DE102007017305A1

DE102007017305A1 - Anordnung und Verfahren für einen stufenlosen Schalttaster für ein Gerät aller Art und Ausführung

Info

Publication number: DE102007017305A1
Application number: DE102007017305A
Authority: DE
Inventors: Timo Dr. Möller; Axel Dr. Brock; Elke Hermann; Franz Hausner
Original assignee: GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTS; GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTSCHLAND GmbH
Current assignee: GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTS; GENESIS ADAPTIVE SYSTEME DEUTSCHLAND GmbH
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-16
Also published as: WO2008125193A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schalttastereinheit, umfassend - eine Leistungsschaltung zur Ausgabe einer stufenlos einstellbaren Ausgangsspannung; - einen mechanischen Schwinger mit einer ersten adaptiven Materialkomponente, die mittels eines Wechselfelds in Schwingungen versetzt wird; - einen Sensor mit einer zweiten adaptiven Materialkomponente, die mit dem mechanischen Schwinger mitschwingt und in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude ein Wechselspannungssignal ausgibt, das als Steuersignal für die Leistungsschaltung dient; - eine mechanische Betätigungseinrichtung, auf die beim Bedienen der Schalttastereinheit vom Benutzer eine Kraft ausgeübt wird und die in Abhängigkeit dieser Kraft den mechanischen Schwinger dämpft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalttastereinheit, insbesondere einen stufenlosen Schalttaster, mit dem eine Ausgangsspannung kontinuierlich zwischen einem Minimalwert und einen Maximalwert eingestellt werden kann.
Ein typisches Beispiel eines stufenlosen Schalters ist ein Drehschalter mit einem integrierten Drehpotentiometer. Alternativ kann ein Ausgang eines Schalters beziehungsweise Tasters kontinuierlich nachgestellt werden, indem in einem induktiven Schalter ein weichmagnetischer Kern in eine Spulenanordnung ein- oder ausgefahren wird. Ferner kann eine von einem Benutzer aufgebrachte mechanische Spannung am Schalter mittels eines Dehnungsmessstreifens oder dergleichen erfasst und in ein zugeordnetes Ausgangssignal umgesetzt werden.
Zur Bestimmung der Betätigungskraft am Schalter ist es möglich, eine piezoelektrische Komponente in den Schalter zu integrieren. Diese wird bei Druckbeaufschlagung und der daraus resultierenden mechanischen Spannung im piezoelektrischen Material eine messbare Polarisation aufweisen, die wiederum zur Steuerung des Ausgangssignals herangezogen werden kann. Ein Beispiel für einen statisch arbeitenden piezoelektrischer Taster ist in der DE 26 14 106 B1 offenbart. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist die beschränkte Sensitivität des Schalters, was insbesondere bei einer schwachen Berührung problematisch ist. Darüber hinaus ist für ein statisch beanspruchtes piezoelektrisches Material eine Überwachung des Schalters nur durch zusätzliche Maßnahmen möglich, so dass eine Prüfung der Funktionsfähigkeit des Schalters schwierig ist.
Als Verbesserung wurde durch die DE 26 18 720 B2 ein piezoelektrischer Schalter vorgeschlagen, bei dem für ein piezoelektrisches, thermoplastisches Filmelement ein dynamisches Messprinzip verwendet wird. Dabei wird bei der Schalterbetätigung ein mechanischer Schwinger an das Filmelement 1 angenähert. Als Folge des abnehmenden Abstands zwischen Schwingungserreger und Filmelement wird eine Schwingung im Filmelement mit zunehmender Amplitude angeregt. Aus der Messung des Amplitudensignals am Filmelement wird dann das Signal zur Ansteuerung des Schalterausgangs generiert. Gemäß einer Ausgestaltungsalternative dieses Schalters wird bei einer Schalterbetätigung anstatt der Annäherung zwischen dem Schwingungsgeber und dem sensorisch verwendeten Filmelement ein Kontaktelement zwischen diese beiden eingeschoben, welches bei fortschreitender Stellbewegung den mechanischen Kontakt und damit die Schwingungsübertragung vom Schwingungsgeber auf das Filmelement verstärkt. Nachteilig an der genannten Anordnung ist, dass beim Zustand der Nicht-Betätigung des Schalters am sensorischen Element, dem Filmelement, keine oder nur eine geringe messbare Schwingungsamplitude vorliegt, so dass für diesen Fall zur Ausführung eines Tests zur Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Schalters zusätzliche konstruktive Maßnahmen vorgesehen sein müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schalttastereinheit anzugeben, die je nach Betätigungsstärke eine stufenlose Verstellmöglichkeit am Ausgang des Schalters ermöglicht. Dabei sollte die Schalttastereinheit robust sowie konstruktiv und fertigungstechnisch einfach sein.
