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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, welches zumindest ein Betätigungselement zum Betätigen des Bedienelements und zumindest ein mit dem Betätigungselement wirkverbundenes Sensorelement zum Registrieren einer Betätigung umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil eines Fahrzeuginnenraums mit einem solchen Bedienelement sowie ein Verfahren zum Ausgeben einer Rückmeldung eines Bedienelements.
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Stand der Technik
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Besonders bei Bedienelementen mit Betätigungselementen, die beim Betätigen nicht mechanisch bewegt werden, ist es für einen Bediener oft schwer zu erkennen, ob das Bedienelement die gewünschte Betätigung realisiert und umgesetzt hat. Bei Bedienelementen, wie beispielsweise Druckschaltern oder Tastern, ist es für den Bediener leicht nachzuvollziehen, ob der Schalter oder Taster korrekt bedient wurde. Dies geschieht beispielsweise durch ein Einrasten eines Schalters oder durch Überschreiten eines mechanischen Druckpunkts, so dass dem Bediener unmittelbar eine haptisch bzw. auch akustisch wahrnehmbare Rückmeldung über die Betätigung des Betätigungselements zurückgegeben wird.
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Betätigungselemente ohne mechanische Verschiebung, wie beispielsweise Berührungssensoren oder Touchscreens, weisen keinen solchen inhärenten Rückmeldungsmechanismus auf. Insbesondere bei Touchscreens erfolgt die Rückmeldung häufig rein optisch oder akustisch.
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Besonders für die Verwendung eines Bedienelements in einem Kraftfahrzeug ist es jedoch wichtig, dass ein Bediener, auch ohne auf das Betätigungselement zu schauen, eine Rückmeldung über die erfolgte Betätigung bekommt. Hierzu eignen sich insbesondere akustische und/oder haptische Rückmeldungen, welche keine optische Wahrnehmung durch den Fahrer erfordern.
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In der
DE 10 2004 052 241 A1 wird ein Tongenerator und ein Tastgefühlwandler beschrieben, um eine hörbare und/oder fühlbare Schalterrückmeldung auszugeben. Der Tastgefühlwandler ist dabei in der Form eines Elektromagneten vorhanden, der einen Kolben zum Stampfen, Klopfen oder Vibrieren gegen einen Schalterblock veranlasst. Für eine hörbare Schalterrückmeldung wird dagegen der Tongenerator eingesetzt.
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Die in dieser Druckschrift veröffentlichte Vorrichtung weist jedoch den Nachteil auf, dass zwei separate Elemente, nämlich der Tongenerator und der Tastgefühlwandler, einzusetzen sind. Dies führt zu einer komplizierten Konstruktion einer Vorrichtung, welche das gewünschte Rückmeldungssignal ausgibt.
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In einer weiteren Druckschrift, der
DE 101 26 670 A1 , wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Antwortsignals beschrieben. Hier wird ein piezoelektrisches Element zur Erzeugung eines verstärkten, periodischen Signals eingesetzt. Aufgrund der geringen Auslenkung, die durch Piezoelemente erzielbar sind, ist es jedoch nötig, dass das Piezoelement ein Gesamtsystem resonant anregt. Daher ist das Piezoelement nur zur haptisch wahrnehmbaren Ausgabe diskreter Resonanzfrequenzen des Gesamtsystems, mit dem das piezoelektrische Element verbunden ist, geeignet. Dies beschränkt die Art und Frequenz-Bandbreite der Rückmeldung, die durch dieses Verfahren ausgegeben werden kann.
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Aus
DE 10 2004 029 718 A1 ist eine Komponente für ein Fahrzeug bekannt, die einen Sensor zum Erzeugen eines Sensorsignals sowie ein Mittel zum Wandeln des Sensorsignals in ein Rückmeldesignal umfasst. Das Mittel zum Wandeln versetzt die Komponente zumindest teilweise in Schwingung.
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DE 101 03 563 A1 offenbart eine Eingabevorrichtung zur Eingabe von Steuerungsinformationen, Parametern etc. in einem Hausgerät. Die Vorrichtung ist zur Detektion eines durch einen Finger einer Bedienperson abgegebenen Signals und zur Abgabe eines elektrischen, im Bereich des Fingers fühlbaren Signals ausgebildet.
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DE 10 2006 021 593 A1 beschreibt eine Fahrzeugfunktionssteuerung zur Steuerung von Komfortfunktionen wie einer Klimaanlage, die ein berührungssensitives Eingabefeld, Rückmeldemittel, eine Anzeigevorrichtung sowie eine Steuerung aufweist. Als Rückmeldemittel ist ein mechanisch mit dem Eingabefeld gekoppelter Aktor vorgesehen, der eine Kraft auf das Eingabefeld ausüben kann. Durch die Steuerung kann ein funktionsabhängiges mechanisches und/oder auditives, jeweils variabel einstellbares Rückmeldesignal des Aktors zugeordnet werden.
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Aus
WO 2004/081776 A1 ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung haptischer Effekte bekannt, wobei ein transparenter Überzug die Kraft eines Benutzers auf eine Anzeige überträgt und ein Aktor den haptischen Effekten entsprechende Kräfte erzeugt und diese an den Finger des Benutzers abgibt. Die Anzeige ist dabei berührempfindlich.
