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Die
Erfindung betrifft ein Eingabemodul und ein Verfahren zum Betrieb
eines Eingabemoduls. Das erfindungsgemäße Eingabemodul ist insbesondere
zur Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet und weist ein dreh- und
drückbares
Eingabeelement auf.
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Herkömmliche
Bedienkonzepte von Kraftfahrzeugen sehen eine Vielzahl von Schaltern,
Hebeln und Drehreglern vor, die eine eingeschränkte Brauchbarkeit in modernen
Kraftfahrzeugen aufweisen. Die Ursache hierfür ist, dass die Bedienung eines
bordeigenen, meist computerbasierten Steuersystems aufgrund des
notwendigen Menüaufbaus ein
mehrmaliges Betätigen
von unterschiedlichen Bedienelementen erfordert.
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Dieses
Bedienen erfordert eine hohe Aufmerksamkeit. Daher ist die Auswahl
der Funktionen häufig
nicht während
der Fahrt möglich,
um die Konzentration des Fahrzeugbenutzers nicht zu beeinträchtigen.
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Während dieser
Auswahl muss sich der Fahrzeugbenutzer zwangsläufig vom Verkehrsgeschehen
abwenden. Die Folge davon ist, dass die jeweils gewünschte Funktion
in der Regel nicht zur Verfügung
steht und auch nicht sofort wunschgemäß eingestellt werden kann.
Die bekannten herkömmlichen
Bedieneinrichtungen können
somit nicht als benutzerfreundlich bezeichnet werden.
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Die
eingeschränkte
Benutzbarkeit der bekannten Bedieneinrichtungen führen auch
zu nicht unerheblichen Akzeptanzproblemen nicht nur der Bedieneinrichtungen,
sondern auch der gesamten durch sie angesteuerten Geräte. Bei
diesen Geräten handelt
es sich beispielsweise um eine Klimaanlage, ein Navigationsgerät, ein Autoradio,
ein Autotelefon, eine Diebstahlsicherungsanlage, einen Bordrechner oder
ein Diagnosegerät,
um nur eine kleine Auswahl aufzuführen. Dies ist umso bedeutsamer,
da in modernen Kraftfahrzeugen immer mehr derartige Geräte zur Verfügung stehen.
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Neuere
Entwicklungen basieren auf einem einfach zu bedienenden und auch
während
der Fahrt leicht zu ertastenden zentralen Bedienelement, das in
günstiger
Reichweite des Bedieners angebracht ist und das als Dreh-Drückschalter
ausgeführt
ist.
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Aus
der
DE 690 10 718
T2 ist eine Steuerungsvorrichtung für Funktionen an Bord eines
Kraftfahrzeugs bekannt. Die Steuerung kann an einem Drehknopf vorgenommen
werden, der mit zwei Hall-Effektsensoren und Magneten arbeitet.
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Aus
der
DE 38 36 555 A1 ist
eine Multifunktionsbedieneinrichtung bekannt, bei der ein einziger bidirektionaler
Drehschalter mit Raststellungen und axialer Bewegbarkeit vorgesehen
ist. Der bidirektionale Drehschalter besitzt Raststellungen, denen
Menüs oder
einzelne Funktionen zugeordnet sind. Die Enter-Funktion kann durch
eine Axialbewegung des Drehschalters ausgelöst werden.
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Weiterhin
ist in der
EP 0 831
504 A2 ein elektronisches Gerät mit einem bidirektionalen
Drehschalter offenbart, bei dem zur Auswahl von einzelnen Funktionselementen
eine Drehbewegung des Drehschalters vorgenommen wird und zur Aktivierung
eines einzelnen Funktionselementes eine Druckbewegung des Drehschalters
vorgenommen wird. Eine Drehbewegung wird mittels eines Inkrementgebers
aufgenommen.
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Ausserhalb
des Kraftfahrzeugbereichs ist beispielsweise aus der
DE 20 2005 019 978 U1 eine Bedienvorrichtung
für ein
Elektrogerät
bekannt, die einen Dreh- oder Schieberegler umfasst, wobei die Bedieneinheit
an einer Blende bzw. einer Auflagefläche des Elektrogeräts gehaltert
ist. Zur Registrierung des Positionsdrehreglers sind mehrere Hall- Sensoren vorgesehen,
die mit einer Kondensatorplatte zur Erfassung einer Druckbetätigung des
Dreh- oder Schiebereglers zusammenwirkt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Eingabemodule sehen zur Erfassung
des Drehwinkels entweder eine Abtastung mittels Kontakten oder eine
berürungslose
Erfassung des Drehwinkels mit einer Mehrzahl von Magnetfeldsensoren
vor. Bei der Anwendung derartiger Eingabemodule im Kraftfahrzeugbereich
besteht regelmäßig das
Problem, dass der für
das Eingabemodul zur Verfügung
stehende Bauraum begrenzt ist. Häufig
werden derartige Eingabemodule in einer Mittelkonsole untergebracht,
in der teilweise z.B. auch Antriebskomponenten untergebracht sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Eingabemodul sowie
ein Verfahren zum Betrieb eines Eingabemoduls anzugeben, die die
Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine äußerst kompakte
und dennoch preisgünstige
Konstruktion ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Eingabemodul gemäß dem Anspruch
1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Eingabemoduls gemäß dem nebengeordneten
Anspruch 12.
