DE10126670A1 - Schaltung und Verfahren zur Erzeugung eines Antwortsignals - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Erzeugung eines haptischen und/oder akustischen Signals, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei in einem Prozessor (23) in Antwort auf die Betätigung einer Betätigungseinheit (21) mit einem piezoelektrischen Element ein Antwortsignal erzeugt wird und das Antwortsignal der Betätigungseinheit (21) zugeführt wird, um das haptische und/oder akustische Signal zu erzeugen, wobei das Antwortsignal ein periodisches elektrisches Signal ist, welches das piezoelektrische Element (21) zu einer Schwingung anregt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung und ein Ver­ fahren zur Erzeugung eines Antwortsignals, um einem Benutzer einer Betätigungseinheit eine Rückmeldung für die Betätigung der Betätigungseinheit zu geben.

Konventionelle elektrische Schalter, wie sie heutzutage in Au­ tomobilen eingesetzt werden, weisen ein Betätigungselement auf, das bei seiner Betätigung einen bestimmten Weg zurücklegt. Der Widerstand, der dabei überwunden werden muß, kann so einge­ stellt werden, daß der Benutzer allein über den Kraft-Weg- Verlauf erkennt, ob er den elektrischen Schalter betätigt hat.

Konventionelle elektrische Schalter haben jedoch bedingt durch den Betätigungsweg und aufgrund der weiteren Schalterbauteile, wie elektrische Kontakte und Gehäuse, eine bestimmte Baugröße. Deshalb können sie nicht ohne weiteres an Orten eingesetzt wer­ den, die wenig Bautiefe bieten, insbesondere in Bereichen mit dahinterliegenden funktionalen Einheiten wie bei Radioblenden, Aschenbecherblenden, Airbagabdeckungen usw.

Zudem beeinflussen konventionelle Schalter das optische Er­ scheinungsbild des Fahrzeuginnenraums oft in einer unerwünsch­ ten Weise. Insbesondere entstehen sogenannte Spaltbilder, das heißt die Schalter unterteilen das einheitliche Erscheinungs­ bild durchgehender designrelevanter Oberflächen.

Als Betätigungselemente für elektrische Schalter oder als Sig­ nalgeber für andere Anwendungen sind bereits piezoelektrische Betätigungselemente vorgeschlagen worden. Unter Krafteinwirkung erzeugen derartige Betätigungselemente ein elektrisches Signal, welches als Betätigungssignal verwendet werden kann.

US 5,212,473 beschreibt eine Computertastatur, bei der die ein­ zelnen Tasten jeweils ein piezoelektrisches Betätigungselement aufweisen. Um dem Benutzer eine Rückmeldung zu geben, wenn die Betätigung einer Taste erkannt worden ist, erzeugt eine elek­ trische Schaltung ein Pulssignal. Das Pulssignal wird dem betä­ tigten piezoelektrischen Element zugeführt, so daß das Element einen fühlbaren mechanischen Puls erzeugt. Weiterhin beschreibt das Dokument, daß eine akustische, durch einen Lautsprecher ausgegebene Rückmeldung erzeugt wird, wenn die Betätigung des Elements erkannt worden ist.

Nachteilig an dem mechanischen Puls ist, daß er häufig nicht zuverlässig von dem Benutzer erkannt werden kann. Gerade des­ halb, weil piezoelektrische Betätigungselemente bei ihrer Betä­ tigung nur eine äußerst geringe Änderung ihrer Abmessungen er­ fahren, ist umgekehrt auch der durch Anlegung eines elektri­ schen Pulssignals erzeugbare mechanische Puls schwach.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzuge­ ben, die eine für den Benutzer gut erkennbare Rückmeldung er­ möglichen, selbst wenn an dem Betätigungsort nur wenig Platz in Betätigungsrichtung zur Verfügung steht. Insbesondere soll die Rückmeldung auch dann noch erkennbar sein, wenn das Betäti­ gungselement in eine dekorative oder anderen Zwecken dienende Struktur integriert ist.

