DE102006002634B4

DE102006002634B4 - Bedienelement mit Kipphaptik

Info

Publication number: DE102006002634B4
Application number: DE102006002634A
Authority: DE
Inventors: Arthur Klossek; Andreas Kramlich; Peter Rajec
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: EP1966811B1; EP1966811A2; CN101384975A; US20080202278A1; US7944335B2; CN101384975B; WO2007009744A3; DE102006002634A1; WO2007009744A2

Abstract

Bedienelement (1, 13), insbesondere Joystick, mit Kipphaptik für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bedienelement (1, 13) einen kippbar gelagerten Hebel mit einem primären (2, 14) und mindestens einem sekundären (5, 10, 17) Hebelarm sowie mindestens ein Paar Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) aufweist, wobei der eine Permanentmagnet (6, 11, 18) des mindestens einen Paares Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) an einem sekundären Hebelarm (5, 10, 17) angeordnet ist und der andere Permanentmagnet (7, 12, 19) des mindestens einen Paares Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) ortsfest im Bedienelement (1, 13) angeordnet ist, wobei in der Ausgangsposition des Bedienelementes (1, 13), in die sich der Hebelarm automatisch im unbetätigten Zustand zurückbewegt, sich ungleiche Pole der Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) beabstandet gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre (2) und der mindestens eine sekundäre Hebelarm (5) in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Bedienelement ist aus der DE 41 09 544 A1 bekannt. Ein ähnliches Bedienelement zeigt die GB 2 199 926 A .
Zum Stand der Technik wird noch auf die JP 2003-180910 A verwiesen.
In Kraftfahrzeugen werden oftmals Bedienelemente eingesetzt, die durch Kippen bedient werden. Beispiele dafür sind Kippschalter für elektrische Fensterheber oder elektrisch verstellbare Aussenspiegel sowie Joysticks zur Steuerung eines Bordcomputers. Für eine angenehmere Bedienung und zur haptischen Rückmeldung der Betätigung ist zur Bedienung des Bedienelementes eine über die Auslenkung veränderliche Kraft notwendig, über die dem Benutzer vermittelt wird, dass der Schaltvorgang erfolgt ist. Bei den derzeit erhältlichen Bedienelementen wird diese Kraft üblicherweise durch eine oder mehrere Federn erzeugt, die optional zusätzlich das Bedienelement in eine Mittelstellung zurückbringen, wenn es der Benutzer loslässt. Der Nachteil der Verwendung von Federn ist jedoch, dass die Federkraft über die Lebenszeit des Bedienelements nachlässt und sich ein optimaler Kraftverlauf über die Auslenkung des Bedienelements nicht erreichen lässt.
Aus den oben genannten Dokumenten ist es bekannt, zur Erzeugung einer dauerhaft konstanten Kraft sich gegenüberliegende Permanentmagnete gleicher Polarität zu verwenden. Durch sich gegenseitig abstoßende, beabstandete Permanentmagnete wird ein kugelgelagerter Joystick in einer Mittelstellung gehalten. Der Joystick kann um die Kugellagerung in jede Richtung bewegt werden. Die Zentrierung des in der Mittelstellung gehaltenen Joysticks hat sich als umständlich erwiesen. Zudem wird der Kraftverlauf als unangenehm empfunden, da er mit zunehmender Auslenkung stärker wird.
Ein weiterer Joystick ist aus der EP 1 615 250 A1 bekannt. Hier ist an einem primären Hebelarm, der auch als Betätigung verwendet wird, an einem unteren Ende ein erster ringförmiger Magnet angeordnet. In dem Bedienelement ist ortsfest ein zweiter ringförmiger Magnet angeordnet. In einer Ausgangsposition ist der erste Magnet mit dem zweiten Magneten in Kontakt. Bei der Rückkehr aus einer ausgelenkten Stellung in die Ausgangsposition entsteht ein als unangenehm empfundenes Klack-Geräusch durch die sich berührenden Magnete.
