DE102005057023A1

DE102005057023A1 - Multifunktionales Bedienelement

Info

Publication number: DE102005057023A1
Application number: DE102005057023A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. Schelbert; Stefan Schuberth
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-01-25
Also published as: US20080223703A1; WO2007009572A1; EP1907915A1

Abstract

Eine Kipp-Haptik für herkömmliche Bedienelemente ist aufwändig herzustellen. Daher hat die Erfindung die Aufgabe, ein Bedienelement zu schaffen, dessen Kipp-Haptik einfach und kostengünstig herzustellen ist. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Kugel (9) gegen ein elastisches Element in Richtung der Längsachse des Hebels (2) verschiebbar geführt ist und dass die Kugel (9) weiterhin in einer in einem Gehäuse (1) angeordneten Kulisse (15) zur Erzeugung der Haptik geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement zum elektrischen Schalten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Bedienelemente, die als Joystick oder als Wippschalter ausgeführt sind, werden z.B. in Fahrzeugen eingesetzt, um elektrische Schaltvorgänge zu tätigen und/oder Funktionen auszulösen. Sie werden z.B. zum Betätigen von Navigations- und/oder Audiosystemen genutzt.

Aus der DE 200 14 425 U1 ist eine Bedienknopf- Steuervorrichtung bekannt, bei der ein Bedienknopf dreh- und kippbar gelagert ist. Dreh- und Kippbewegungen werden durch jeweils einen Sensor erfasst. Eine Drehaptik wird z.B. über einen Elektromotor erzeugt; eine Kipphaptik kann über z.B. Magnete bereitgestellt werden. Die Erzeugung der Haptiken ist sehr aufwändig.

Die DE 100 21 895 A1 beschreibt ein Joystick-Gerät mit Kraftrückkopplung zur Eingabe von Steuersignalen an einen Rechner und zur Ausgabe von Kräften an einen Benutzer des Geräts, wobei ein Gehäuse von einem Benutzer gehalten wird und die Kraftrückkopplung (Haptik) mit Aktuatoren mit Direktantrieb erzeugt wird. Auch hier ist die Erzeugung der Haptik sehr aufwändig.

Die DE 100 42 028 A1 offenbart eine multifunktionale Bedienvorrichtung mit mindestens einem äußeren und einem inneren Stellelement. Das äußere Stellelement ist um eine Achse drehbar gelagert und weist eine Öffnung auf. Das innere Stellelement ist durch die Öffnung von außen erreichbar. Eine bestimmte Haptik der Stellelemente ist nicht beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bedienelement zum elektrischen Schalten zu schaffen, bei dem eine Kipphaptik mit einfachen mechanischen Mitteln erzielt wird.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Kugel ist gegen ein elastisches Element in Richtung der Längsachse des Hebels verschiebbar und weiterhin in einer in dem Gehäuse angeordneten Kulisse zur Erzeugung einer Haptik geführt. Hierdurch wird die Kipphaptik auf rein mechanischem Weg erzeugt. Aufwändige elektrische/elektronische Mittel zur Erzeugung der Haptik mit entsprechender Ansteuerung sind nicht erforderlich. Der Hebel und die Haptik sind praktisch ohne Spiel geführt, wodurch eine präzise Ansteuerung der zu bedienenden Geräte erzielt wird. In unbedientem Zustand zentriert sich der Hebel selbstständig in einer zentralen Nullstellung.

Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Die Führung der Kugel in dem zumindest teilweise hohl ausgebildeten Hebel erfordert nur sehr wenig Raum.

Bei einer Spiralfeder als elastischem Element gemäß Anspruch 3 lässt sich besonders gut die erforderliche Federkraft einstellen.

Wenn in die Kugel gemäß Anspruch 4 eine Aussparung eingelassen ist, in der ein Stift gelagert ist, der in dem Hebel geführt ist, wird eine Relativbewegung zwischen der Kugel und der Kulisse verhindert. Demnach rollt die Kugel in der Kulisse anstatt in ihr zu gleiten. Hierdurch ist eine besonders günstige Haptik bei geringem Verschleiß erzielbar.

Eine nach unten vorgespannte Führung der Kugel nach Anspruch 5 durch drei an dem Hebel befestigte Andruckrollen ist eine andere, einfach herzustellende Ausführung der Erfindung.