Gemäß einem wesentlichen Gedanken der Erfindung wird durch die Betätigung einer Betätigungseinheit ein periodisches Antwort­ signal ausgelöst, das ein piezoelektrisches Element der Betäti­ gungseinheit zu einer Schwingung anregt. Aufgrund der Mehrzahl der Kontraktionen, die das Element während der Schwingung er­ fährt, kann insgesamt wesentlich mehr Energie in die Rückmel­ dung investiert werden. Auch dauert eine Schwingung deutlich länger als ein einzelner mechanische Puls. Weiterhin können die Eigenschaften des piezoelektrischen Elements und die Frequenz des Antwortsignals so aufeinander abgestimmt werden, daß das Element zu einer Resonanzschwingung angeregt wird, so daß die mechanische Schwingungsamplitude besonders groß ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt das piezoelektri­ sche Element das Betätigungssignal der Betätigungseinheit, ins­ besondere wenn die Betätigungseinheit betätigt wird, indem von außen eine Kraft auf das piezoelektrische Element ausgeübt wird.

Insbesondere wird abhängig von der Art der Betätigung der Betä­ tigungseinheit eines von mehreren möglichen Antwortsignalen er­ zeugt. Beispielsweise kann abhängig von der Dauer des Betäti­ gungsdrucks auf das Betätigungselement ein unterschiedlicher Vibrationseffekt erzeugt werden. Parameter des Antwortsignals, das die Schwingung des Betätigungselements anregt, sind die elektrische Spannung, die Frequenz und der zeitliche Verlauf des Antwortsignals relativ zum Zeitpunkt der Betätigung. Insbe­ sondere kann das Antwortsignal früher oder später erzeugt wer­ den und/oder kann das Antwortsignal zeitlich unterbrochen (ge­ taktet) sein. Zur Erzeugung unterschiedlicher Antwortsignale können ein oder mehrere der Parameter variiert werden.

Das Betätigungselement kann integraler Bestandteil von Dekor­ flächen sein, insbesondere in Kraftfahrzeugen.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung bei­ spielhaft näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf die Ausfüh­ rungsbeispiele beschränkt. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für ein in eine mechanische Struktur integriertes piezoelektrisches Betätigungs­ element,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine derartige Integration,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer elektrischen Schaltung und

Fig. 4 eine Struktur mit einer Sensorschicht und einer pie­ zoelektrischen Schicht.

Fig. 1 zeigt eine Struktur 10 mit einer Mehrzahl von miteinan­ der verbundenen Schichten 5, 7, 9, 11. Die Schicht 11 bildet beispielsweise eine Dekoroberfläche 13 zur optischen Gestaltung eines Fahrzeuginnenraums, etwa mittels Zierleisten, Abdeckklap­ pen für ein Radio-Bedienteil oder für einen Aschenbecher, Ab­ deckungen eines in ein Lenkrad integrierten Airbag und/oder ei­ ner Dekorleiste. Die Schicht 9 und die Schicht 5 sind nicht von außen sichtbare Zwischenschichten, etwa Blindfurniere. Die Schicht 7 wird von einem Trägermaterial gebildet.

Ein piezoelektrisches Betätigungselement 1 ist im Bereich der Schichten 5, 7 in die Struktur integriert. Das Element 1 er­ streckt sich nur entlang einem kleinen Abschnitt der Dekor­ oberfläche 13. Es hat beispielsweise eine Länge und Breite von wenigen Millimetern. Das Element 1 ist vorzugsweise aus einem keramischen piezoelektrischen Material hergestellt, das durch Anlegung einer Wechselspannung zu Schwingungen unterschied­ licher Frequenz angeregt werden kann. Zur elektrischen Kontak­ tierung ist das Element 1 mit einem Kontaktelement 3 verbunden. Das Kontaktelement 3 kann beispielsweise aus einem Material hergestellt sein, wie es für Platinen elektrischer Schaltungen verwendet wird. Alternativen sind zum Beispiel eine Folie oder ein Stanzgitter. Die elektrischen Kontakte sind in Fig. 1 nicht näher dargestellt. Das Kontaktelement 3 kann weiterhin zusätzliche elektrische und/oder elektronische Bauteile aufwei­ sen, etwa Bauteile einer Schaltung zum Empfangen des Betäti­ gungssignals von dem Element 1 und/oder zum Erzeugen des Ant­ wortsignals. Insbesondere kann, entsprechend wie in US 5,212,473 beschrieben, ein zusätzlicher Drucksensor zwischen dem Element 1 und dem Kontaktelement 3 angeordnet sein, der den Betätigungsdrucks auf das Element 1 detektiert und daraufhin die Erzeugung des Antwortsignals auslöst. Bei einer alternati­ ven, bevorzugten Ausführungsform löst jedoch das von dem Ele­ ment 1 erzeugte elektrische Betätigungssignal die Erzeugung des Antwortsignals aus, wie noch anhand von Fig. 3 beschrieben wird.

