechanischer Bewegungsrichtung ausübt. Solange sich das Tastverhältnis des Steuersignals 32 nicht ändert, ist das Drehmoment der mechanischen Bewegung des Hebels 44 konstant. Gleichzeitig steigt aber mit zunehmendem Schwenkwinkel die Gegenkraft 68 immer weiter an. Die Federeinrichtung 58 ist nun derart ausgelegt, dass bei einem bestimmten Schwenkwinkel des Hebels 44 das Drehmoment der ersten Welle 40 gleich der rückstellenden Kraft bzw. der Gegenkraft 68 ist. An diesem Punkt kommt die mechanische Bewegung des Hebels 44 zum Stillstand und es stellt sich ein stationärer Zustand für den Bewegungsparameter "Schwenkwinkel des Hebels 44" ein. Es ist somit ein bestimmter Lenkeinschlag für die gelenkten Räder des Fahrspielzeugs erreicht, welcher einer Position des Stellelementes 18 am Sender 10 entspricht.

Sobald das Stellsignal 32 vom Aktor 28 nicht mehr empfangen wird oder dessen Tastverhältnis ein Drehmoment der Bewegung der ersten Welle 40 von Null vorgibt, bewegen sich der Schenkel 52, die Verlängerung 48, die Lenkstange 46, der Hebel 44 und die Welle 40 zurück in die Ausgangsstellung, wie in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien dargestellt, welcher einer Geradeausfahrt des Fahrspielzeugs entsprechen soll. Um die von der Lenkstange 46 angelenkten Räder exakt gerade stellen zu können, ist der Anschlag 64 in die Richtungen 62 verstellbar ausgebildet.

Bemerkenswert ist hierbei, dass verschiedene Schwenkwinkel des Hebels 44 und damit verschiedene Lenkeinschläge der gelenkten Räder durch einfache Variation des Tastverhältnisses des Steuersignals 32 eingestellt werden können, wobei es hierbei lediglich auf das Kräftegleichgewicht zwischen dem Drehmoment der Ausgangskraft und der Gegenkraft 68 durch die Gegenkrafteinrichtung ankommt. Ein aufwändiger Servomotor mit entsprechender interner Regelung ist für den Aktor 28 nicht notwendig. Somit kann mit einem Aktor 28 mit einfachem Elektromotor eine quasi proportionale Steuerung der Lenkung zur Verfügung gestellt werden, obwohl der Elektromotor allein hierzu selbst bei entsprechendem Steuersignal nicht in der Lage wäre. Diese Art der "Semi-Digital-Proportional"-Steuerung ist jedoch wesentlich kostengünstiger als eine echte Digital-Proportional-Steuerung. Für den Bediener ergibt sich jedoch in der Steuerung bzw. Bedienung des Fahrspielzeugs kein merklicher Unterschied, sofern die Kodiervorrichtung 12 entsprechend hoch aufgelöst die Position des Stellelementes 18 aufnimmt und kodiert.

Voranstehend ist die "Semi-Digital-Proportional"-Steuerung anhand eines Aktors 28 für die Lenkung eines Fahrspielzeugs beschrieben. Dies ist jedoch lediglich beispielhaft. Diese Art der Simulation oder mechanischen Nachbildung einer Digital- Proportional-Steuerung ist auch für jede andere Art der Umsetzung eines Steuersignals von einem Aktor in eine mechanische Bewegung verwendbar. Es kommt lediglich darauf an, dass die Gegenkrafteinrichtung 54 mechanisch in entsprechender Weise ausgebildet ist, so dass diese eine von dem wesentlichen Bewegungsparameter der mechanischen Bewegung des Ausgangsgliedes des Aktors abhängige Gegenkraft entgegen der Bewegungsrichtung des Ausgangsgliedes erzeugt. So kann sich das Kräftegleichgewicht zwischen der Ausgangskraft (hier beispielhaft Drehmoment) und der Gegenkraft bei einem bestimmten Wert für den Bewegungsparameter (hier Schwenkwinkel) einstellen, so dass eine Bewegung des Ausgangsgliedes gestoppt ist und der Wert des Bewegungsparameters gehalten wird, solange sich die von dem Tastverhältnis des Steuersignals vorgegebene Ausgangskraft nicht ändert.

Ein Verfahren, welches der erfindungsgemäße Aktor ausführt, stellt sich beispielsweise wie folgt dar: Verfahren zum Betreiben eines Aktors 28; 30, wobei dieser mit einem Steuersignal 32, 34, insbesondere mit einem elektrischen Steuersignal, angesteuert wird und das Steuersignal 32, 34 in eine mechanische Bewegung eines Ausgangsgliedes 44; mit mindestens einem sich aufgrund der Bewegung ändernden Bewegungsparameter und einer Ausgangkraft umsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Größe des Bewegungsparameters auf das Ausgangsglied 40; eine Gegenkraft 68 entgegen der mechanischen Bewegung des Ausgangsgliedes 40; ausgeübt wird, wobei eine Größe der Gegenkraft 68 mit zunehmendem Wert für den Bewegungsparameter zunimmt, bis der Bewegungsparameter einen stationären Zustand einnimmt, bei dem eine weitere Erhöhung des Wertes des Bewegungsparameters gestoppt ist, wenn die Ausgangskraft gleich der Gegenkraft 68 ist.