Aus der DE 2 362 839 ist ein Druckknopf mit mehreren galvanischen Kontakten und Rückführung in seine Ruhestellung durch eine magnetische Vorrichtung bekannt. Der Druckkopf ist dazu ausgestaltet, sich zwischen zwei Stellungen zu bewegen. Die eine Stellung ist dabei die Ausgangsposition und die andere Stellung eine betätigte Stellung, in der der Druckknopf betätigt wird. Der Druckknopf wird dabei über magnetische Rückstellmittel von der betätigten Stellung in die Ausgangsposition zurückbewegt, wenn der Bediener den Druckknopf loslässt.
Ein weiterer Druckknopf, der sich aus einer betätigten Stellung über Magnetkraft wieder in eine Ausgangsposition bewegt ist aus der US 4,054,944 bekannt. Hier wird über die Anordnung der Magnete gewährleistet, dass die Betätigungskraft zunächst hoch ist und nach Erreichen eines Maximums rapide abfällt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bedienelement mit Kipphaptik bereit zu stellen, das einfach und kostengünstig aufgebaut ist, sowie einen günstigen Kraftverlauf besitzt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Bedienelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
Ein erfindungsgemässes Bedienelement, das insbesondere als Joystick ausgebildet ist, weist einen kippbar gelagerten Hebel mit einem primären und mindestens einem sekundären Hebelarm sowie mindestens ein Permanentmagnetpaar auf, wobei ein Magnet eines Permanentmagnetpaars an einem sekundären Hebelarm und ein Magnet ortsfest im Bedienelement angeordnet ist derart, dass sich in Mittelstellung des Bedienelementes ungleiche Pole der Magnete beabstandet gegenüberstehen.
Der primäre Hebelarm ist der Teil des Bedienelements, den der Benutzer bei dessen Betätigung bewegt. Über eine Lagerung wird die Bewegung des primären Hebelarms auf mindestens einen sekundären Hebelarm übertragen. Das Lager ist beispielsweise als Kugelgelenk oder als Kreuzwippe ausgeführt. Ein Magnet des Permanentmagnetpaares ist an einem sekundären Hebelarm befestigt, der zweite Magnet ortsfest im Bedienelement. Bei der Bewegung des primären Hebelarms durch den Benutzer werden auch die sekundären Hebelarme und damit die daran angeordneten Permanentmagnete bewegt. Dies führt zu einer Relativbewegung zwischen den beiden Magneten eines Magnetpaares. Dabei werden gleiche Pole der beiden Magnete übereinander geschoben, wodurch sich eine magnetisch erzeugte Rückstellkraft ergibt, die der Benutzer bei Betätigung des Bedienelements überwinden muss.
Durch die magnetisch erzeugt Kraft wird zum einen dem Benutzer haptisch die erfolgte Betätigung zurückgemeldet, zum anderen wird der Hebel automatisch in die Ausgangsposition zurückbewegt, sobald der Benutzer diesen loslässt. Der Kraftverlauf über der Auslenkung des Hebels hängt ab von den Parametern Länge des sekundären Hebelarms, Stärke der Permanentmagneten, physikalische Grösse der Permanentmagneten und Grösse des Luftspalts zwischen den Magneten eines Permanentmagnetpaares.
Der Vorteil des magnetisch erzeugten Kraftverlaufs liegt darin, dass Magnete einer sehr viel geringeren Alterung unterliegen als Federn und somit über die Lebensdauer des Bedienelements eine konstante Haptik erzeugen. Auch die Gefahr eines Federbruchs besteht nicht. Durch einen symmetrischen Aufbau der Permanentmagnete ist die Kipphaptik für zwei gegenüberliegende Kipprichtungen des Hebels mit einem einzigen Permanentmagnetpaar erzeugbar.
Bevorzugt weist das Bedienelement einen mechanischen Endanschlag für den Hebel auf. Damit wird verhindert, dass ab einer gewissen Auslenkung des Hebels die Permanentmagnete in einer relativen Position zueinander stehen, in der sich gleiche Pole derart abstossen, dass sich der Hebel weiter aus der Mittelstellung entfernt. Optional ist der Endanschlag als elastisches Element ausgeführt, wodurch sich anstatt eines harten Endanschlags mit steil ansteigender Gegenkraft ein stetiger Kraftverlauf ergibt.
