DE102015001118A1 - Force-sensitive operating device for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung (3) für ein Kraftfahrzeug (1). Bei der Bedieneinrichtung (3) sollen alle elektronischen Schaltungsteile auf einer einzigen Leiterplatte (12) angeordnet sein. Ein um eine Rotationsachse (21) verschwenkbar gelagertes Schwenkelement (20) und ein Touchpad (5) sind über zumindest ein Federelement (25) gegeneinander elastisch auslenkbar gehalten. Eine Leiterplatte (12) weist zumindest einem Kraftsensor (16) auf, an welchem das Schwenkelement (20) anliegt und auf welchen das Schwenkelement (20) eine von einem Bedienobjekt (6) auf eine Bedienseite (7) des Touchpads (5) ausgeübte Anpresskraft (9) zumindest teilweise überträgt. Zumindest eine Lichtquelle (28) ist bereitgestellt und für jede Lichtquelle (28) gibt es einen jeweiligen Lichtleiter (30), der dazu ausgelegt ist, ein Licht (29) der Lichtquelle (28) durch das Schwenkelement (20) hindurch an eine der Bedienseite (7) gegenüber liegende Rückseite (38) des Touchpads (5) zu führen und das Licht (29) berührungslos an ein in dem Touchpad (7) vorgesehenes Leuchtsymbol (11) abzustrahlen.The invention relates to an operating device (3) for a motor vehicle (1). In the operating device (3) all electronic circuit parts should be arranged on a single circuit board (12). A swivel element (20) mounted pivotably about an axis of rotation (21) and a touch pad (5) are elastically deflected relative to one another via at least one spring element (25). A printed circuit board (12) has at least one force sensor (16) on which abuts the pivoting element (20) and on which the pivoting element (20) a pressing force exerted by an operating object (6) on an operating side (7) of the touchpad (5) (9) at least partially transmits. At least one light source (28) is provided, and for each light source (28) there is a respective light guide (30) adapted to direct a light (29) of the light source (28) through the pivot member (20) to one of the operator side (7) to guide the opposite rear side (38) of the touchpad (5) and to radiate the light (29) without contact to a light symbol (11) provided in the touchpad (7).
Description
Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Durch die Bedienvorrichtung ist ein Touchpad bereitgestellt, das heißt eine berührungssensitive Platte, an welcher mittels einer Sensormatrix eine Berührung durch ein Bedienobjekt, beispielsweise einen Finger, ortsaufgelöst erfasst werden kann. Des Weiteren ist zumindest ein Kraftsensor bereitgestellt, mittels welchem die Anpresskraft, welche das Bedienobjekt auf das Touchpad ausübt, erfasst werden kann. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung.The invention relates to an operating device for a motor vehicle. By the operating device, a touchpad is provided, that is, a touch-sensitive plate to which a touch by an operating object, such as a finger, can be detected spatially resolved by means of a sensor matrix. Furthermore, at least one force sensor is provided by means of which the contact pressure exerted by the operating object on the touchpad can be detected. The invention also includes a motor vehicle with an embodiment of the operating device according to the invention.
Eine Bedienvorrichtung der genannten Art ist beispielsweise aus der
Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem elektronischem Schaltaufwand eine Bedienvorrichtung mit Touchpad und Bedienkrafterfassung sowie Leuchtsymbolik am Touchpad zu realisieren.The invention has for its object to realize with little electronic switching effort an operating device with touchpad and operator force detection and lighting symbolism on the touchpad.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.The object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the features of the dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ist es ermöglicht, mit Ausnahme der Sensormatrix des Touchpads alle elektrotechnische Komponenten zum Verarbeiten und Erzeugen von elektrischen Signalen auf einer einzelnen Leiterplatte anzuordnen. Dies macht das maschinelle Herstellen der Schaltung für die Bedienvorrichtung besonders einfach und damit preisgünstig.In the operating device according to the invention for a motor vehicle, it is possible, with the exception of the sensor matrix of the touchpad, to arrange all electrical components for processing and generating electrical signals on a single printed circuit board. This makes the machining of the circuit for the operating device particularly simple and thus inexpensive.