Darüber hinaus sollte die Schalttastereinheit ergonomisch gestaltet und auf besonders einfache Art und Weise überwachbar sein, so dass insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen zu jeder Zeit deren Funktionsfähigkeit sichergestellt werden kann. Ferner ist für eine vorteilhafte Ausgestaltung die Schalttastereinheit so auszuführen, dass eine Rückkopplungsmöglichkeit zum Benutzer realisiert werden kann, so dass die Schalttastereinheit als haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle beispielsweise von Sehbehinderten verwendet werden kann.
Die Schalttastereinheit umfasst einen mechanischen Schwinger, der kontinuierlich zur Ausführung von Schwingungen angeregt wird. Diese Schwingungen werden auf einen Sensor übertragen, wobei der Sensor die Schwingungsamplitude erfasst und ein entsprechendes Wechselspannungssignal ausgibt. Dieses Wechselspannungssignal dient als Steuersignal für die Einstellung des Ausgabewerts am Ausgang der Schalttastereinheit. Hierzu wird bevorzugt das Steuersignal des Sensors einer Leistungsschaltung zugeführt, die dann abhängig vom Steuersignalpegel den Wert der Ausgangsspannung festsetzt. Die Betätigung der Schalttastereinheit erfolgt dadurch, dass mittels einer mechanischen Betätigungseinrichtung, auf die der Benutzer eine Kraft ausgeübt, der mechanische Schwinger gedämpft wird. Der Grad der Dämpfung bestimmt die Einstellung des Ausgangswerts der Schalttastereinheit.
Ferner werden erfindungsgemäß der mechanische Schwinger und der Sensor jeweils mittels adaptiver Materialien ausgeführt. Ein adaptives Material ist ein Werkstoff oder ein Werkstoffverbund, der durch eine äußere Beeinflussung sich wenigstens in einer Materialeigenschaft drastisch verändert. Ein typisches Beispiel für ein adaptives Material ist ein Piezoelektrika, das gemäß des piezoelektrischen Effekts in einem elektrischen Feld einer Strukturdeformation unterliegt beziehungsweise im umgekehrten Fall eine Deformation aufgrund einer mechanischen Spannung eine elektrische Polarisation erzeugt.
Für die vorliegende Erfindung wird an eine erste adaptive Materialkomponente ein Wechselfeld angelegt, so dass diese eine Schwingung ausgeführt und die aktive Komponente eines mechanischen Schwingers darstellt. Die so erzeugten Schwingungen werden auf eine zweite adaptive Materialkomponente übertragen, die als Sensor in Abhängigkeit der vorliegenden Schwingungsamplitude ein Steuersignal, bevorzugt in Form eines Wechselspannungssignals, ausgibt, das wiederum der Leistungsschaltung zur Ansteuerung des Ausgangs der Schalttastereinheit zugeleitet wird.
