Rennbahn Allee 1

5412 Puch/Salzburg

ÖSTERREICH

Aktor zum Umsetzten eines Steuersignals in eine mechanische Bewegung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktor zum Ausführen einer Funktion, insbesondere einer Antriebsfunktion, 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 vorgesehen 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 6.

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 mit den in Anspruch 6 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 eine Aktorwelle aufweist, wobei der mindestens eine sich verändernde Parameter eine Drehzahl der Aktorwelle und die Ausgangskraft ein Drehmoment einer Drehbewegung der Aktorwelle 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.

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 besonders einfache und funktionssichere Gegenkrafteinrichtung für die Nachbildung eines Proportionalantriebs mit quasi stufenloser Geschwindigkeits- einstellung erzielt man dadurch, dass die Gegenkrafteinrichtung eine Fliehkraftkupplung mit einer Kupplungsglocke und mindestens einem mit der Aktorwelle drehend verbundenen und radial relativ zur Welle und zur Kupplungsglocke bewegbaren Kupplungsbelag ist, welcher entgegen einer Fliehkraft von einer Federeinrichtung mit einer federelastischen Kraft derart beaufschlagt ist, dass sich der Kupplungsbelag in Abhängigkeit von der Drehzahl der Aktorwelle entgegen der Federkraft radial in Eingriff mit der Kupplungsglocke bewegt, so dass eine von der Drehzahl der Aktorwelle abhängige Reibkraft zwischen dem mindestens einen Kupplungsbelag und der Kupplungsglocke die Gegenkraft erzeugt.

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, und Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors mit einer Gegenkrafteinrichtung für eine Antriebsfunktion in 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.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aktors 30 anhand von Fig. 2 erläutert. Der Aktor 30 setzt das Steuersignal 34 in eine mechanische Bewegung in Form einer Drehbewegung mit einem Drehmoment als Ausgangskraft um, wobei ein Bewegungsparameter der mechanischen Bewegung eine Drehzahl ist. Der Aktor 30 weist einen Eingang 70 für das Steuersignal 34 sowie als Ausgangsglied einen Elektromotor 72 mit einer Welle 74 auf. Die Gegenkrafteinrichtung 54 ist als Fliehkraftkupplung mit einer Kupplungsglocke 76 und Kupplungsbelägen 78 ausgebildet. Die Kupplungsbeläge 78 sind drehfest mit der Welle 74 verbunden und in radialer Richtung relativ zur Welle 74 und der Kupplungsglocke 76 bewegbar, so dass eine Fliehkraft bei drehender Welle 74 die Kupplungsbeläge 78 mehr oder weniger stark gegen die Kupplungsglocke 76 drückt. Somit ist die Ausgangskraft ein Drehmoment der drehenden Welle 74 und die Gegenkraft eine Reibkraft zwischen den Kupplungsbelägen 78 und der Kupplungsglocke 76. Der Bewegungsparameter der mechanischen Bewegung, in die das Steuersignal 34 von dem Aktor 30 umgesetzt wird, ist eine Drehzahl der Drehbewegung der Welle 74. Die Kupplungsglocke 76 überträgt die Drehbewegung auf ein Antriebsritzel 80, welches drehfest mit mindestens einem Antriebsrad (nicht dargestellt) des Fahrspielzeugs verbunden ist.

Bei Empfang des Steuersignals 34 setzt der Aktor 30 dieses Steuersignal 34 in eine Drehbewegung der Welle 74 (Teil des Ausgangsglieds) um. Mit zunehmender Drehzahl (Bewegungsparameter) erhöht sich die Reibkraft in der Fliehkraftkupplung 76, 78, so dass die Drehzahl der Welle 74 und damit die Geschwindigkeit des Fahrspielzeugs zunimmt, bis das Drehmoment gleich der über die Reibkraft übertragenen Gegenkraft ist. Hier stellt sich dann ein stationärer Zustand für den Bewegungsparameter "Drehzahl" ein, d.h. die Drehzahl erhöht sich nicht weiter. Das Fahrspielzeug fährt mit konstanter Geschwindigkeit, welche durch das Kräftegleichgewicht zwischen dem Drehmoment und der Gegenkraft und dadurch indirekt von dem Tastverhältnis des Steuersignals 34 bestimmt ist. Durch Ändern des Tastverhältnisses, beispielsweise durch Verändern der Position des Stellelementes 20, kann die Fahrgeschwindigkeit des Fahrspielzeugs verändert werden.

Es ist bemerkenswert, dass hierfür kein elektronischer Regler für den Elektromotor 72 erforderlich ist. Stattdessen wird durch das mechanische Kräftegleichgewicht eine Fahrgeschwindigkeit eingestellt. Dies ist erheblich kostengünstiger als ein elektronischer Regler, der am Eingang ein entsprechendes PCM-Signal (Pulse-Code- Modulation) benötigt. Trotzdem verhält sich das Fahrspielzeug für den Benutzer wie ein Fahrspielzeug, welches mit einer teuren und aufwändigen digital-proportionalen Fernsteuerung gesteuert wird. 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 74 mit mindestens einem sich aufgrund der Bewegung ändernden Bewegungsparameter und einer Ausgangkraft umsetzt, ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Größe des Bewegungsparameters auf das Ausgangsglied 74 eine Gegenkraft entgegen der mechanischen Bewegung des Ausgangsgliedes 74 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.