In der Erfindung sind der primäre und der sekundäre Hebelarm in einem rechten Winkel zueinander angeordnet. Dies führt zu einem Bedienelement mit einer besonders geringen Bauhöhe.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung weist das Bedienelement zwei sekundäre Hebelarme auf. Dadurch ergeben sich für den Hebel zwei Kippebenen beziehungsweise vier Kipprichtungen. Bevorzugt sind die beiden sekundären Hebelarme im rechten Winkel zueinander angeordnet. Dies führt dazu, dass die möglichen Kippebenen des Hebels senkrecht aufeinander stehen. Dadurch weist das Bedienelement eine Kipphaptik mit kreuzförmig orientierten Kipprichtungen auf. Bevorzugt ist der primäre Hebelarm im rechten Winkel zu den beiden sekundären Hebelarmen angeordnet. Dies führt wieder zu einer besonders geringen Bauhöhe des Bedienelements.
Dabei sind die Permanentmagnete bevorzugt rund ausgebildet und weisen konzentrische Pole auf. Dadurch wird in jede beliebige Kipprichtung der gleiche Kraftverlauf erzeugt.
Die Erfindung soll anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Dabei zeigt
1a–1c ein erfindungsgemässes Bedienelement in drei Hebelstellungen,
2 einen Kraftverlauf über der Auslenkung des Hebels,
3 einen Teil eines Bedienelementes mit zwei sekundären Hebelarmen,
4 eine nicht beanspruchte Ausführungsform eines Bedienelementes und
5 einen runden Permanentmagneten mit konzentrischen Polen.
Die 1a, 1b und 1c zeigen die seitliche Schnittdarstellung eines erfindungsgemässen Bedienelementes 1 in drei verschiedenen Bedienpositionen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur in 1a Bezugszeichen angegeben.
Das Gehäuse 9 des Bedienelementes 1 weist eine Ausnehmung auf, in der eine Kugel 4 als Lager für einen Hebel angeordnet ist. Der Hebel besteht aus einem primären Hebelarm 2 und einem sekundären Hebelarm 5. Ein Ende des Hebelarms 2 ist fest mit der Kugel 4 verbunden, das andere Ende trägt eine Handhabe 3 in Form eines Bedienknaufes. Alternativ weist die Handhabe 3 die Funktionalität beispielsweise eines Drehstellers und/oder eines Tasters auf.
Der sekundäre Hebelarm 5 ist mit einem Ende fest mit der Kugel 4 verbunden. Das andere Ende trägt einen Permanentmagneten 6. Ein zweiter Permanentmagnet 7 ist derart im Gehäuse 9 angeordnet, dass in der Mittelstellung des primären Hebelarms 2 ein Luftspalt zwischen dem Magneten 6 und dem Magneten 7 besteht und sich ungleiche Pole der Magnete 6 und 7 gegenüberstehen. In allen Ausführungsbeispielen ist der Nordpol eines Magneten punktiert und der Südpol eines Magneten schraffiert dargestellt. Die Endanschläge 8 begrenzen den Bewegungsspielraum des sekundären Hebelarms 5 und damit des primären Hebelarms 2.
Durch die Kraft zwischen den Magneten 6 und 7 wird der sekundäre Hebelarm 5 und damit der gesamte Hebel in der Mittelstellung gehalten. Zum Kippen des primären Hebelarms muss der Benutzer diese Kraft überwinden. Sie ist unter anderem abhängig von der Länge des sekundären Hebelarms 5, der Stärke der Magnete 6 bzw. 7 sowie dem Abstand zwischen den Magneten 6 und 7. Die Gegenkraft, die der Benutzer zum weiteren Kippen des primären Hebelarms 2 überwinden muss, ist in 2 über der Auslenkung s des primären Hebelarms 2 aufgetragen.