Die Bedienvorrichtung weist in der beschriebenen Weise ein Touchpad mit einer Sensormatrix zum ortsaufgelösten Erfassen einer Berührung eines Bedienobjekts an einer Bedienseite des Touchpads auf. Das Touchpad ist an einem Schwenkelement angeordnet, das um eine Rotationsachse schwenkbar gelagert ist. Mit anderen Worten ist das Touchpad an einem Schwenkarm befestigt. Die Schwenkelement wiederum, also beispielsweise der Schwenkarm, liegt an der besagten Leiterplatte an. Und zwar weist die Leiterplatte zumindest einen Kraftsensor auf, an welchem das Schwenkelement anliegt. Mit anderen Worten berührt das Schwenkelement die Leiterplatte an ihrem zumindest einen Kraftsensor. Da das Schwenkelement verschwenkbar gelagert ist, überträgt das Schwenkelement eine Anpresskraft, welche von dem Bedienobjekt auf die Bedienseite ausgeübt wird, zumindest teilweise auf den Kraftsensor oder die Kraftsensoren. Drückt der Benutzer also beispielsweise mit dem Finger oder einem anderen Bedienobjekt, beispielsweise einem Stift, auf die Bedienseite des Touchpads, so wird diese Kraft über die Federanordnung auf das Schwenkelement übertragen und dieses wiederum wird aufgrund seiner Verschwenkbarkeit um die Rotationsachse gegen den zumindest einen Kraftsensor gedrückt.The operating device has in the manner described a touchpad with a sensor matrix for spatially resolved detection of a touch of a control object on an operating side of the touchpad. The touchpad is arranged on a pivoting element which is pivotally mounted about a rotation axis. In other words, the touchpad is attached to a pivot arm. The pivoting element in turn, that is, for example, the pivoting arm, abuts against said printed circuit board. In fact, the printed circuit board has at least one force sensor against which the pivoting element rests. In other words, the pivoting element contacts the printed circuit board at its at least one force sensor. Since the pivot member is pivotally mounted, the pivot member transmits a contact force, which is exerted by the operating object on the operating side, at least partially on the force sensor or the force sensors. Thus, if the user presses the operating side of the touchpad with the finger or another operating object, for example a stylus, this force is transmitted to the pivoting element via the spring arrangement and this in turn is pressed against the at least one force sensor because of its pivotability about the axis of rotation ,
Auf der Leiterplatte kann auch zumindest eine Lichtquelle angeordnet sein, wobei jede Lichtquelle beispielsweise als eine Leuchtdiode (LED) oder mehrere Leuchtdioden bereitgestellt sein kann. Für jede Lichtquelle ist ein Lichtleiter bereitgestellt, der dazu ausgelegt ist, ein Licht von der jeweiligen Lichtquelle durch das Schwenkelement hindurch an eine der Bedienseite des Touchpads gegenüberliegenden Rückseite des Touchpads zu führen. Des Weiteren wird durch den jeweiligen Lichtleiter das Licht der jeweiligen Lichtquelle berührungslos an ein in den Touchpad vorgesehenes Leuchtsymbol abgestrahlt. Das Leuchtsymbol kann beispielsweise durch einen transparenten Bereich im Touchpad und/oder durch eine Aussparung realisiert sein. Die Leiterplatte einerseits und das Touchpad andererseits befinden sich auf jeweils einer von zwei gegenüberliegenden Seiten des Schwenkelements. Sowohl die zumindest eine Lichtquelle als auch der zumindest eine Kraftsensor können dabei auf der Leiterplatte angeordnet sein und das Touchpad kann dennoch sowohl mit Licht für seine Leuchtsymbole versorgt werden als auch in Bezug auf die Anpresskraft des Bedienobjekts ausgewertet werden.At least one light source can also be arranged on the printed circuit board, wherein each light source can be provided, for example, as one light-emitting diode (LED) or several light-emitting diodes. For each light source, a light guide is provided, which is designed to guide a light from the respective light source through the pivoting element to a side of the touchpad opposite the rear side of the touchpad. Furthermore, the light from the respective light source is emitted by the respective light guide without contact to a light symbol provided in the touchpad. The light symbol can be realized for example by a transparent area in the touchpad and / or by a recess. The circuit board on the one hand and the touchpad on the other hand are located on one of two opposite sides of the pivot member. Both the at least one light source and the at least one force sensor can be arranged on the circuit board and the touchpad can still be supplied both with light for its luminous symbols and evaluated in relation to the pressing force of the operating object.