Bevorzugte adaptive Materialien für die vorliegende Erfindung stellen piezoelektrische Materialien dar. Typische Beispiele sind ferroelektrische Kristalle, denen durch eine Polarisierung piezoelektrische Eigenschaften verliehen wurden. Bevorzugt wird eine Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik (PZT) verwendet, wobei es durch spezielle Dotierungen, etwa durch Ni-, Pi-, Sb-, Nb-Ionen möglich ist, die piezoelektrischen und dielektrischen Eigenschaften dieser Materialien einzustellen. Meist weisen piezoelektrische Kristalle eine Perowskitstruktur auf, allerdings sind piezoelektrische Effekte auch bei anderen Strukturformen, zum Beispiel für AlN mit einer Wurzitstruktur bekannt. Ein weiteres Beispiel für ein piezoelektrisches Material ist polarisiertes Polyvinylfluorid. Zur Ausbildung eines mechanischen Schwingers beziehungsweise eines Sensors aus einem piezoelektrischen Material kann beispielsweise eine mehrlagige, gestapelte Anordnung von piezoelektrischen Schichten und zwischengelagerten Elektroden verwendet werden. Ferner kann eine Bimorphstruktur für die Aktorik oder Sensorik verwendet werden, wobei in der vorliegenden Anmeldung unter einer Bimorphstruktur eine piezoelektrische Schicht auf einem Trägersubstrat mit entsprechender Kontaktierung verstanden wird. Gemäß einer möglichen Weitergestaltung kann eine Stapelanordnung aus zwei piezoelektrischen Dickschichtlagen verwendet werden, wobei zur Aktuation eine Deformation beim Anlegen eines elektrischen Felds entsprechend eines Bimetallstreifens erzeugt wird, beziehungsweise der umgekehrte Effekt sensorisch ausgenutzt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, in das aktorische Element den Sensor zu integrieren oder diesen auf einer Aktorfläche auszubilden, was nachfolgend als Huckepacksensor bezeichnet wird. Dabei ist es möglich, dass Aktoren und Sensoren gemeinsame Elektroden, beispielsweise Masseleitungen, aufweisen.
Weitere, bevorzugte adaptive Materialien zur Ausbildung des mechanischen Schwingers und des Sensors stellen elektrisch leitfähige Polymere, beispielsweise Polypyrrol oder Polyanilin, dar, die sich unter der Einwirkung eines elektrischen Felds dehnen. Diese elektroaktiven Polymere können zu einzelnen Fasern zusammengefasst werden, die wiederum zu einem aktorischen oder sensorischen Element zusammengesetzt werden können.
Ferner ist es denkbar, Längenkontraktionen, die Kohlenstoff-Nanoröhren unter der Wirkung eines äußeren elektrischen Feldes ausführen, aktorisch oder sensorisch einzusetzen. Hierzu werden die Kohlenstoff-Nanoröhren entlang einer Vorzugsrichtung orientiert in eine umgebende Trägermatrix, beispielsweise ein Polymer, eingebracht, das mit einer geeigneten Elektrodenanordnung versehen ist. Weitere vorteilhafte adaptive Materialien nutzen elektrostriktive oder magnetostriktive Effekte für die Aktuation oder die Sensorik aus.
Die erfindungsgemäße Verwendung adaptiver Materialien zur Ausbildung der aktiven Komponenten des mechanischen Schwingers und des Sensors eröffnet die Möglichkeit, den gleichen Werkstoff beziehungsweise den gleichen Werkstoffverbund sowohl aktorisch wie auch sensorisch zu verwenden. Dies ermöglicht eine Integration aktorischer und sensorischer Komponenten, wodurch insbesondere ein kleinbauendes und miniaturisierbares System entsteht.