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DE 103 26 400 A1 offenbart ein Bedienelement in einem Fahrzeug zum Betätigen einer Stelleinrichtung, wobei eine Bedienfläche des Bedienelements als drucksensitive Oberfläche ausgebildet ist, durch die in Abhängigkeit der Position und der Druckintensität eines auf die Bedienfläche ausgeübten Drucks ein Stellsignal erzeugbar ist.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein dem oben genannten technischen Gebiet zugehöriges Bedienelement zu konstruieren, das bei möglichst geringem konstruktiven Aufwand ein haptisch und/oder akustisch gut wahrnehmbares und frei wählbares Rückmeldungssignal zur Indikation einer Betätigung eines Bedienelements zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 7 gelöst. Gemäß der Erfindung umfasst das Bedienelement zumindest ein Betätigungselement zum Betätigen des Bedienelements, zumindest ein mit dem Betätigungselement wirkverbundenes Sensorelement zum Registrieren einer Betätigung, zumindest eine an dem Betätigungselement fest verbundene Schwingspule zum Aussenden eines mechanischen Rückmeldungssignals und ein Steuerungselement zum spezifischen Aktivieren der Schwingspule im Fall der Betätigung des Bedienelements. Dabei ist das Rückmeldungssignal haptisch und/oder akustisch, bevorzugt gleichzeitig haptisch und akustisch, wahrnehmbar. Insbesondere sendet die Schwingspule Biegewellen durch das Betätigungselement aus (d. h. das Betätigungselement, das als Membran fungiert, wird in Schwingung versetzt). Dies hat beispielsweise den Vorteil einer besonders kompakten Bauweise, weil das Betätigungselement gleichzeitig neben der Betätigung auch der Ausgabe des Rückmeldungssignals dient und damit ein weiteres Ausgabeelement, wie beispielsweise ein separater Lautsprecher, unnötig wird. Darüber hinaus ist die Nutzung des Betätigungselements zur Ausgabe des Rückmeldungssignals besonders gut dafür geeignet, das Rückmeldungssignal auf den Bediener zu übertragen, weil zur Bedienung des Bedienelements üblicherweise ein Kontakt zwischen dem Bediener und dem Bedienelement zustande kommt und ein haptisch wahrnehmbares Signal sofort zurück gegeben werden kann.
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Das erfindungsgemäße Betätigungselement kann dabei auf Berührung oder Druck reagieren. Hierzu kann beispielsweise der Kontakt eines Fingers des Bedieners mit dem Betätigungselement ausreichen. Bevorzugt kann das Betätigungselement ein Zierteil oder Formteil aus Metall, Holz oder Kunststoff sein, welches im Innenraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Das Sensorelement kann bevorzugt an dem Betätigungselement befestigt sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Sensorelement auf Distanz, beispielsweise mittels eines Lasers, Bewegungen misst oder auf Druckunterschiede oder Spannungen des Betätigungselements, beispielsweise eines Zierteils, reagiert. Als mögliche Sensorelemente können hierbei insbesondere ein Piezosensor, ein kapazitiver Sensor, ein druckabhängiger Widerstand oder beispielsweise ein anderer Druck- oder Näherungssensor verwendet werden.
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Die Schwingspule ist beispielsweise ein sogenannter „Exciter”, der nach dem Tauchspulenprinzip arbeitet. Durch die Schwingspule, an die eine elektrische Spannung bzw. ein elektrischer Strom angelegt wird, ist es möglich, Schwingungen der angelegten Spannung bzw. des angelegten Stroms in mechanische Schwingungen umzusetzen. Die Form der angelegten elektrischen Signale, beispielsweise eine Sinusschwingung, Rechteckschwingung, Sägezahnschwingung oder eine beliebige Überlagerung verschiedener periodischer oder nicht-periodischer Signale, ist dabei für die Ausgabe durch die als Exciter ausgeführte Schwingspule unerheblich. Auch die Intensität der mechanischen Schwingung lässt sich in Abhängigkeit von der Intensität des elektrischen Signals regeln. Anstelle der bevorzugten Biegewellen, bei denen das gesamte Betätigungselement, also beispielsweise ein Zier- oder Formteil eines Fahrzeuginnenraums in Vibrationen versetzt wird, ist es jedoch auch möglich, reine Oberflächenwellen auf das Betätigungselement zu übertragen.
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Daneben kann auch, beispielsweise durch Anordnung mehrerer Schwingspulen, eine stark lokalisierte Rückmeldung auf mechanischem Wege erzielt werden, indem beispielsweise lokale Auslöschungen des Rückmeldungssignals erzeugt werden. Da die Schwingspule das Betätigungselement selbst nutzt, um das mechanische Rückmeldungssignal auszugeben, ist es für einen Bediener unmittelbar realisierbar, wenn das Betätigungselement korrekt betätigt wurde.
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Als Steuerungselement kann beispielsweise ein Prozessor mit einem Speicherelement verwendet werden. Auf dem Speicherelement können dabei verschiedene Rückmeldungssignale gespeichert werden, welche durch den Prozessor des Steuerungselements ausgewählt und durch die Schwingspule emittiert werden. Das Steuerungselement ist dabei dazu geeignet, die Schwingspule im Fall der Betätigung des Bedienelements derart spezifisch zu aktivieren, dass ein Bediener anhand des ausgesendeten Rückmeldungssignals auf die Betätigung des Betätigungselements, insbesondere die Betätigung eines bestimmten Betätigungselements oder das Auslösen einer bestimmten Funktion zurückschließen kann. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Frequenz oder Intensität eines Signals mit der Betätigungsdauer des Betätigungselements, entsprechend einem ”Gedrückthalten” eines Tasters korrelieren kann. Aufgrund des besonders großen Spektrums von emittierbaren Rückmeldungssignalen durch die Schwingspule lassen sich zudem nahezu beliebige Kombinationen einzelner periodischer oder nicht-periodischer Signale durch das Steuerungselement auswählen und durch die Schwingspule emittieren.