Zusätzlich ist das Touchpad über eine Federanordnung an dem Schwenkelement elastisch auslenkbar gehalten. Die Federanordnung kann hierzu zumindest ein Federelement aufweisen, wobei jedes Federelement beispielsweise eine Plattfeder oder ein anderes Metallbiegeteil sein kann. Das Touchpad lässt sich somit elastisch an dem Schwenkelement oder dem Schwenkarm auslenkt, also an der Schwenkelement hin- und herschwenken. Damit können Schläge oder Impulse, die auf das Touchpad einwirken, abgefedert werden und hierdurch die Bedienseite vor Bruch geschützt werden. In dem jeder Lichtleiter das Licht berührungslos an das jeweilige Leuchtsymbol abstrahlt, kann das Touchpad weiterhin an der Federanordnung frei elastisch ausgelenkt werden, ohne dass hierbei eine Kraft auf den Lichtleiter übertragen wird. In addition, the touchpad is held by a spring arrangement on the pivot member elastically deflectable. For this purpose, the spring arrangement can have at least one spring element, wherein each spring element can be, for example, a flat spring or another metal bent part. The touchpad can thus be elastically deflected on the pivoting element or the pivoting arm, that is, swinging back and forth on the pivoting element. In this way, impacts or impulses acting on the touchpad can be cushioned, thereby protecting the operating side from breakage. In that each light guide radiates the light contactlessly to the respective light symbol, the touchpad can continue to be freely elastically deflected on the spring assembly, without this a force is transmitted to the light guide.
Die Erfindung weist Weiterbildungen auf, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention has further developments, resulting in additional benefits.
In einer Weiterbildung ist auf der Leiterplatte ein elektrischer Aktor angeordnet und der Aktor ist über ein Hebelelement mit dem Touchpad mechanisch gekoppelt. Mittels des Aktors, beispielsweise einem Linearmotor oder einem Rotationsmotor, kann über das Hebelelement eine Auslenkkraft auf das Touchpad ausgeübt werden, welches dann dank der Federanordnung elastisch ausgelenkt wird. Es ergibt sich der Vorteil, dass Steuerleitungen und elektrische Versorgungsleitungen für den Aktor ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet sein können, so dass sich kurze Leitungswege zum Betreiben des elektrischen Aktors ergeben.In a further development, an electrical actuator is arranged on the printed circuit board and the actuator is mechanically coupled to the touchpad via a lever element. By means of the actuator, for example a linear motor or a rotary motor, a deflection force can be exerted on the touchpad via the lever element, which is then elastically deflected thanks to the spring arrangement. This results in the advantage that control lines and electrical supply lines for the actuator can likewise be arranged on the printed circuit board, resulting in short cable paths for operating the electrical actuator.
In einer Weiterbildung weist das Touchpad eine Sandwichanordnung aus einer Glasscheibe, der beschriebenen Sensormatrix und einer Trägerstruktur auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Touchpad trotz Verwendung von Glas, beispielsweise Kalk-Natron-Glas, leicht oder gewichtsarm gebaut sein kann, so dass es eine geringe Trägheit bei der Auslenkung durch die Federanordnung entgegengesetzt oder aufweist.In a development, the touchpad has a sandwich arrangement comprising a glass pane, the described sensor matrix and a carrier structure. This results in the advantage that the touchpad despite the use of glass, such as soda-lime glass, lightweight or low-weight can be built so that it has a low inertia in the deflection by the spring assembly opposite or.
Die Trägerstruktur ist in einer Weiterbildung als Wabenstruktur ausgestaltet. Hierdurch ist sie leicht und dennoch biegesteif, wodurch die Glasscheibe besonders dünn und leicht ausgestaltet sein kann.The support structure is configured in a development as a honeycomb structure. As a result, it is light and yet rigid, so that the glass can be particularly thin and lightweight.