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Ein
erfindungsgemäßes Eingabemodul,
insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, weist ein dreh-
und drückbares
Eingabeelement und eine axial verschiebbar gelagerte Welle auf.
Die Welle und das Eingabeelement können einstückig ausgebildet sein oder
zweistückig
miteinander verbunden sein. An einem dem Eingabeelement abgewandten
Ende der Welle ist ein Signalgeber vorgesehen. Weiterhin ist ein
Sensorelement vorgesehen, mit dem Signale des Signalgebers aufnehmbar
sind.
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Signalgeber
im hier verwendeten Sinne können
auch passive Signalgeber sein, die ein kontinuierliches oder oszillierendes
physikalisches Feld erzeugen.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
hat den Vorteil, dass mit nur einem einzigen Signalgeber und einem
einzigen Sensorelement alle möglichen
Bewegungen des Eingabeelements erfasst werden können.
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Vorteilhafterweise
arbeiten Signalgeber und Sensorelement berührungslos. Dies vermindert
den Verschleiß und
damit Wartungskosten.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Signalgeber aus einem Magneten besteht.
Ein Magnet erzeugt ein magnetisches Vektorfeld, welches mittels des
Sensorelements erfassbar ist. Bei einem Magneten bekannter Stärke ist
durch das Erfassen eines Magnetfeldvektors ein eindeutiger Zusammenhang zwischen
dem Magnetfeldvektor und der Lage des Magneten zum Erfassungsort
gegeben. Der verwendete Sensor bestimmt wenigstens zwei Komponenten
eines Magnetfeldvektors am Ort des Sensors und kann daraus die Winkelstellung
des Magneten und somit die des Bedienelementes erfassen. Wenn der Magnet
mit seinen Polen senkrecht zur Drehachse angebracht ist, verlaufen
die Magnetfeldlinien unterhalb und oberhalb des Magnetes im Wesentlichen
in Richtung der beiden Pole. Die Stärke des Magnetfeldes hängt von
dem Abstand des Sensors von dem Magneten ab, sodass durch Bestimmung
des Betrages des Vektors aus der x- und der y-Komponente auch ein Zusammenhang zum
relativen Abstand von Magnet und Sensor möglich ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Sensorelement zu der Welle beabstandet
und in der Verlängerung
einer Rotationsachse der Welle angeordnet ist. Der Abstand zwischen
Sensorelement und Welle ist vorzugsweise so gewählt, dass bei maximal gedrücktem Eingabeelement
keine Berührung
zwischen Signalgeber und Sensorelement stattfindet. Wenn das Sensorelement
in der Verlängerung
der Rotationsachse der Welle angeordnet ist, ist die absolute Stärke des
Magnetfeldes am Sensorelement einerseits nur von dem Abstand zwischen
Signalgeber und Sensorelement abhängig und andererseits ist bei
der Verwendung eines Magneten als Signalgeber der Verlauf des Magnetfeldes
in der Verlängerung der
Rotationsachse der Welle am homogensten, wenn der Magnet mittig
auf der Welle angebracht ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
sieht vor, dass das Sensorelement die Welle zumindest abschnittsweise
radial umgibt. Damit kann der benötigte Bauraum weiter reduziert
werden.
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Vorteilhafterweise
sind Polschuhe zur Arretierung der Welle vorgesehen. Die Polschuhe
erzeugen ein Potential, bei dem eine bevorzugte Ausrichtung des
an der Welle befestigten Magneten existiert.
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Vorteilhafterweise
ist das Sensorelement ein Hall-Sensor, insbesondere ein 3D-Hall
Sensor, der in der Lage ist, ein Magnetfeld in drei Dimensionen
zu erfassen. Hierdurch wird es ermöglicht, nur einen Sensor zu
verwenden und den erforderlichen Bauraum zu minimieren.