Ferner besteht durch das ständige Vorliegen einer Schwingungsanregung am mechanischen Schwinger des erfindungsgemäßen Schalttasters eine einfache Möglichkeit zur Funktionsüberwachung. So ist es insbesondere möglich, über den Sensor auch bei Nicht-Betätigung des Schalttasterelements eine Abschwächung des Signalpegels festzustellen, die auf eine möglich Degradation oder den Ausfall der aktiven Komponenten des Schalttastelements hindeutet. Weiterhin ist es möglich, aufgrund der einfachen Miniaturisierbarkeit die aktiven Komponenten, den mechanischen Schwinger und den oder die zugeordneten Sensoren mehrfach auszubilden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird eine Vielzahl von Sensoren einem mechanischen Schwinger zugeordnet, wobei wiederum besonders bevorzugt wird, diese Sensoren so anzuordnen, dass diese bei einer vorgegebenen Anregungsfrequenz des mechanischen Schwingers und insbesondere im Resonanzbetrieb an den Schwingungsbäuchen des Sensors liegen oder mit diesem wenigstens mittelbar verbunden sind. Hierbei ist es vorteilhaft, den Sensor beziehungsweise die Sensoren in einer Huckepack-Anordnung unmittelbar auf dem mechanischen Schwinger auszubilden. Alternativ kann ein Sensor benachbart zum mechanischen Schwinger angeordnet sein, wobei wiederum bevorzugt wird, zur verbesserten Schwingungsübertragung ein Schwingungskopplungselement zwischenzuschalten.
Das vom Sensor der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit ausgegebene Wechselspannungssignal wird einer Schaltungsanordnung zugeleitet, die in Abhängigkeit des Signalpegels am Sensor den Ausgang der Schalttastereinheit einstellt, insbesondere wird an diesem Ausgang in Abhängigkeit des vom Sensor empfangenen Steuersignals eine Ausgangsspannung stufenlos eingestellt. Wird die erfindungsgemäße Schalttastereinheit für eine Gleichstromanwendung verwendet, so wird die Leistungsschaltung bevorzugt eine Gleichrichterschaltung aufweisen. Ferner wird für Hochvolt-Anwendungen eine Treiberstrufe vorgesehen sein, auch die Verwendung einer Hochfrequenzschaltung gesteuert durch das vom Sensor ausgegebene Wechselspannungssignal ist denkbar. Entsprechende Treiberstufen können für Wechselstromanwendungen vorgesehen sein.
Ferner wird bevorzugt eine Inverterschaltung verwendet, die am Ausgang der Schalttastereinheit eine kontinuierliche Variation zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ermöglicht. Typischerweise ist dies eine Leistungsvariation zwischen 0–100%, wobei das vom Sensor der Leistungsschaltung zugeleitete Steuersignal aus einer Signaldämpfung am mechanischen Schwinger resultiert, welche typischerweise beim Aufbringen einer Maximalkraft auf die Schalttastereinheit nicht 100% betragen wird. Demnach wird vorteilhafterweise auch bei Maximalkraft die Schwingung des mechanischen Schwingers nicht vollständig zum Erliegen kommen. Als Folge muss das Steuersignal in der Leistungsschaltung verarbeitet werden, um eine Skalierung auf die mögliche Bandbreite des Signals am Ausgang vorzunehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, über bestimmte Intervalle der von einem Benutzer aufgebrachten Kraft einen gleich bleibenden Plateauwert am Ausgang der Schalttastereinheit vorzusehen, so dass die Schalttastereinheit bestimmte, vorgegebene Raststufen realisiert, wobei erfindungsgemäß zwischen diesen ein kontinuierlicher Verlauf der Ausgabewerte vorliegt. Dies kann dadurch realisiert werden, dass über die konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit eine gewünschte Kraftdämpfungskennlinie realisiert wird. Zusätzlich oder alternativ kann das Verhältnis zwischen der vom Benutzer auf die Schalttastereinheit aufgebrachten Ansteuerungskräfte und dem sich am Ausgang derselben einstellende Ausgabewert über die Verarbeitung des sensorischen Signals in der Leistungsschaltung eingestellt werden.
Zur Aufbringung der Dämpfung auf den mechanischen Schwinger wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit eine mechanische Betätigungseinrichtung vorgesehen. Beispiele hierfür sind ein Druckstößel oder eine Tellerfeder-Stapelanordnung. Weitere Ausgestaltungen können im Rahmen des fachmännischen Könnens gewählt werden, wobei bevorzugt mittels eines elastischen Elements eine Rückstellkraft erzeugt wird, so dass im Fall, dass keine Bedienung der Schalttastereinheit vorliegt, die mechanische Betätigungseinrichtung auf eine Neutralposition zurückgeführt wird, um den mechanischen Schwinger dämpfungsfrei zu halten. Für eine vereinfachte Ausführung wird auf eine Rückholfeder verzichtet und in der Neutralstellung eine lose Berührung zwischen Betätigungseinrichtung und mechanischem Schwinger zugelassen, so dass eine auf wenige Komponenten reduzierte Ausführung der Schalttastereinheit entsteht, die entsprechend kostengünstig und ausfallsicher ist.