In einer Weiterbildung sind auf der Leiterplatte ein Lautsprecher und eine Steuereinrichtung bereitgestellt. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den Lautsprecher in Abhängigkeit von einem jeweiligen Signal des zumindest einen Kraftsensors anzusteuern. Mit anderen Worten wird bei Betätigen des Touchpads, wenn eine Anpresskraft auf die Bedienseite ausgeübt wird, die Anpresskraft durch den zumindest einen Kraftsensor erfasst und ein korrespondierendes oder korrelierendes Drucksignal oder Kraftsignal erzeugt. Die Steuerschaltung erzeugt in Abhängigkeit von dem Kraftsignal ein Steuersignal für den Lautsprecher, so dass dieser einen Schall abstrahlt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der Bedienvorrichtung ein Geräusch in Abhängigkeit von einer Bedienbetätigung erzeugt werden kann. Insbesondere kann hierdurch ein mechanisches Schaltgeräusch nachgeahmt werden. Hierdurch ergibt sich ein Bedieneindruck beim Touchpad, der demjenigen eines mechanischen Schalters entspricht.In a development, a loudspeaker and a control device are provided on the circuit board. The control device is designed to control the loudspeaker as a function of a respective signal of the at least one force sensor. In other words, upon actuation of the touchpad, when a contact force is exerted on the operating side, the contact pressure force is detected by the at least one force sensor and a corresponding or correlating pressure signal or force signal is generated. The control circuit generates a control signal for the loudspeaker in response to the force signal so that it emits a sound. This results in the advantage that in the operating device, a noise in response to an operator control can be generated. In particular, a mechanical switching noise can thereby be imitated. This results in an operating impression on the touchpad, which corresponds to that of a mechanical switch.
In einer Weiterbildung ist auf der Leiterplatte eine mit der Sensormatrix gekoppelte Prozessoreinrichtung bereitgestellt, die dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Sensormatrix eine Berührstelle des Bedienobjekts an der Bedienseite zu ermitteln. Insbesondere werden zweidimensionale Berührkoordinaten erfasst. Indem auch die Prozessoreinrichtung, beispielsweise ein Mikrocontroller, auf der Leiterplatte bereitgestellt ist, ist die Bedieneinrichtung vollständig autark in Bezug auf die Signalauswertung und Signalerzeugung. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders einfach gestaltete Schnittstelle, über welche die Bedienvorrichtung mit einem Gerät des Kraftfahrzeugs gekoppelt werden kann, welches mittels der Bedienvorrichtung zu bedienen ist.In a further development, a processor device coupled to the sensor matrix is provided on the circuit board, which is designed to determine a contact point of the operating object on the operating side as a function of sensor signals of the sensor matrix. In particular, two-dimensional touch coordinates are detected. By also the processor device, such as a microcontroller, is provided on the circuit board, the operating device is completely self-sufficient in terms of signal evaluation and signal generation. This advantageously results in a particularly simply designed interface, via which the operating device can be coupled to a device of the motor vehicle, which is to be operated by means of the operating device.
In einer Weiterbildung ist ein Abstand des Touchpads zu der Rotationsachse des Schwenkelements größer als 2 cm, insbesondere größer als 5 cm. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise auf der gesamten Fläche der Bedienseite zuverlässig eine Anpresskraft mittels des zumindest einen Kraftsensors erfasst werden und ein korrelierendes Kraftsignal erzeugt werden.In a further development, a distance of the touchpad to the axis of rotation of the pivoting element is greater than 2 cm, in particular greater than 5 cm. As a result, it is advantageously possible to reliably detect a contact pressure force on the entire surface of the operating side by means of the at least one force sensor and to generate a correlating force signal.
In einer Weiterbildung weist bei der Federanordnung das zumindest eine Federelement eine Blattfeder auf, bei welcher eine Längserstreckungsrichtung senkrecht zu einer Flächenebene der Bedienseite ausgerichtet ist. Entlang der Längserstreckungsrichtung ist eine Blattfeder inkompressibel oder steif. Indem diese starre Richtung senkrecht zur Bedienseite ausgerichtet ist, kann eine auf die Bedienseite wirkende Anpresskraft des Bedienobjekts zuverlässig auf den zumindest einen Kraftsensor übertragen werden. Dagegen kann das Touchpad einer Krafteinwirkung, die in oder parallel zu der Flächenebene der Bedienseite wirkt, durch die Blattfeder gedämpft oder kompensiert werden.In a further development, in the case of the spring arrangement, the at least one spring element has a leaf spring, in which a longitudinal extension direction is aligned perpendicular to a surface plane of the operating side. Along the longitudinal direction, a leaf spring is incompressible or stiff. By this rigid direction is aligned perpendicular to the operating side, acting on the operating side contact force of the operating object can be reliably transmitted to the at least one force sensor. In contrast, the touchpad of a force acting in or parallel to the surface plane of the operating side, be damped or compensated by the leaf spring.