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Vorteilhafterweise
ist die Welle mittels einer Feder an einem Gehäuse gelagert. Das Gehäuse kann
verschiedener Gestalt sein, beispielsweise ein geschlossenes Gehäuse, ein
Rahmen oder weitere Gehäuseformen.
Die Lagerung der Welle mittels einer Feder bewirkt, dass eine vom
Benutzer ausgewählte
Stellung des Bedienelements in radialer Richtung gehalten wird.
Die Lagerung ist als Rastelement ausgebildet. Die Feder kann fest
eingespannt sein oder schwimmend gelagert werden. Eine schwimmende
Lagerung hat den Vorteil, dass beim Verdrehen des Bedienelements
ein Geräusch
erzeugt wird, das dem Bediener eine akustische Rückmeldung über das Einrasten in einer
weiteren Position gibt.
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Alternativ
kann die Welle auch mittels Magnetanordnungen gelagert sein, wobei
Magnete an dem gehäuseseitigen
Teil der Lagerung vorgesehen sind und Magnete an dem eingabeelementseitigen Teil
der Lagerung. Die Magnetanordnungen werden so gewählt, dass
zwischen den Magnetanordnungen eine abstoßende Kraft erzeugt wird.
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Mit
Hilfe der Lagerung ist ein Drücken
des Eingabeelements möglich,
wobei die Feder bzw. die Magnetanordnungen für ein Rückkehren des Eingabeelements
in die ursprüngliche
Position sorgen. Magnetanordnungen haben den weiteren Vorteil, dass auch
ein Ziehen des Eingabeelements denkbar ist, was die Bedienmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Eingabemoduls
erhöht.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb
eines Eingabemoduls, wobei das Eingabemodul ein drehbares und drückbares
Eingabeelement und eine radial verschiebbar gelagerte Welle umfasst.
Zur Auswertung einer Eingabe erfasst ein Sensorelement die relative
Lage eines an einem dem Eingabeelement abgewandten Ende der Welle
vorgesehenen Signalgebers zu dem Sensorelement. Besonders vorteilhaft
ist es, wenn die vorgenannten Bauteile dem erfindungsgemäßen Eingabemodul
entsprechen.
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Vorteilhafterweise
wird zur Bestimmung des Drehwinkels des Eingabeelements und zur
Bestimmung des Druckzustandes des Eingabeelements das Magnetfeld
eines magnetischen Signalgebers, beispielsweise eines Permanentmagneten,
ausgewertet. Dazu werden wenigstens zwei Komponenten eines Magnetfeldes
erfasst und anschließend
ausgewertet.
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Vorteilhafterweise
werden zur Bestimmung des Drehwinkels des Eingabeelements zwei Richtungskomponenten
des Magnetfeldes bestimmt, wobei die Richtungskomponenten in einer
Ebene im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Welle stehen.
Anschließend
wird aus den Richtungskomponenten ein Vektor berechnet, der mit
der Lage des Magneten und damit des Drehwinkels des Eingabeelements
zusammenhängt.
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Vorteilhafterweise
wird ein Betrag des Vektors bestimmt und daraus der Drückzustand
des Eingabeelements abgeleitet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Erfassung und die Auswertung des Magnetfeldes
in bestimmten zeitlichen Abständen
erfolgt. Die Abstände können regelmäßig oder unregelmäßig sein.
Durch die Erfassung des Magnetfeldes in bestimmten zeitlichen Abständen kann
die Dreh- und gegebenenfalls auch Druckgeschwindigkeit des Eingabeelements bestimmt
werden und für
eine komfortablere Bedienung ausgewertet werden. So kann beispielsweise eine
Zoomgeschwindigkeit in einem Navigationsmodus angepasst sein.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
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Es
zeigt:
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1 Ein
erfindungsgemäßes Eingabemodul
in einer dreidimensionalen Darstellung,
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2 das
Eingabeelement in einer Schnittdarstellung in einer ersten Ausführungsform,
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3 das
Eingabeelement in einer Schnittdarstellung in einer zweiten Ausführungsform,
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4 einen
Ausschnitt einer Welle mit einer weiteren Ausführungsform des Signalgebers
und des Sensorelements in zwei Darstellungen,
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5 eine
schematische Darstellung eines 3D-Sensors,
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6 eine
Darstellung des Feldes am Sensorelement in einem ungedrückten Zustand
des Eingabeelements und
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7 eine
Darstellung des Feldes am Sensorelement in einem gedrückten Zustand
des Eingabeelements.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 ist
ein erfindungsgemäßes Eingabemodul 1 in
einer dreidimensionalen Darstellung ersichtlich.