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Die Schwingspule ist mit dem Betätigungselement und einem Befestigungselement verbunden. So stellt die Schwingspule also ein Verbindungselement zwischen dem Betätigungselement und dem Befestigungselement dar. Auf diese Weise lässt sich durch die Schwingspule leicht eine relative Bewegung zwischen dem Betätigungselement und dem Befestigungselement erkennen.
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Die Schwingspule kann, in einer vorliegend nicht beanspruchten Ausführungsform, alternativ auch beispielsweise schwimmend an dem Betätigungselement befestigt sein. Im Fall einer schwimmenden Befestigung der Schwingspule an dem Betätigungselement ist es jedoch von Vorteil, wenn die Schwingspule ein geeignet dimensioniertes Massenelement aufweist, das aufgrund seiner Massenträgheit dazu geeignet ist, die Schwingspule bei hohen Frequenzen gegen das Betätigungselement abzustützen und entsprechende Signale auf das Betätigungselement übertragen zu lassen. Die Wahl der Masse des Massenelements hängt dabei von der Art des Betätigungselements ab. Insbesondere die Masse des Betätigungselements, sowie dessen Elastizität sind für die Wahl der Masse des Massenelements von besonderer Bedeutung.
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Weiter ist eine auf das Betätigungselement ausgeübte Kraft und/oder ein vom Betätigungselement in Bezug auf das Befestigungselement zurückgelegter Weg durch die Schwingspule, nämlich durch Generieren einer elektrischen Spannung durch die Schwingspule detektierbar. Bei einer Ausführungsform des Bedienelements, bei der die Schwingspule sowohl mit dem Betätigungselement als auch mit dem Befestigungselement fest verbunden ist, ist es besonders gut möglich, dass die Schwingspule, welche in ihrem aktiven Betrieb ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umwandelt, in ihrem passiven Betrieb aus einer mechanischen Bewegung ein elektrisches Signal erzeugt. Damit ist es möglich, auch die Schwingspule als zusätzliches Sensorelement des Bedienelements zu verwenden.
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Ein durch Änderung des vom Magnetfeld durchdrungenen Spulenanteils generierbares elektrisches Signal kann dabei vorzugsweise bei dynamischen Vorgängen, bspw. Während des Drückens des Betätigungselements, zur Ermittlung eines Zustandes herangezogen werden.
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Auch eine Betätigung, die durch eine kontinuierlich auf das Betätigungselement ausgeübte kraft charakterisiert ist, wäre durch den beschriebenen Aufbau ermittelbar, da sich systembedingt durch äußere Einflüsse und die damit verbundene Überlagerung mit dynamischen Vorgängen eine Variation des Signals um eine „Nulllage” ergibt. Dabei kann der zeitliche Verlauf des Signals bei einer beispielsweise durch den Bediener kontinuierlich ausgeübten Kraft Rückschlüsse auf den Zustand des Bedieners (bspw. Auf die körperliche Verfassung des Fahrzeuglenkers, wie z. B. Alkoholisierungsgrad oder Müdigkeit), oder aber alternativ des Fahrzeuges (bspw. Den Zustand der Fahrzeugfederung) oder der Fahrzeugumgebung (bspw. Dem Fahrbahnzustand) geben. Durch eine akustische oder haptische Rückmeldung kann bei vorgegebenen Zuständen eine Information an einen Fahrzeuginsassen erfolgen.
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Es ist beispielsweise auch möglich, dass durch das Sensorelement ein Signal an das Steuerungselement ausgegeben wird, dass das Betätigungselement betätigt wurde, wonach die Schwingspule beispielsweise die Betätigungskraft oder den Betätigungsweg aufnehmen und an das Steuerungselement ein entsprechendes Signal übermitteln kann. Die Schwingspule kann somit auch als Kontrollinstanz für das Sensorelement fungieren.
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Mit Vorteil ist die Schwingspule zum Aussenden eines mechanischen Frequenzsignals in einem Frequenzbereich von zwischen 15 Hz und 20 kHz ausgeführt. Die Frequenz entspricht dabei der effektiven Periode des Signals, wobei dieses Signal beispielsweise auch durch die Überlagerung von mehreren Wellen, insbesondere deutlich höherer oder deutlich tieferer Frequenzen zustande kommen kann. Die Schwingspule ist also generell dazu geeignet, Signale eines deutlich breiteren Frequenzbereichs zu erzeugen; es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, als Rückmeldungssignal solche, ggf. durch Überlagerung einer Vielzahl von periodischen Signalen entstehende, periodische Signale einer Frequenz von zwischen 15 Hz und 10 kHz auszugeben. Die untere Grenze von 15 Hz kommt dabei durch die Eigenschaften des Rückmeldungssignals, besonders gut tastbar zu sein, die obere Grenze von 10 kHz durch die Eigenschaft, besonders gut hörbar zu sein, zustande.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bedienelement ferner ein Speicherelement zum Speichern von Frequenzsignalen, wobei die Schwingspule vom Steuerungselement zum spezifischen Aussenden eines oder mehrerer der gespeicherten Frequenzsignale, insbesondere aus Überlagerung von zumindest zwei im Wesentlichen sinusförmigen Frequenzsignalen, aktivierbar ist. Das genannte Speicherelement kann dabei sowohl als separates Element als auch in dem Steuerungselement vorgesehen sein.