Durch Druck auf die Oberfläche 13 betätigt der Benutzer das Be­ tätigungselement 1. Bevorzugtermaßen sind die zwischen dem Ele­ ment 1 und der Oberfläche 13 liegenden Materialien nur in ge­ ringem Maße komprimierbar und übertragen deshalb die Kraft auf die Oberfläche 13 ohne erhebliche Dämpfung oder Verzögerung auf das Element 1. Umgekehrt dämpfen derartige Materialien das durch das Antwortsignal angeregte und durch die Schwingung des Elements 1 erzeugte Rückmeldungssignal nur geringfügig.

Beispielsweise beträgt die gesamte Dicke der Struktur 10 mit dem Kontaktelement 3 und dem Betätigungselement 1 weniger als 7 mm, insbesondere 4 bis 5 mm, wobei das Betätigungselement 1 ei­ ne Dicke von 0,5 bis 2 mm hat. Bei den entsprechend geringen Schichtdicken der zwischen dem Element 1 und der Oberfläche 13 liegenden Schichten 9, 11 sind diese auch ausreichend flexibel um eine ungehinderte Kraftübertragung während der Betätigung zu ermöglichen. Weiterhin kann wegen der geringen Gesamtdicke und des damit verbundenen geringen Platzbedarfs, mit wenigen Aus­ nahmen, an nahezu beliebigen Stellen des Innenraums eines Kraftfahrzeugs ein derartig integriertes Betätigungselement an­ geordnet werden.

Die durchgehende durch die Schicht 11 gebildete Dekoroberfläche 13 erlaubt ein einheitliches, ungespaltenes Erscheinungsbild. Damit der Benutzer weiß, an welcher Stelle der Oberfläche 13 er drücken muß, um das Element 1 zu betätigen, kann beispielsweise ein Symbol oder eine sonstige sichtbare Markierung auf der Oberfläche 13 angebracht sein. Trotz der Markierung ist das Er­ scheinungsbild der Oberfläche einheitlicher, als wenn sich das Element 1 bis zu der Oberfläche der Struktur erstreckt.