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Das
Eingabemodul 1 umfasst ein Eingabeelement 2 mit
einer Welle 3. Das Eingabeelement 2 und die Welle 3 können einstückig oder
zweistückig ausgebildet
sein. Die Welle 3 ist axial verschiebbar gelagert. Das
Eingabeelement 2 kann auf diese Weise sowohl gedreht als
auch gedrückt
und in bestimmten Ausführungsformen
auch gezogen werden.
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An
dem dem Eingabeelement 2 abgewandten Ende der Welle 3 ist
ein Signalgeber 4 angebracht. Der Signalgeber 4 besteht
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
aus einem Permanentmagneten, der ein Magnetfeld in bekannter Art
und Weise und Gestalt erzeugt. Das Magnetfeld des Magneten 4 wird
mittels eines Sensorelementes 5 erfasst. Das Verfahren
zur Erfassung und Auswertung des Magnetfeldes wird weiter unten
ausführlicher
dargestellt. Das Sensorelement 5 ist zu der Welle 3 beabstandet und
in der Verlängerung
einer Rotationsachse der Welle 3 angeordnet.
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Das
Eingabeelement 2 und die Welle 3 sind mittels
eines Rahmens 6 auf einer Basis 7 gehalten. Die
Halterung des Eingabeelements 2 und der Welle 3 mittels
des Rahmens 6 ist nur beispielhaft. Es ist ebenso möglich, einen
geschlossenen Kasten oder jegliche andere Anordnung zu verwenden,
die es erlauben, das Eingabeelement 2 und die Welle 3 in
einer bestimmten Ausrichtung zu dem Sensorelement 5 zu
halten.
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Die
Auswertung des vom Sensorelement 5 aufgenommenen Signals
wird von einer nicht dargestellten Auswerteeinheit vorgenommen.
Diese kann in dem Eingabemodul 1 oder außerhalb
vorgesehen sein. Zur Versorgung des Eingabemoduls 1 mit
Strom und zur Weiterleitung des ausgewerteten oder nicht ausgewerteten
Signals ist ein Kabel 8 vorgesehen.
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2 zeigt
das erfindungsgemäße Eingabemodul 1 in
einer Schnittdarstellung in einer ersten Ausführungsform.
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Das
Eingabeelement 2 ist mittels einer auf dem Rahmen 6 befindlichen
Lagerung 9 gelagert. Zur Lagerung der Welle 3 und
des Eingabeelements 2 ist ein Rastelement 10 vorgesehen.
Das Rastelement 10 bewirkt ein mit geringer Kraft lösbares Festhalten des
Eingabeelements 2 in der aktuellen radialen Position. Das
Rastelement 10 kann als Feder ausgeführt sein, die entweder fest
im Gehäuse
eingespannt werden kann oder die schwimmend gelagert werden kann.
Eine schwimmende Lagerung der Feder hat den Vorteil, dass beim Einrasten
in eine Rastposition ein Geräusch
erzeugt wird, das dem Bediener eine akustische Rückmeldung liefert.
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Das
Eingabeelement 2 ist mittels einer weiteren Feder 11 axial
ausgerichtet. Die Feder 11 bewirkt, dass das Eingabeelement 2 nach
einer Druckbetätigung
in die ursprüngliche
Lage zurückkehrt.
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Die
Welle 3 ist mittels eines Stiftes 12 mit dem Eingabeelement 2 verbunden.
Die Welle 3 und das Eingabeelement 2 weisen eine
gemeinsame Rotationsachse 13 auf. Das Sensorelement 5 ist
in der Verlängerung
der Rotationsachse 13 direkt unterhalb der Welle 3 und
des daran befestigten Signalgebers 4 angebracht.
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Zur
Aufnahme des Kabels 8 in der Basis 7 ist eine
Aussparung 14 vorgesehen.
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3 zeigt
das erfindungsgemäße Eingabemodul 1 in
einer Schnittdarstellung in einer zu 2 alternativen
Ausführungsform.
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Der
Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform
besteht darin, dass zur axialen Halterung und zur Rastung des Eingabeelements 2 und
der Welle 3 statt eines Systems zweier Federn zwei Magnetanordnungen 16, 17 verwendet
werden. Die Magnetanordnung 16 ist an der Lagerung 9 angebracht
und die Magnetanordnung 17 ist an dem Eingabeelement 2 angebracht.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
neben einer Druckbetätigung
des Eingabeelements 2 auch eine Zugbetätigung, sodass eine weitere
Eingabemöglichkeit
gegeben ist. Beispielsweise kann damit bei der Bedienung eines Navigationssystems
bei Druck auf das Bedienelement 2 in eine Kartendarstellung
hineingezoomt werden und bei Zug an dem Eingabeelement 2 hinausgezoomt
werden. Bei entsprechender Auslegung der Magnetanordnungen 16, 17 ist
auch eine Rastung möglich,
indem ein radial umlaufendes wellenförmiges magnetisches Potential geschaffen
wird.