Eine Kulisse nach Anspruch 6, deren Flanken im Längsschnitt veränderliche Steigungen aufweisen, hat sich als besonders geeignet erwiesen. Bevorzugt weisen die Flanken abschnittsweise konstante Steigungen auf.

Eine rotationssymmetrische Ausgestaltung der Kulisse nach Anspruch 7 erlaubt eine in jede Kipprichtung des Hebels gleiche Haptik. Alternativ ist durch eine unterschiedliche Ausgestaltung des Steigungsverlaufs der Kulisse in verschiedene Bewegungsrichtungen der Kugel eine kipprichtungsabhängige Haptik realisierbar, beispielsweise zur Unterscheidung von Haupt- und Nebenkipprichtungen.

Wenn der Hebel mit einem Bedienknopf gemäß Anspruch 8 kombiniert ist, ist das Bedienelement vielseitig einsetzbar und ermöglicht eine Vielzahl von Schaltvariationen. Es ist dann besonders für die Ansteuerung von zum Beispiel Navigationsgeräten und/oder Audiosystemen geeignet.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung vereinfacht dargestellten Beispiels weiter erläutert. Es zeigen:
1 einen senkrechten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Bedienelement zum elektrischen Schalten,
2 einen vergößerten Ausschnitt der 1 mit einem unteren Ende eines Hebels und
3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2 sowie eine Haptik des Hebels als Weg-Kraft-Verlauf.
In der folgenden Beschreibung sind Lagebezeichnungen auf die Darstellung in den Figuren bezogen. In eingebautem Zustand kann das Bedienelement jede beliebige Position haben, auf die dann diese Lagebezeichnungen nicht mehr zutreffen.
Wie aus 1 ersichtlich ist in einem Gehäuse 1 ein Hebel 2 gelenkig gelagert. Hierfür ist der Hebel 2 in einem Teil seiner oberen Hälfte kugelförmig verdickt, wobei diese Verdickung 3 in einer entsprechenden Schale 4 mit geringem Spiel so geführt ist, dass der Hebel 2 um einen Drehpunkt innerhalb der Schale 4 kippbar ist. Mittels eines axial durch den Drehpunkt der Verdickung angeordneten Stiftes 21 wird ein Verdrehen des Hebels 2 um seine Längsachse verhindert. Weiterhin ist der Hebel 2 unterhalb der Verdickung 3 in einer kreuzförmigen Schaltkulisse 13 geführt, die in dem Gehäuse 1 befestigt ist und hier vier Kipprichtungen des Hebels 2 erlaubt, wobei zwischen zwei benachbarten der Kipprichtungen ein rechter Winkel gebildet ist.
An einem oberen Ende des Hebels 2 ist ein Bedienknopf 5 mit kreisförmigem Querschnitt verdrehsicher befestigt. In dem Bedienknopf 5 sind eine Drucktaste 6 und ein Drehring 7 integriert. Die Drucktaste 6 umfasst Mittel zum Schalten; der Drehring 7 korrespondiert mit Mitteln zum Bestimmen des Drehwegs – wie zum Beispiel eine Codierscheibe und eine Gabel-Lichtschranke.
Wie aus 2 besonders gut ersichtlich ist der Hebel 2 an einem unteren Ende mit einer Hülse in Form einer Bohrung 8 versehen, die konzentrisch mit der Längsachse des Hebels 2 ist und einen kreisförmigen Querschnitt hat. Hierbei weist die Bohrung 8 zwei unterschiedliche Durchmesser auf, wobei der größere der Durchmesser der Bohrung 8 am untersten Ende des Hebels 2 beginnt und der kleinere Durchmesser nach einer bestimmten Strecke unter Bildung eines Absatzes angesetzt ist.
Im unteren Ende der Bohrung 8 ist eine Kugel 9 mit geringem Spiel geführt. Die Kugel 9 weist eine nach oben weisende, kegelförmige Öffnung 10 auf. In der Öffnung 10 steckt die kegelförmige Spitze eines Stifts 11, die einen geringeren Öffnungswinkel aufweist als die Öffnung 10, sodass eine Drehbewegung der Kugel 9 um die Spitze des Stifts 11 möglich ist. Der Stift 11 ist in der Bohrung 8 geführt und erstreckt sich bis in den Teil des kleineren Durchmessers der Bohrung 8. Der Stift 11 hat einen kreisförmigen Querschnitt, der mit geringem Spiel in die Bohrung mit dem geringeren Durchmesser passt. Zwischen der Spitze und dem zylindrischen Teil des Stifts 11 ist ein tellerförmiger Vorsprung 12 angeordnet.
An dem Stift 11 ist eine Spiralfeder 14 so geführt, dass sie sich an einem Ende gegen den Vorsprung 12 und an einem entgegengesetzten Ende gegen den zwischen den unterschiedlichen Durchmessern der Bohrung 8 gebildeten Absatz abstützt.
In dem Gehäuse 1 ist eine Kulisse 15 zur Erzeugung einer Haptik so angeordnet, dass in einer senkrechten Nullstellung des Hebels 2 der Mittelpunkt der Kulisse 15 in einer Verlängerung der Längsachse des Hebels 2 unter diesem angeordnet ist. Die Kulisse 15 ist in eine Platte 16 eingelassen, die im Gehäuse 1 befestigt ist. Ein Bereich um den Mittelpunkt der Kulisse 15, der die Größe von etwa einem Drittel des Durchmessers der Kugel 9 hat, ist waagerecht.