Ferner wird bevorzugt, die mechanische Betätigungseinrichtung so auszubilden, dass eine bestimmte Kraftschwelle überschritten werden muss, um die Schalttastereinheit in den Ein-Zustand zu versetzen. Dies kann beispielsweise durch ein Membranelement realisiert werden, das eine elastische Gegenkraft erzeugt, die gegen eine Bedienung wirkt und die, bevor eine Dämpfung am mechanischen Schwinger entsteht, initial überwunden werden muss. Dabei kann das Membranelement nach dem Prinzip eines Knackfroschs funktionieren. Das Membranelement kann außerdem dazu verwendet werden, um als rückstellendes Element zu dienen, so dass auf weitere potenziell verschleißanfällige, elastische Komponenten in der Schalttastereinheit verzichtet werden kann.
Gemäß einer Weitergestaltung kann die erfindungsgemäße Schalttastereinheit im Multimodenbetrieb verwendet werden, hierbei ist es denkbar, dass der Benutzer eine Wahlmöglichkeit zwischen unterschiedlichen Anregungsfrequenzen und insbesondere Resonanzen des mechanischen Schwingers erhält. Wird zusätzlich eine Vielzahl von Sensoren einem mechanischen Schwinger zugeordnet, die jeweils selektiv einer bestimmten Schwingungsmode zugeordnet werden können, so ist es möglich, unterschiedliche Sensoren unterschiedlichen Auswerte- und Leistungsschaltungen zuzuordnen und somit mit einem einzigen Bedienelement eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausgängen stufenlos ansteuern zu können. Eine solche Zuordnung zu einer Schwingungsmode kann dadurch erfolgen, dass des Sensor kleinbauend ausgebildet und lokalisiert an einem Bereich angebracht wird, der nur bei einem bestimmten frequenzabhängigen Schwingungsmuster eine hinreichende Schwingungsamplitude aufweist. Folglich können Sensoren einzelnen Schwingungsbäuchen zugeordnet werden, deren Auftreten frequenzselektiv ist. Für einen solchen Multimodenbetrieb kann ein zusätzlicher oder integrierter Wählschalter zur Auswahl der jeweiligen Mode an der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Weitergestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dem Benutzer eine Rückmeldung über die von ihm erzeugte Dämpfung am mechanischen Schwinger zu geben. Im einfachsten Fall wird dies durch ein akustisches Signal bewirkt, dass unmittelbar durch die Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers entsteht. Durch die Dämpfung wird der Schallpegel abfallen, so dass eine Bedienung ohne visuelle Kontrolle mittels eines Anzeigeelements möglich ist. Dies ist insbesondere für die Schaffung von Eingabevorrichtungen für technische Geräte zur Bedienung durch Sehbehinderte von Bedeutung. Zur Realisierung einer vibro-taktilen Rückmeldung kann ebenfalls die Schwingungsbewegung des mechanischen Schwingers selbst zum Benutzer zurückgeführt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass die Schwingungsamplitude hinreichend groß ist und mit hinreichend niedrigen Schwingungsfrequenzen gearbeitet wird. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, ein separates Rückkopplungselement vorzusehen, das in Abhängigkeit des Schwingungszustands ein akustisches oder vibro-taktil wahrnehmbares Signal an der Bedienfläche der Schalttastereinheit ausgibt. Zur Ansteuerung dieses separaten Rückkopplungselements kann wiederum auf die Signalverarbeitung des vom Sensor erzeugten Steuersignals zurückgegriffen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausgestaltungsbeispiels in Verbindung mit den Figurendarstellungen genauer erläutert, die im Einzelnen Folgendes darstellen:
1 zeigt eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Schalttastereinheit.