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4 zeigt
einen Ausschnitt einer Welle mit einer weiteren Ausführungsform
des Signalgebers und des Sensorelements in zwei Darstellungen.
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Die
untere Darstellung zeigt die Welle 3 in einer Draufsicht.
Die Welle 3 weist einen verbreiterten Endabschnitt 18 auf,
an dem ein Magnet 19 exzentrisch befestigt ist. Um den
verbreiterten Endabschnitt 18 herum ist eine Anordnung
von Polschuhen 20 vorgesehen. Die Polschuhe 20 ermöglichen
ein Einrasten des Eingabeelements 2 in der jeweils aktuellen Position
und erlauben somit eine einfachere Konstruktion der Lagerung 9 von
Eingabeelement 2 und Welle 3.
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Die
obere Darstellung von 4 zeigt einen Schnitt durch
die Welle 3 entlang der Linie A-A.
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Anders
als in den Ausführungsformen
gemäß der 2 und 3 ist
der Magnet 19 nicht mittig über dem Sensorelement 5 angeordnet,
sondern rotiert um die Rotationsachse 13 der Welle 3 um
das Sensorelement 5. Dies führt dazu, dass nicht Feldkomponenten
mittig des Magneten 19 vom Sensorelement 5 erfasst
werden, sondern außermittige
Komponenten. Durch die Rotation um eine Achse 13, in deren
Verlängerung
sich das Sensorelement 5 befindet, herrscht am Sensorelement 5 bei
einem gegebenen Drückzustand
des Eingabeelements 2 immer ein gleich starkes Magnetfeld,
das mit dem Magneten 19 mitrotiert.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines 3D-Hallsensors 5. Der
Einsatz von 3D-Hallsensoren
ist für
das erfindungsgemäße Eingabemodul und
das erfindungsgemäße Verfahren
besonders geeignet, da 3D-Hallsensoren auf nur einer Platine die dreidimensionale
Erfassung eines Magnetfeldes ermöglichen.
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Direkt
zueinander benachbart umfasst der 3D-Hallsensor 5 drei
Einzelsensorelemente 21, von denen je ein Sensorelement
für die
Erfassung des Magnetfeldes in eine Raumrichtung zuständig ist. Das
anliegende Magnetfeld wird daher hinsichtlich seiner Einzelkomponenten
erfasst. Durch vektorielle Addition kann in einer Auswerteeinheit
der Magnetfeldvektor am Ort des Sensorelements rekonstruiert werden.
Für die
erfindungsgemäße Anwendung
kann es jedoch ausreichend, zwei Komponenten sowie die absolute
Stärke
des Magnetfeldes durch Betragbildung des Vektors zu messen.
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Die 6 und 7 dienen
zur Verdeutlichung des Erfassungsprinzips des Dreh- und Drückzustandes
des erfindungsgemäßen Eingabemoduls.
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6 zeigt
eine Darstellung des Magnetfeldes am Sensorelement 5 in
einem ungedrückten
Zustand des Eingabeelements 2.
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Der
Abstand zwischen Magnet 4 und Sensorelement 5 ist
hierbei relativ groß,
damit ist das Magnetfeld am Sensorelement 5, repräsentiert
durch den Magnetfeldvektor 22, relativ klein.
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7 zeigt
eine Darstellung des Feldes am Sensorelement 5 in einem
gedrückten
Zustand des Eingabeelements 2. Der Abstand zwischen Magnet 4 und
Sensorelement 5 verringert sich durch das Drücken des
Bedienelements 2 und die Feldstärke des Magnetfeldes steigt,
wie durch den längeren
Magnetfeldvektor 22' dargestellt.
Durch den Zusammenhang von Stärke
und Richtung des Magnetfeldes kann somit die Stellung des Bedienelementes
ermittelt werden.
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- 1
- Eingabemodul
- 2
- Eingabeelement
- 3
- Welle
- 4
- Signalgeber
- 5
- Sensorelement
- 6
- Rahmen
- 7
- Basis
- 8
- Kabel
- 9
- Lagerung
- 10
- Rastelement
- 11
- Feder
- 12
- Stift
- 13
- Rotationsachse
- 14
- Aussparung
- 16
- Magnetanordnung
- 17
- Magnetanordnung
- 18
- Endabschnitt
- 19
- Magnet
- 20
- Polschuhe
- 21
- Sensorgruppen
- 22
- Magnetfeldvektor
- 22'
- Magnetfeldvektor