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Durch die beschriebene Überlagerung von zumindest zwei im Wesentlichen sinusförmigen Frequenzsignalen lassen sich durch die Schwingspule auch andere als sinusförmige Frequenzsignale ausgeben. Beispiele hiervon sind die bereits genannten Rechteck- oder Sägezahnsignale sowie beispielsweise eine Kombination eines haptisch wahrnehmbaren mit einem akustisch wahrnehmbaren Signal, also einer Überlagerung eines niederfrequenten mit einem hochfrequenten, sinusförmigen Rückmeldungssignal. Diese Überlagerungen von periodischen Signalen sind in auf dem Speicherelement gespeicherter Form besonders schnell abrufbar.
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Im Speicherelement kann auch eine Zuordnung zwischen einem bestimmten Ereignis, zum Beispiel dem Betätigen eines bestimmten Betätigungselements oder dem Betätigen des Betätigungselements über einen bestimmten Zeitraum, und einem entsprechend auszusendenden Rückmeldungssignal gespeichert sein. Daneben ist es jedoch auch möglich, dass diese Zuordnung allein durch das Steuerungselement vorgenommen wird, das zum Aussenden eines Rückmeldungssignals ein oder mehrere in dem Speicherelement gespeicherte Frequenzsignale zum Aussenden durch die Schwingspule auswählt.
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Besonders bevorzugt ist das Speicherelement zum Speichern beliebiger, bevorzugt periodischer, approximierter, besonders bevorzugt durch eine Fourier-Reihe approximierter Signale ausgeführt. Auf diese Weise kann auch ein kompliziert zusammengesetztes Signal schnell abgerufen werden und muss nicht erst vom Steuerungselement neu errechnet werden. Die Berechnung bedeutet in diesem Fall die Auswahl der zu überlagernden Frequenzen mit ihren jeweiligen Amplituden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Bedienelement zumindest zwei Sensorelemente auf, wobei die Schwingspule vom Steuerungselement in Abhängigkeit von dem eine Bedienung registrierenden Sensorelement spezifisch, insbesondere durch Aussenden eines spezifischen Signals, aktivierbar ist. Die genannten zwei Sensorelemente befinden sich an zwei verschiedenen Orten an dem Betätigungselement, so dass durch das Zusammenwirken der beiden Sensorelemente, also das gemeinsame Registrieren einer Betätigung, auf einen Ort auf dem Betätigungselement geschlossen werden kann, an dem der Bediener die Betätigung durchgeführt hat.
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Eine entsprechende Anordnung von Sensorelementen kann beispielsweise zur sensorischen Ansteuerung eines Tastenfelds genutzt werden, welches durch ein einziges Betätigungselement und verschiedene, auf dem Betätigungselement befindliche Parzellen gebildet werden kann. Dabei ist bevorzugt jeder Parzelle ein Sensorelement zugeordnet. Im Fall eines mehrere Parzellen aufweisenden Betätigungselements, beispielsweise eines Nummernfelds, kann bevorzugt für jede Parzelle des Nummernfelds ein separates Sensorelement oder ein separater Bereich auf einem gemeinsamen Sensorelement vorgesehen sein. Je nachdem, in welcher Parzelle, also durch welches Sensorelement, die Bedienung des Betätigungselements registriert wurde, wird durch das Sensorelement ein entsprechendes Signal zum Aussenden durch die Schwingspule ausgewählt. Das ausgesendete Signal ist somit spezifisch vom Ort auf dem Betätigungselement abhängig, an dem der Bediener die Betätigung vorgenommen hat. Darüber hinaus sind, wie oben ausgeführt, weitere Parameter denkbar, die zum Aussenden eines entsprechenden, spezifischen Signals führen können.
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Ein erfindungsgemäßes Bauteil eines Fahrzeuginnenraums, welches ein erfindungsgemäßes Bedienelement aufweist, ist derart ausgeführt, dass eine innenraumseitige Oberfläche des Bauteils das zumindest eine Betätigungselement umfasst. Beispiele für ein solches Bauteil eines Fahrzeuginnenraums sind eine Zier- oder Dekorleiste, ein Lenkrad, ein Schaltknauf, eine Lüftungsöffnung, ein Fensterheber oder ähnliche Bauteile. Mit der innenraumseitigen Oberfläche des Bauteils ist dabei diejenige Fläche des Bauteils gemeint, die an den Fahrzeuginnenraum grenzt und von diesem unmittelbar zugänglich ist. Somit ist es beispielsweise möglich, auf den genannten Bauteilen Funktionsflächen vorzusehen, über die ein Bediener durch das Betätigungselement und die übrigen genannten Elemente des Bedienelements eine Bedienung einer Funktion des Fahrzeugs vornehmen kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ausgeben einer Rückmeldung eines Bedienelements wird durch ein Registrieren einer Berührung zumindest eines Betätigungselements durch einen Bediener von zumindest einem Sensorelement ausgelöst. Dabei aktiviert ein Steuerungselement in Abhängigkeit von der registrierten Berührung eine Schwingspule derart, dass die Schwingspule ein spezifisches mechanisches Rückmeldungssignal, insbesondere eine Biegewelle, durch das Betätigungselement ausgibt. Das Rückmeldungssignal ist dabei haptisch und/oder akustisch, bevorzugt gleichzeitig haptisch und akustisch, wahrnehmbar.