Die Schnittdarstellung in 1b zeigt das Bedienelement 1 mit leicht ausgelenktem primärem Hebelarm 2. Über die Kugel 4 wird die Kippbewegung des primären Hebelarms 2 auf den sekundären Hebelarm 5 übertragen. Diese Bewegung des Hebelarms 5 hat eine Relativbewegung der Magnete 6 und 7 zur Folge. In der in 1b dargestellten Position des Hebels ist die Kraft, die zum weiteren Kippen des Hebels notwendig ist, größer als die Kraft, die zum Kippen des Hebels aus der in 1a dargestellten Position heraus notwendig ist. Ab der in 1b dargestellten Auslenkung des Hebels ist die abstoßende Kraft zwischen den Nordpolen der Magnete 6 und 7 der anziehenden Kraft der ungleichen Pole der Magnete 6 und 7 entgegengerichtet. Dies bedeutet, dass die von dem Benutzer aufzubringende Kraft, um den Hebel weiter zu kippen, abnimmt. Diese Abnahme der Rückstellkraft gibt dem Benutzer eine haptische Rückmeldung darüber, dass der Schaltvorgang erfolgt ist.
In der in 1c dargestellten Position des Hebels liegt der sekundäre Hebelarm 5 an dem Endanschlag 8 an. Der Endanschlag 8 bewirkt über den sekundären Hebelarm 5 und die Kugel 4 eine Begrenzung des Kippweges des primären Hebelarms 2. Bevorzugt ist der Endanschlag 8 elastisch ausgeführt, um eine sprunghaft ansteigende Gegenkraft zu verhindern. Durch die geringe Nachgiebigkeit des Materials des Endanschlags 8 erfolgt eine schnelle, aber stetige Zunahme der Gegenkraft.
3 zeigt eine Aufsicht auf einen Teil einer alternativen Ausführungsform der Erfindung. Der Aufbau des Bedienelements entspricht dem aus 1 mit einem zweiten sekundären Hebelarm 10 und einem zweiten Permanentmagnetpaar bestehend aus den Magneten 11 und 12. Ein Ende des zweiten sekundären Hebelarms 10 ist fest mit der Kugel 4 verbunden. Am anderen Ende des zweiten sekundären Hebelarms 10 ist der Permanentmagnet 11 angeordnet. Der Permanentmagnet 12 ist derart ortsfest im Gehäuse 9 angeordnet, dass in Mittelstellung des Hebels ein Luftspalt zwischen den Magneten 11 und 12 besteht und sich ungleiche Pole der Magnete 11 und 12 gegenüberstehen. Der primäre Hebelarm 2 zeigt aus der Zeichenebene heraus und wird von der Handhabe 3 verdeckt.
Zwischen jedem sekundären Hebelarm 5 beziehungsweise 10 und dem primären Hebelarm 2 sowie zwischen den beiden sekundären Hebelarmen 5 und 10 besteht jeweils ein rechter Winkel. Der Schwenkbereich des zweiten sekundären Hebelarms 10 wird durch in 3 nicht dargestellte Endanschläge begrenzt.
Wird der primäre Hebelarm 2 nach links gekippt, so überträgt sich diese Kippbewegung über die Kugel 4 auf den ersten sekundären Hebelarm 5, wodurch sich der Magnet 6 aus der Zeichenebene herausbewegt. Ein Kippen des primären Hebelarms 2 nach rechts führt zu einer Bewegung des Magneten 6 in die Zeichenebene hinein. Diese Relativbewegung des Magneten 6 im Vergleich zum ortsfesten Magneten 7 erzeugt, wie im vorstehenden Beispiel beschrieben, eine vom Benutzer zu überwindende, von der aktuellen Auslenkung des Hebels abhängige Gegenkraft. Dies gilt analog für die Kippbewegung des primären Hebelarms 2 nach oben oder unten, wodurch sich der am anderen Ende des zweiten sekundären Hebelarms 10 angeordnete Magnet 11 relativ zum ortsfesten Magneten 12 in die Zeichenebene hinein beziehungsweise aus der Zeichenebene hinaus bewegt. Somit ist ein Kippen des primären Hebelarms in vier Hauptrichtungen möglich. Ein Kippen des primären Hebelarms 2 in eine andere als eine der vier Hauptrichtungen hat zur Folge, dass sich beide Permanentmagnete 6 und 11 relativ zu den ortsfesten Magneten 7 bzw. 12 bewegen.