Aus unterschiedlichen Gründen kann es jedoch wünschenswert sein, dass sich ein zusätzliches, an das Betätigungselement 1 angrenzendes Kraftübertragungselement durch die Struktur in Richtung der Oberfläche 13 oder sogar bis zu der Oberfläche 13 erstreckt (Fig. 2). Beispielsweise kann das Kraftübertragungs­ element 2 eine LED aufweisen oder auf andere Weise beleuchtet sein. Auch müssen die Materialien der über dem Element 1 lie­ genden Schichten nicht speziell auf die Kraftübertragung ausge­ legt werden. Weiterhin wird durch das Kraftübertragungselement 2 die von dem Antwortsignal angeregte Schwingung des Elements 1 unmittelbar, ohne weitere dazwischen liegenden Schichten bis zur Oberfläche 13 übertragen. Zudem kann der durch das Kraft­ übertragungselement 2 gebildete Teil der Oberfläche in besonde­ rer Weise gestaltet sein, etwa ergonomisch gestaltet sein.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild einer elektrischen Schal­ tung mit einer Betätigungseinheit 21, die ein piezoelektrisches Element aufweist. Die Einheit 21 ist über Signalleitungen 25 mit einem Prozessor 23 verbunden. Der Prozessor 23 übernimmt bevorzugtermaßen sowohl die Erkennung des von der Einheit 21 erzeugten Betätigungssignals als auch die Erzeugung des Ant­ wortsignals, welches durch das Betätigungssignal ausgelöst wird und über eine Treibereinheit 24 das piezoelektrische Element zu einer Schwingung anregt. Prinzipiell kann der Prozessor unmit­ telbar in der Nähe der Einheit 21 angeordnet werden. Es wird jedoch bevorzugt, einen bereits für andere Funktionen zur Ver­ fügung stehenden zentralen Prozessor 23 zu verwenden. Hierdurch können Kosten für einen zusätzlichen Prozessor gespart werden. Derartige Funktionen sind beispielsweise Steuerfunktionen für andere elektrische oder elektronische Bordsysteme von Fahrzeu­ gen, vorzugsweise im Karosseriebereich. Der Prozessor 23 ist daher über eine Leitungsverbindung 29 mit einem Bus 27 zur Übertragung von Daten und/oder Signale an andere, nicht näher dargestellte elektronische Steuereinheiten verbunden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Frequenz des Antwortsignals, welches das Betätigungselement zu einer Schwin­ gung anregt, so gewählt und auf das piezoelektrische Betäti­ gungselement abgestimmt, dass die Frequenz der Schwingung im hörbaren Frequenzbereich liegt. Dies hat den Vorteil, dass der Benutzer zusätzlich ein akustisches Rückmeldungssignal erhält. Er ist daher nicht darauf angewiesen, das Rückmeldungssignal durch seinen Tastsinn zu erfassen.

Fig. 4 zeigt eine Struktur 31 mit einer Sensorschicht 37, die bei Berührung und/oder Druck auf die Oberfläche 43 einer Deck­ schicht 41 ein Betätigungssignal erzeugt. Eine piezoelektrische Schicht 33 zur Erzeugung eines Rückmeldungssignals für den Be­ diener ist durch eine Klebstoffschicht 35 mit der Sensorschicht 37 verbunden. Diese ist wiederum durch eine Klebstoffschicht 39 mit der Deckschicht 41 verbunden.

Die Struktur 31 ist insbesondere ein Touch-Pad oder ein Touch- Screen und hat weitere, nicht näher dargestellte Struktur­ elemente, wie elektrische Kontakte und Leitungen und/oder opti­ sche Anzeigeelemente.

Bevorzugtermaßen wird die Stelle, an der die Oberfläche 43 be­ rührt wird oder an der Druck auf die Oberfläche 43 ausgeübt wird, von der Sensorschicht 37 erkannt und ein jeweils entspre­ chendes Betätigungssignal erzeugt. Zum Beispiel ermöglicht die Struktur 31 eine Mehrzahl von Bedienungsarten eines Geräts oder Systems, wie Auswählen und/oder Bestätigen einer Aktion, Rollen (Scrolling) durch eine auf einem Bildschirm angezeigte Liste und Hervorheben einer angezeigten Information (z. B. Text). Als Antwort auf die verschiedenen Betätigungssignale wird jeweils ein eindeutig zugeordnetes Antwortsignal erzeugt, das die pie­ zoelektrische Schicht 33 zu einer für die jeweilige Betätigung typischen Schwingung anregt, die sich hinsichtlich ihrer Dauer, ihrer Frequenz und/oder ihrem Zeitverlauf von anderen möglichen Schwingungen unterscheidet.