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Das spezifische mechanische Rückmeldungssignal kann dabei insofern spezifisch sein, als es beispielsweise hart oder weich, laut oder leise, stark oder schwach, örtlich spezifisch, zeitlich spezifisch, beispielsweise als Folge von Signalen, die eine Information kodieren, oder anders von der registrierten Berührung abhängig sein. Die Spezifikation des mechanischen Rückmeldungssignals erlaubt es dem Bediener, von dem Rückmeldungssignal auf das betätigte Betätigungselement und damit verbunden auf die vorgenommene Bedienung zurückzuschließen.
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Bevorzugt aktiviert das Steuerungselement die Schwingspule zum Aussenden eines Frequenzsignals, wobei das Frequenzsignal direkt auf einem Speicherelement gespeichert sein oder von dem Steuerungselement durch Überlagerung mindestens zweier, im Wesentlichen sinusförmiger, insbesondere auf dem Speicherelement gespeicherter Frequenzsignale gebildet werden kann. Das Speicherelement kann dabei wie oben beschrieben auch in dem Steuerungselement integriert oder aber als separates Element vorgesehen sein.
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Weiter bevorzugt aktiviert das Steuerungselement die Schwingspule bei einer Registrierung einer Berührung durch ein erstes Sensorelement zum Aussenden eines ersten Rückmeldungssignals und bei einer Registrierung einer Berührung durch ein zweites Sensorelement zum Aussenden eines zweiten Rückmeldungssignals, wobei das erste Rückmeldungssignal insbesondere von dem zweiten Rückmeldungssignal verschieden ist.
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Bei einem Bedienelement mit zwei verschiedenen Sensorelementen kann es wie oben ausgeführt von Bedeutung sein, welches der Sensorelemente die Berührung durch den Bediener registriert, weil dies auf einen bestimmten Ort auf dem Betätigungselement zurückführbar ist, den der Bediener berührt hat. Mit diesem Ort kann beispielsweise eine bestimmte Funktion verbunden sein, wie dies beispielsweise bei einem Tastenfeld eines Nummernblocks der Fall ist. In diesem Fall ist es für den Bediener besonders komfortabel, wenn die akustische und/oder haptische Rückmeldung durch das Steuerungselement derart ausgewählt wird, dass eine Unterscheidung zwischen den Rückmeldungssignalen der einzelnen Sensorelemente möglich ist.
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Die Schwingspule gibt elektrische Signale an das Sensorelement aus, wenn die Schwingspule mit dem Betätigungselement und einem Befestigungselement fest verbunden ist. Die elektrischen Signale werden dabei in Abhängigkeit von einer auf das Betätigungselement ausgeübten Kraft und/oder einem vom Betätigungselement in Bezug auf das Befestigungselement zurückgelegten Weg generiert und ausgegeben.
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Bei einem bevorzugten Verfahren ordnet das Steuerungselement ferner die elektrischen Signale der Schwingspule einem Ereignis zu und aktiviert die Schwingspule zum Aussenden eines spezifischen, von dem Ereignis abhängigen Rückmeldungssignals. Bei der Zuordnung der elektrischen Signale der Schwingspule zu einem Ereignis muss durch das Steuerungselement jedoch eine Unterscheidung zwischen einer Bewegung der Schwingspule aufgrund der Schwingspule selbst, nämlich einem ausgesendeten Rückmeldungssignal, im Unterschied zu einer äußeren Einwirkung, nämlich dem Betätigen des Betätigungselements, vorgenommen werden. Durch die Kombination der Schwingspule zum Erkennen von Ereignissen mit dem Sensorelement kann beispielsweise ein mehrstufiger Sensor oder Schalter entstehen.
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Beispiele für eine solche Kombination der Schwingspule mit dem Sensorelement sind eine Detektion des Berührungspunkts des Bedieners auf dem Betätigungselement durch das Sensorelement und eine Detektion des Berührungsdrucks durch die Schwingspule. In einem weiteren Beispiel ist es möglich, dass durch das Sensorelement ein leichter Druck oder Tastweg detektiert wird, wogegen ein größerer Druck oder Tastweg durch die Schwingspule detektiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen Schalter mit mehreren Schaltschwellen zu erzeugen. Aufgrund der Tatsache, dass sich durch den Druck auf das Betätigungselement die Spannung an der Schwingspule verändert, kann auch die Schwingspule als solche als Sensorelement verwendet werden, wenn die durch die Schwingspule erzeugte Spannung als Schaltsignal ausgewertet wird. Da die Verformung/Verschiebung der Schwingspule bzw. die dazu notwendige Kraft proportional zu der durch die Schwingspule erzeugten Spannung sein kann, kann somit festgestellt werden, wie weit oder mit welcher Kraft das Betätigungselement berührt wurde. Dies kann auch dazu verwendet werden zwischen einem beabsichtigten „Schalten” und einem „Abstützen” zu unterscheiden. Auch bestünde die Möglichkeit diese Erfassung in einem Crash-Fall zu nutzen und bei einem detektierten Aufprall auf das Betätigungselement eine gewünschte Funktion auszulösen.