4 zeigt die seitliche Schnittdarstellung eines nicht beanspruchten Bedienelementes 13, bei dem eine Kugel 16 drehbar in einem Gehäuse 21 gelagert sowie mit einem primären Hebelarm 14 sowie einem sekundären Hebelarm 17 fest verbunden ist. Dabei bildet der sekundäre Hebelarm 17 die Verlängerung des primären Hebelarms 14. An einem Ende des primären Hebelarms 14 ist eine Handhabe 15 angeordnet, die optional die Funktionalität eines Drehstellers oder einer Drucktaste aufweist.
An dem der Kugel 16 abgewandten Ende des sekundären Hebelarms 17 ist ein runder Permanentmagnet 18 mit konzentrischen Polen angeordnet. Ein zweiter runder Permanentmagnet 19 mit konzentrischen Polen ist derart im ortsfest im Gehäuse 21 angeordnet, dass sich in Mittelstellung des Hebels ein Luftspalt zwischen den Magneten 18 und 19 bildet und sich ungleiche Pole der Magnete 18 und 19 gegenüberstehen. Eine Aufsicht des Magneten 19 ist in 5 dargestellt.
Wird der primäre Hebelarm 14 aus seiner Mittelstellung ausgelenkt, so hat dies über die Kugel 16 und den sekundären Hebelarm 17 eine Relativbewegung zwischen den Magneten 18 und 19 zur Folge. Diese Relativbewegung hat, wie bereits anhand von 1 und 2 beschrieben, eine von der Auslenkung des primären Hebelarms abhängige Gegenkraft zur Fol ge, die der Benutzer zum Kippen des Hebels überwinden muss. Der Vorteil der Ausbildung des sekundären Hebelarms 17 als Verlängerung des primären Hebelarms 14 und der Verwendung von runden Permanentmagneten liegt darin, dass ein Permanentmagnetpaar ausreicht, um für jede beliebige Kipprichtung des Hebels den gleichen Kraftverlauf zu erzeugen.
Die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen genannten Ausführungsformen der Erfindung sind rein exemplarisch. So lassen sich andere Lager wie beispielsweise eine Kreuzwippe zur Lagerung des Hebels verwenden. Die Richtungen, in die der Hebel kippbar ist, lassen sich beispielsweise mittels einer Kulisse beschränken. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in allen Figuren Mittel zur Detektion der Betätigung des Bedienelementes weggelassen worden. Die Position des Permanentmagneten auf dem sekundären Hebelarm kann von den dargestellten Ausführungsformen abweichen. So ist es beispielsweise möglich, dass ein Permanentmagnet auf einer Seitenfläche anstatt auf der Stirnseite des sekundären Hebelarms angeordnet ist.

Claims

Bedienelement (1, 13), insbesondere Joystick, mit Kipphaptik für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bedienelement (1, 13) einen kippbar gelagerten Hebel mit einem primären (2, 14) und mindestens einem sekundären (5, 10, 17) Hebelarm sowie mindestens ein Paar Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) aufweist, wobei der eine Permanentmagnet (6, 11, 18) des mindestens einen Paares Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) an einem sekundären Hebelarm (5, 10, 17) angeordnet ist und der andere Permanentmagnet (7, 12, 19) des mindestens einen Paares Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) ortsfest im Bedienelement (1, 13) angeordnet ist, wobei in der Ausgangsposition des Bedienelementes (1, 13), in die sich der Hebelarm automatisch im unbetätigten Zustand zurückbewegt, sich ungleiche Pole der Permanentmagnete (6, 7, 11, 12, 18, 19) beabstandet gegenüberstehen, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre (2) und der mindestens eine sekundäre Hebelarm (5) in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Bedienelement (1, 13) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen mechanischen Endanschlag (8) für den Hebel.
Bedienelement (1, 13) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei sekundäre Hebelarme (5, 10).
Bedienelement (1, 13) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sekundären Hebelarme (5, 10) im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
Bedienelement (1, 13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der primäre Hebelarm (2) im rechten Winkel zu den beiden sekundären Hebelarmen (5, 10) angeordnet ist.
Bedienelement (1, 13) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (18, 19) rund ausgebildet sind und konzentrische Pole aufweisen.