Die Kulisse 15 ist als rotationssymmetrischer Kegelstumpf ausgestaltet, dessen Öffnungswinkel über seine Höhe variiert. In dem in 3 dargestellten Schnitt steigt die Flanke der Kulisse 15 von der Rotationsachse aus betrachtet nach dem waagerechten Abschnitt zunächst mit konstanter Steigung an. Dann schließt sich ein Bereich mit ebenfalls konstanter aber geringerer Flankensteigung an. Die möglichen Bewegungsrichtungen der Kugel 9 innerhalb der Kulisse 15 und damit die Kipprichtungen des Hebels 2 werden durch die Schaltkulisse 13 bestimmt.
Alternativ zu der rotationssymmetrischen Ausgestaltung weist die Kulisse 15 ausgehend von ihrem Mittelpunkt vier kreuzförmig angeordnete Nuten auf. Hierbei sind die Nuten entsprechend der Schaltkulisse 13 ausgerichtet. Jede der Nuten geht von diesem Bereich aus und ist im Querschnitt halbkreisförmig entsprechend dem Durchmesser der Kugel 9. Im Längsschnitt besteht jede Nut aus zwei Abschnitten mit unterschiedlichen konstanten Steigungen, wobei die Steigung in dem zum Mittelpunkt der Kulisse 15 orientierten Bereich größer ist als in dem vom Mittelpunkt abgewandten Bereich. Die Bewegungsfreiheit der Kugel 9 und somit des Hebels 2 ist durch die Form der Kulisse 15 bestimmbar, sodass die Schaltkulisse 13 optional ist.
Die Kugel 9 ruht bei der Nullstellung des Hebels 2 in dem Bereich um den Mittelpunkt der Kulisse 15 und rollt beim Kippen des Hebels 2 entlang der Flanke der Kulisse 15. Hierbei ist die Kugel 9 über den Stift 11 durch die Feder 14 in die Kulisse 15 gedrückt.
Um Kippbewegungen des Hebels 2 erfassen zu können, sind Mittel zum Bestimmen der Kippbewegungen an dem Hebel und in seiner Umgebung angeordnet. Hierfür sind im Gehäuse 1 entsprechend der Anzahl der möglichen Kipprichtungen des Hebels 2 vier Lichtquellen 17 und vier Fototransistoren 18 befestigt sowie zugehörige starre Lochblenden 19, die waagerecht in den Raum zwischen den Lichtquellen und den Fototransistoren ragen. An dem Hebel 2 sind Blenden 20 so angeordnet, dass sie parallel zu den Lochblenden 19 und in der Nullstellung des Hebels 2 zwischen diesen und den Fototransistoren 18 sind. Die Lochblenden 19 und die Blenden 20 sind jeweils zum Beispiel in Form einer Ringscheibe oder eines Kreuzes ausgeführt, wobei in die Lochblenden 19 Aussparungen eingelassen sind, die bei entsprechender Stellung des Hebels 2 mit den Blenden 20 Licht von einer der Lichtquellen 17 zu dem zugeordneten Fototransistor 18 durchlassen oder nicht. Die Fototransistoren 18 sind mit Mitteln zum Auswerten und/oder Schalten verbunden.
Um Fehlschaltungen zu verhindern, können Mittel zum Blockieren der Kippbewegungen des Hebels 2 angeordnet sein. Hierfür sind z.B. in dem Gehäuse 1 Aktuatoren befestigt, die nur in aktiviertem Zustand eine entsprechende Bewegungsrichtung des Hebels 2 sperren.
An der Oberseite des Gehäuses 1 können weitere Schalter angeordnet sein.
Beim Bedienen des Bedienelements wird der Hebel 2 über den Bedienknopf 5 in eine der vorgegebenen Kipprichtungen gekippt. Hierbei rollt die Kugel 9 in der Kulisse 15, wobei sich entsprechend der Ausformung der Flanke der Kulisse 15 ein Weg-Kraft-Verlauf ergibt, wie er schematisch in 3 dargestellt ist. Dort bezeichnet S die Auslenkung des Hebels 2 und F die zum weiteren Kippen aufzubringende Kraft. Die erforderliche Kraft zum Kippen, die in der oberen Kurve wiedergegeben ist, steigt zunächst steil bis zu einem Maximalwert an, fällt dann etwas ab und steigt dann infolge eines Endanschlags für die Kippbewegung wieder an. Beim Loslassen ergibt sich der Kraftverlauf entsprechend der unteren Kurve. Die Haptik ist durch Auswahl der Federkraft und/oder der Ausformung der Flanken entsprechend den Anforderungen festlegbar, wobei die Kurvenform im Wesentlichen von der Flankenform der Kulisse 15 und die zur Überwindung des lokalen Maximums des Kraftverlaufs aufzubringende Kraft von der Beschaffenheit der Feder 14 abhängt.
Die Bestimmung der Kippbewegungen erfolgt auf eine bekannte Weise mit Hilfe der Lichtquellen 17, Fototransistoren 18, Lochblenden 19 und Blenden 20.
Zusätzliche Schaltfunktionen sind über den Drehring 7 den Druckschalter 6, und die weiteren Schalter durchführbar.
Alternativ zu dem oben beschriebenen Beispiel ist die Kugel 9 über drei Andruckrollen in die Kulisse 15 gedrückt. Die Andruckrollen sind konzentrisch so an dem Hebel 2 befestigt, dass ihre Zentren ein gleichseitiges Dreieck bilden und die Andruckrollen in der oberen Hälfte der Kugel angreifen. Mindestens eine der Andruckrollen ist gegen die Kugel vorgespannt.
Die Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Hebel 2, die vier Kipprichtungen zulassen. Die Erfindung betrifft auch die Hebel, die eine andere Zahl von Kipprichtungen erlauben. Prinzipiell sind die Flankenformen der Kulisse 15 und damit die Haptik für jede Kipprichtung individuell festlegbar.