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Erfindungsgemäß wird das beschriebene Bedienelement zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet. Die Verwendung einer Schwingspule zum Aussenden des mechanischen Rückmeldungssignals ermöglicht es, dass über einen weiten Frequenzbereich, nahezu beliebige Signalformen und große Signalamplituden bzw. große Signalkräfte auf das Betätigungselement ausgeübt werden können. Es wird somit eine einfache Konstruktion bereitgestellt, die zum Aussenden haptischer und/oder akustischer Rückmeldungssignale geeignet ist, wobei die Rückmeldungssignale sehr gut anpassbar und damit spezifisch auf das anzuzeigende Ereignis einstellbar sind. Das erfindungsgemäße Bedienelement eignet sich damit hervorragend für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bei dem ein Fahrer, dessen Blick auf die Geschehnisse außerhalb des Fahrzeugs gerichtet ist, diverse elektronische Komponenten im Fahrzeug, beispielsweise Kommunikationssysteme, wie etwa ein Autotelefon, Fahrerassistenzsysteme, wie beispielsweise ein Navigationssystem oder ein Bordcomputer, Multimediaanwendungen, wie beispielsweise ein Autoradio, Komfortsysteme, wie beispielsweise Lüftung und Klimatisierung, oder auch Fahrzeugbetriebssysteme, wie beispielsweise Schaltung, Geschwindigkeitsregelanlage, Scheibenwischer oder Licht bedienen kann.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich durch die detaillierte Figurenbeschreibung sowie die Gesamtheit der Patentansprüche.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt ein Bedienelement gemäß einer ersten bevorzugten, nicht beanspruchten Ausführungsform.
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2 zeigt das Bedienelement in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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3 zeigt das Bedienelement in einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Ausgeben einer Rückmeldung eines Bedienelements.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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1 zeigt eine erste bevorzugte, nicht beanspruchte Ausführungsform eines Bedienelements. Ein Betätigungselement 10 ist mit einem Sensorelement 12 versehen, das dazu in der Lage ist, eine Berührung des Betätigungselements 10 zu registrieren. Das Betätigungselement 10 ist dabei als ein flächig ausgebildetes Kontaktelement ausgeführt, das beispielsweise ein Zierteil oder ein Formteil aus Metall, Holz oder Kunststoff oder ähnlichem sein kann. Das Betätigungselement 10 wird dabei durch einen Bediener beispielsweise durch Berühren der Oberfläche des Betätigungselements 10 betätigt. Entsprechend handelt es sich bei dem Sensorelement 12 um einen Druck- oder Näherungssensor, wobei dieser beispielsweise durch einen Piezo-, druckabhängigen Widerstands-(FSR) oder kapazitiven Sensor gebildet sein kann. Das ansonsten beispielsweise lediglich mit einer Zierfunktion versehene Betätigungselements 10 stellt dabei gleichzeitig eine Schutzschicht für das Sensorelement 12 gegenüber unsachgemäßer äußerer Einwirkung auf das Sensorelement 12 dar. In der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform des Bedienelements wird das Betätigungselement 10 durch eine Holzzierleiste und das Sensorelement 12 durch einen Piezosensor gebildet.
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An dem Betätigungselement 10 ist ferner eine Schwingspule 14 befestigt. Die Schwingspule 14 ist dabei über einen Korb mit dem Betätigungselement 10, also dem Holzzierteil, verbunden. Sie umfasst ferner u. a. ein Magnetelement 22 und ein Spulenelement 20, durch das ein elektrischer Spannungs- oder Stromimpuls fließen und ein entsprechend ausgebildetes Magnetfeld erzeugt werden kann. An dem Magnetelement 22, das in Wechselwirkung mit dem durch das Spulenelement 20 erzeugten Magnetfeld tritt, ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform des Betätigungselements ferner ein Massenelement 24 angebracht. Das Massenelement 24 an dem Magnetelement 22 dient dabei einem Abstützen des Magnetelements 22 gegen die Trägheit des Massenelements 24 bei hochfrequenten Vibrationen der Schwingspule 14. Die Schwingspule 14 regt bei entsprechenden elektrischen Signalen in dem Spulenelement 20 über die proportionale Auslenkung und Kraftausübung der Schwingspule 14 auf das Betätigungselement 10 Biegewellen des Betätigungselements an. Es wird also das Betätigungselement 10 selbst in Schwingung versetzt, so dass ein Bediener, der das Betätigungselement 10 berührt, die Biegewellen des Betätigungselements 10 haptisch unmittelbar wahrnimmt. Zusätzlich zu einer haptischen Wahrnehmung der Biegewellen des Betätigungselements 10 ist es darüber hinaus auch möglich, dass der Bediener bei entsprechend hoch gewählten Frequenzen, die durch die Schwingspule 14 ausgesandt werden, diese Biegewellen des Betätigungselements 10 akustisch wahrnehmen kann.
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Über elektrische Leitungen 26, 28 sind die Schwingspule 14 sowie das Sensorelement 12 mit einem Steuerungselement 16 verbunden, welches ausgehend von dem durch das Sensorelement 12 wahrgenommenen Ereignis die Schwingspule 14 zum Aussenden eines Rückmeldungssignals veranlasst. Hierzu wird durch das Steuerungselement 16 ein entsprechend geformtes elektrisches Spannungs- bzw. Stromsignal an das Spulenelement 20 der Schwingspule 14 ausgegeben, wodurch das Magnetelement 22 mit dem daran befestigten Massenelement 24 in entsprechend geformte Schwingungen versetzt wird, die aufgrund der Befestigung der Schwingspule 14 an dem Betätigungselement 10 direkt auf das Betätigungselement übertragen werden und dieses ebenfalls in Schwingung versetzt, die durch einen Bediener haptisch und/oder akustisch wahrnehmbar ist.