Mögliche Anwendungen für die Struktur 31 liegen z. B. im Be­ reich der Computertechnik und der Steuerung von Informations­ displays in Kraftfahrzeugen. In Fahrzeugen bestehen häufig schlechte Sichtverhältnisse. Auch muß der Fahrer seinen Blick oft auf eine Strasse gerichtet halten, während er etwas betä­ tigt. Die Struktur 31 hat daher den Vorteil, dass der Bediener, ohne Blickkontakt halten zu müssen, feststellen kann, ob und ggf. welche Funktion er ausgelöst hat bzw. welches Menu er in einem zentralen Bordrechner ausgewählt hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltung zur Erzeugung eines Antwortsignals eine Treibereinheit auf, z. B. die Treibereinheit 24 gemäß Fig. 3. Die Treibereinheit ver­ stärkt ein eingehendes Antwortsignal, welches in Antwort auf ein Betätigungssignal erzeugt worden ist. Das verstärkte Signal ist ein periodisches Signal zur Erzeugung einer Schwingung in dem piezoelektrischen Element und weist Spannungsamplituden zweckmäßigerweise im Bereich von 150 bis 250 V auf. Bei derar­ tigen Spannungsamplituden ist die mechanische Schwingung des piezoelektrischen Elements besonders gut wahrnehmbar, selbst wenn das Element nicht die Bediener-Oberfläche der Betätigungs­ einheit bildet.

Claims (10)

1. Elektrische Schaltung, insbesondere zur Verwendung in ei­ nem Kraftfahrzeug, mit:
einer Betätigungseinheit (1; 21; 31) zur Erzeugung eines Betätigungssignals, wobei die Betätigungsein­ heit (1; 21; 31) ein piezoelektrisches Element (1; 33) aufweist, und
einer Einheit (23) zur Erzeugung eines durch die Be­ tätigung der Betätigungseinheit (1; 21; 31) ausgelös­ ten Antwortsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (23) eine Einrichtung zur Erzeugung eines periodischen elektrischen Signals als das Antwortsignal aufweist und daß die Einrichtung mit dem piezoelektrischen Element (1; 33) verbunden ist, um das Element (1; 33) durch das periodische elektrische Signal zu einer Schwin­ gung anzuregen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung und das piezoelektrische Element (1; 33) so ausgestaltet sind, daß die Schwingung ein hörbares akustisches Signal erzeugt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das piezoelektrische Element (1) ein keramisches piezoelektrisches Material aufweist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezoelektrische Element (1; 33) in eine Struk­ tur (10; 31) integriert ist, die zumindest teilweise den Innenraum eines Fahrzeugs definiert.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das piezoelektrische Element (1; 33) in eine Struk­ tur (10; 31) integriert ist, die eine durchgehende Ober­ flächenschicht (11; 41) aufweist, wobei durch Berühren der Oberflächenschicht (41) und/oder durch Krafteinwirkung auf die Oberflächenschicht (11; 41) im Bereich des darunter­ liegenden piezoelektrischen Elements (1) das Betätigungs­ signals auslösbar ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Betätigungseinheit (31) ein Touch-Pad oder ein Touch-Screen ist, der durch Berühren und/oder durch Kraft­ einwirkung betätigbar ist und dadurch das Betätigungs­ signal auslöst.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das piezoelektrische Element (1) ausgestaltet ist, bei Krafteinwirkung das Betätigungssignal abzugeben.

8. Verfahren zur Erzeugung eines haptischen und/oder akusti­ schen Signals, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei
in Antwort auf die Betätigung einer Betätigungsein­ heit (1; 21; 31) ein Antwortsignal erzeugt wird und
das Antwortsignal der Betätigungseinheit (1; 21) zu­ geführt wird, um das haptische und/oder akustische Signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Antwortsignal ein periodisches elektrisches Signal ist, welches ein piezoelektrisches Element (1; 21) der Be­ tätigungseinheit (1; 21; 31) zu einer Schwingung angeregt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei abhängig von der Art der Betätigung der Betätigungs­ einheit (1; 21; 31) eines von mehreren möglichen Antwort­ signalen erzeugt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Betätigungseinheit (31) eine Oberfläche (43) aufweist, wobei abhängig von der Stelle, an der die Ober­ fläche (43) berührt wird und/oder an der auf die Oberflä­ che (43) eine Kraft ausgeübt wird, ein jeweils zugeordne­ tes Betätigungssignal erzeugt wird, und wobei in Antwort auf das Betätigungssignal ein für die Betätigungsstelle charakteristisches Antwortsignal erzeugt wird.