Claims

Bedienelement zum elektrischen Schalten mit einem Gehäuse (1), mit einem in dem Gehäuse (1) kippbar gelagerten Hebel (2), wobei der Hebel (2) innerhalb einer Schaltkulisse (13) und an einem Ende mittels einer Kugel (9) in dem Gehäuse (1) geführt ist, und mit Mitteln zum Bestimmen der Kippbewegung und/oder der Kippposition, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (9) gegen ein elastisches Element in Richtung der Längsachse des Hebels (2) verschiebbar geführt ist und dass die Kugel (9) weiterhin in einer in dem Gehäuse (1) angeordneten Kulisse (15) zur Erzeugung einer Haptik geführt ist.
Bedienelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (9) in dem zumindest teilweise hohl ausgebildeten Hebel (2) geführt ist
Bedienelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element eine Spiralfeder (14) ist.
Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kugel eine Aussparung (8) eingelassen ist, in der ein Stift (11) gelagert ist, der in dem Hebel (2) geführt ist.
Bedienelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (9) von drei an dem Hebel (2) befestigten Andruckrollen nach unten vorgespannt geführt ist.
Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken der Kulisse (15) im Längsschnitt veränderliche Steigungen aufweisen.
Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (15) rotationssymmetrisch ausgestaltet ist.
Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am oberen Ende des Hebels (2) ein Bedienknopf (5) verdrehsicher angeordnet ist.