Des Weiteren lässt sich das Touchpad entlang dieser Richtung mittels der Aktoreinrichtung auslenken, beispielsweise schütteln oder mit einem Impuls beaufschlagen, wodurch für einen Benutzer ein haptisches Feedback an dem Touchpad bereitgestellt werden kann.Furthermore, the touchpad can be deflected along this direction by means of the actuator device, for example by shaking or impulse, whereby a haptic feedback can be provided to the user on the touchpad for a user.
Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung gekennzeichnet. Die Bedienvorrichtung kann beispielsweise in einem Armaturenbrett oder einer Mittelkonsole des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Die Bedienvorrichtung kann beispielsweise mit einem Informations/Unterhaltungssystem (Infotainmentsystem) gekoppelt sein und zum Steuern des Infotainmentsystem in Abhängigkeit von eine Berühreingabe eines Benutzers ausgelegt sein. The invention also includes a motor vehicle. The motor vehicle according to the invention is characterized by an embodiment of the operating device according to the invention. The operating device can be arranged for example in a dashboard or a center console of the motor vehicle. The operating device may, for example, be coupled to an information / entertainment system (infotainment system) and designed to control the infotainment system in response to a user's touch input.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:In the following an embodiment of the invention is described. This shows:
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, however, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention, which are to be considered independently of each other, which also develop the invention independently of one another and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference numerals.
Die Bedienseite
Des Weiteren kann bei der Bedienvorrichtung vorgesehen sein, dass der Benutzer an seine Finger
Das Erfassen der Berührstelle
Das Touchpad
Zum Erzeugen des haptischen Rückmeldesignals kann an der Leiterplatte
Zum Illuminieren der Leuchtsymbole
Beim Erzeugen eines Steuersignals C kann durch die Prozessoreinrichtung
Bei dem Touchpad
Durch das Beispiel ist gezeigt, wie eine präzise Umsetzung eines Touchpads mit Beleuchtung, Haptik, Akustik und Kraftauswertung bereitgestellt werden kann.The example shows how precise implementation of a touchpad with lighting, haptics, acoustics and force evaluation can be provided.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass auf einem Schwenkhebel mit Drehpunkt ein durch Plattfedern gelagerter Träger mit Wabenstruktur eine Erhöhung der Stabilität und mit Lichtkanälen angeordnet ist. Auf dem Träger aufgeklebt befindet sich die Touchleiterplatte und darüber geklebt die von hinten lackierte Echtglas-Oberfläche mit Symbolen.A preferred embodiment provides that on a pivoted pivot lever, a carrier supported by flat springs honeycomb structure is arranged to increase the stability and with light channels. Glued to the carrier is the touch PCB and glued over the rear-painted real glass surface with symbols.
In den Lichtkanälen befinden sich Lichtleiter, das Licht über die Beleuchtung der Symbole von den LEDs auf der Hauptleiterplatte nach oben führen. Durch die bewegliche Lagerung des Trägers lässt sich mit Hilfe des Aktuators auf der Hauptleiterplatte die Haptik erzeugen. Gleichzeitig erzeugt der Lautsprecher auf der Hauptleiterplatte die Akustik.In the light channels there are light guides that guide light up over the illumination of the symbols from the LEDs on the main circuit board. Due to the movable mounting of the carrier, the haptics can be generated with the aid of the actuator on the main printed circuit board. At the same time, the loudspeaker on the main PCB generates the acoustics.
Die Gesten- und Schrifterkennung erfolgt durch die Touchleiterplatte, das heißt die Sensormatrix, und dem auf der Hauptleiterplatte befindlichen Touch-Controller der Prozessoreinrichtung. Der Schwenkhebel liegt durch seine drehende Lagerung auf den Kraftsensoren auf. Mit diesen lässt sich die Betätigungskraft für bestimmte Funktionen auf dem Touchpad auswerten. The gesture and character recognition is performed by the touch board, that is, the sensor matrix, and located on the main circuit board touch controller of the processor device. The pivot lever is due to its rotating bearing on the force sensors. These can be used to evaluate the actuation force for certain functions on the touchpad.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine mechanischer Aufbau eines Touchpads mit Beleuchtung, Haptik, Akustik und Kraftauswertung realisiert werden kann.Overall, the example shows how can be realized by the invention, a mechanical structure of a touchpad with lighting, haptics, acoustics and force evaluation.
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