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Je nachdem, welches Ereignis durch das Sensorelement 12 detektiert wird, kann durch das Steuerungselement 16 entschieden werden, welche Form, Intensität, Dauer oder welchen zeitlichen Verlauf das durch die Schwingspule 14 ausgesandte Rückmeldungssignal aufzuweisen hat. So kann beispielsweise für ein lang anhaltendes Betätigen des Betätigungselements 10 durch einen Bediener auch ein lang anhaltendes Rückmeldungssignal durch die Schwingspule 14 ausgegeben werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Bedienelements, die sich gegenüber der in 1 dargestellten Ausführungsform des Bedienelements dahingehend unterscheidet, dass anstelle des in 1 gezeigten Massenelements 24 ein Befestigungselement 30 in der in 2 dargestellten Ausführungsform vorgesehen ist. Das Befestigungselement 30 ist dabei zumindest in Bezug auf das Betätigungselement 10 fixiert, so dass durch die Schwingspule 14, insbesondere das Spulenelement 20 und das Magnetelement 22, eine Kraft zwischen dem Befestigungselement 30 und dem Betätigungselement 10 ausgeübt wird. Die durch die Schwingspule 14 ausgeübte Kraft auf das Betätigungselement 10 führt insbesondere zu einer stärkeren Verformung des Betätigungselements 10 auch bei niedrigen Frequenzen eines Rückmeldungssignals als dies im Fall der in 1 dargestellten Ausführungsform mit Massenelement 24 möglich ist. Dadurch, dass sich die Schwingspule 14 gegen das Befestigungselement 30 abstützen kann, lassen sich zudem auch höhere Kräfte auf das Betätigungselement 10 übertragen.
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Ferner ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform des Bedienelements zusätzlich ein Speicherelement 18 an dem Steuerungselement 16 vorgesehen. Das Speicherelement 18 dient der Speicherung verschiedener Rückmeldungssignale, die durch die Schwingspule 14, nach Aktivierung durch das Steuerungselement 16, auf das Betätigungselement 10 übertragen werden. Das Speicherelement 18 eignet sich selbstverständlich auch dafür, andere Daten, wie beispielsweise Kriterien für bestimmte Ereignisse, die durch das Sensorelement 12 erfasst werden, Algorithmen für die Zusammenstellung elektrischer Rückmeldungssignale oder eben direkt entsprechende Rückmeldungssignale zu speichern und für das Steuerungselement 16 abrufbar bereitzustellen.
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In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform des Bedienelements ist darüber hinaus eine weitere Funktionalität der Schwingspule 14 möglich. Da sich das Magnetelement 22 gegen das Befestigungselement 30 abstützt, führt somit eine mit einer Krafteinwirkung auf das Betätigungselement 10 verbundene Betätigung des Betätigungselements 10 in Richtung des Befestigungselements 30 zu einer relativen Verschiebung zwischen dem Spulenelement 20 und dem Magnetelement 22. Durch die mit einer solchen Verschiebung verbundene Induktion in dem Spulenelement 20 entsteht also aufgrund der Betätigung des Betätigungselements 10 ein elektrisches Signal, das über die elektrische Leitung 26 an das Steuerungselement 16 fließen kann. Das Steuerungselement 16 kann daher, gewissermaßen durch Umkehr der Funktion der Schwingspule 14 zur Ausgabe eines mechanischen Signals, auf einen weiteren Sensor zur Erkennung einer Betätigung des Betätigungselements 10 zurückgreifen.
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Die Kombination des Sensorelements 12 mit der als Sensor fungierenden Schwingspule 14 führt dabei zu einem erweiterten Funktionsspektrum des Bedienelements. Beispielsweise kann mit dem Sensorelement 12 detektiert werden, wo auf dem Betätigungselement 10 eine Betätigung durch einen Bediener stattgefunden hat, wogegen durch die Schwingspule 14 feststellbar ist, wie groß der Druck auf das Betätigungselement 10 bzw. über welchen Weg das Betätigungselement 10 in Richtung des Befestigungselements 30 verschoben wurde. Eine mögliche Anwendung für das kombinierte Detektieren einer Betätigung des Betätigungselements 10 ist ein Schalter mit zwei oder mehr Schaltschwellen, wobei durch das Sensorelement 12 ein leichter Druck bzw. Tastweg detektiert wird, wogegen ein größerer Druck bzw. Tastweg durch die Schwingspule 14 und einen entsprechend ausgebildeten elektrischen Impuls an das Steuerungselement 16 feststellbar ist.
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3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Bedienelements, wobei das Betätigungselement 10 mit zwei Sensorelementen 12.1, 12.2 und zwei Schwingspulen 14.1, 14.2 versehen ist, wobei die einzelnen Sensorelemente 12.1, 12.2 dem Sensorelement 12 aus den 1 und 2 entsprechen und die Schwingspulen 14.1, 14.2 im Wesentlichen die gleichen Schwingspulen 14 aus 1 und 2 sind. Entsprechend wird auf diese Einzelteile nicht näher eingegangen. Die Schwingspulen 14.1, 14.2 stützen sich dabei analog zur in 2 dargestellten Ausführungsform des Bedienelements gegen ein Befestigungselement 30 ab, so dass auch hier die erweiterte Funktionalität der Schwingspulen 14.1, 14.2 als eigene Sensorelemente möglich ist.
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Durch das Vorhandensein zweier Sensorelemente 12.1, 12.2 entstehen zwei Sensorflächen S1, S2 auf dem Betätigungselement 10, auf denen eine Betätigung durch einen Bediener sehr genau erkannt werden kann. Somit ist es beispielsweise möglich, durch das Vorsehen einer Vielzahl von Sensorelementen 12 in einem Betätigungselement 10, einen Nummernblock oder mehrere nebeneinander liegende Tasten in einem Betätigungselement 10, das beispielsweise als Holzzierteil ausgeführt ist, vorzusehen. Das Steuerungselement 16, das in der in 3 gezeigten Ausführungsform des Bedienelements mit beiden Sensorelementen 12.1, 12.2 sowie beiden Schwingspulen 14.1, 14.2 verbunden ist, eignet sich dabei zum Aussenden von elektrischen Signalen an die Schwingspulen 14.1, 14.2, so dass diese Schwingspulen 14.1, 14.2 entsprechende spezifische Signale über das Betätigungselement 10 an den Bediener zurückgeben. Die Signale können dabei besonders bevorzugt davon abhängen, welcher Sensorbereich S1, S2 durch den Bediener betätigt wurde, vor allem dann, wenn mit je einem Sensorbereich S1, S2 eine bestimmte Funktion verbunden ist, die durch das Sensorelement 12 via das Steuerungselement 16 und ein entsprechendes, beispielsweise elektronisches Aggregat in einem Fahrzeug, ausgeführt wird.
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Alternativ ist auch denkbar, dass mehrere Sensorelemente 12.1, 12.2 an dem Betätigungselement 10 vorhanden sind, die Rückmeldungssignale jedoch nur durch eine Schwingspule 14 ausgegeben werden. Die Schwingspule 14 ist dabei dazu geeignet, derart unterschiedliche Signale auszugeben, dass auch eine Unterscheidung der ausgewählten Sensorelemente untereinander durch eine einzige Schwingspule 14 möglich ist.
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In allen drei bevorzugten Ausführungsformen des Bedienelements wird durch die Schwingspule 14, 14.1, 14.2 ein periodisches Signal in einem Frequenzbereich von zwischen 15 Hz und 20 kHz ausgesendet. Im Frequenzbereich zwischen diesen Grenzfrequenzen sind Signale, die durch die Schwingspule 14, 14.1, 14.2 ausgesendet werden, besonders gut tastbar bzw. hörbar. Dabei können die ausgegebenen Signale insbesondere auch durch Überlagerung von periodischen Signalen verschiedenster Frequenzen, die auch außerhalb des oben genannten Frequenzbereichs liegen können, zustande kommen. Neben ebenfalls möglichen nichtperiodischen Rückmeldungssignalen, die durch die Schwingspule 14, 14.1, 14.2 über das Betätigungselement 10 an den Bediener ausgegeben werden, werden bevorzugt periodische, approximierte Signale von der Schwingspule 14, 14.1, 14.2 emittiert. Besonders bevorzugt werden entsprechende periodische Signale dabei durch eine Fourier-Reihe approximiert, entstehen also durch eine gewichtete Überlagerung sinusförmiger Schwingungen verschiedener Frequenzen und Phasenverschiebungen.
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4 zeigt schließlich ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Ausgeben einer Rückmeldung eines Bedienelements. Ein Bediener B setzt das Verfahren dabei in Gang, indem er eine Betätigung 40 des Betätigungselements 10 vornimmt. Hierzu findet insbesondere eine Berührung einer Oberfläche eines Holzzierteils im Innenraum eines Fahrzeugs statt.
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Ein in, ober- oder unterhalb des Betätigungselements 10 befindliches Sensorelement 12 überwacht das Betätigungselement 10 auf eine Betätigung 40 durch einen Bediener B. Auf die Registrierung 42 einer Betätigung des Betätigungselements 10 erfolgt eine Übermittelung 44 des registrierten Ereignisses von dem Sensorelement 12 an ein Steuerungselement 16. Das Steuerungselement 16 bewirkt anschließend eine Aktivierung 48 einer Schwingspule 14 zum spezifischen Aussenden 50 eines Signals über das Betätigungselement 10 zum Bilden eines Rückmeldungssignals 52 an den Bediener B. Hierbei ist besonders bevorzugt, dass das Steuerungselement 16 durch ein Abrufen 46 eines Frequenzsignals aus einem Speicherelement 18 besonders effizient arbeitet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Bedienelements eignet sich die Schwingspule 14 zudem dazu, ebenfalls das Betätigungselement 10 auf eine Betätigung durch einen Bediener B hin zu überwachen. Eine Registrierung 54 einer Betätigung des Betätigungselements 10 durch die Schwingspule 14 wird in diesem Fall zur Übermittlung 56 eines Signals an das Steuerungselement 16 führen. Das Steuerungselement 16 verarbeitet in diesem Fall sowohl ein von dem Sensorelement 12, als auch von der Schwingspule 14 ausgegebnes Signal über eine Betätigung des Betätigungselements 10. Hierbei ist zu beachten, dass das Steuerungselement 16 das aktive Aussenden 50 von Signalen durch die Schwingspule 14, die auf die Aktivierung 48 der Schwingspule 14 durch das Steuerungselement 16 zurückzuführen sind, von einer äußeren Betätigung des Betätigungselements zu unterscheiden hat.