2 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schalttastereinheit.
3 zeigt in einer Prinzipienskizze den Zusammenhang zwischen den vom Benutzer aufgebrachten Bedienkräften auf die Schalttastereinheit und der resultierenden Dämpfung am mechanischen Schwinger.
4 zeigt in einer Prinzipienskizze den Zusammenhang zwischen der vom Benutzer aufgebrachten Kraft auf die Schalttastereinheit und der resultierenden Ausgangsspannung am Ausgang der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit.
1 zeigt schematisch vereinfacht in einer Schnittdarstellung eine Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1. Ein mechanischer Schwinger 2 mit einer ersten adaptiven Materialkomponente wird mittels einer Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 zu dauerhaften Schwingungen angeregt. Gemäß des dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiels wird als erste adaptive Materialkomponente ein piezoelektrisches Material verwendet, das in der Form als ein flächiges Element gestaltet ist. Dieses flächige Element wird spielfrei im Gehäusekörper 9 der Schalttastereinheit 1 fixiert und umfasst eine piezoelektrische Dickschicht auf einem Substrat 17. Zur Erzeugung des elektrischen Felds zur Schwingungsanregung sind eine erste Elektrode des mechanischen Schwingers 3 und eine zweite Elektrode des mechanischen Schwingers 4 vorgesehen. Zur Messung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers 2 wird ein Sensor 5 verwendet, der eine zweite adaptive Materialkomponente umfasst. Im vorliegenden Fall wird für die zweite adaptive Materialkomponente ebenfalls ein piezoelektrisches Material verwendet, wobei insbesondere bevorzugt wird, den mechanischen Schwinger und den Sensor aus übereinstimmenden Materialien auszubilden.
Gemäß der in 1 dargestellten bevorzugten Ausgestaltung wird der Sensor 5 in einer Huckepack-Anordnung unmittelbar auf dem den mechanischen Schwinger 2 bildenden flächigen Element ausgebildet. Der sensorisch verwendeten Piezokeramik ist wiederum eine erste Elektrode 6 und eine zweite Elektrode 7 zugeordnet, wobei die erste Elektrode des Sensors 6 und die zweite Elektrode des mechanischen Schwingers 4 miteinander elektrisch verbunden beziehungsweise einteilig ausgebildet sind und auf Masse gelegt werden. Diese geerdete Elektrode stellt die Zwischenschicht zwischen dem mechanischen Schwinger 2 und dem Sensor 5 dar, beide sind jeweils flächig ausgebildet und die gemeinsame Elektrode bildet die Kontaktschicht beziehungsweise die Trennschicht. Die Gesamtstruktur auf mechanischem Schwinger 2 und Sensor 5 mit den zugehörigen Elektroden und dem Substrat 17 als Tragschicht kann demnach gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung als Stapelsystem mit zwei piezokeramischen Dickschichtlagen ausgebildet sein, das nachfolgend als Trimorph bezeichnet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vielzahl von Sensoren zur Aufnahme der Schwingungsamplitude am mechanischen Schwinger 2 vorgesehen. In 1 ist hierzu exemplarisch ein zweiter Sensor 5.2 dargestellt, der entsprechend lateral versetzt zum ersten Sensor 5 in einer Huckepack-Anordnung ausgebildet ist. Jeder der Sensoren kann im Bereich eines Schwingungsbauchs des mechanischen Schwingers 2 positioniert werden. Weiterhin ist es denkbar, die Sensoren 5, 5.2 so anzuordnen und in ihrer Ausdehnung zu begrenzen, dass diese im Wesentlichen nur bei einer bestimmten Schwingungsmode ein signifikantes sensorisches Signal erzeugen, so dass durch die Wahl der Anregungsfrequenz für die mechanischen Schwinger ein Multimodenbetrieb der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1 möglich ist. Nachfolgend wird ein solchermaßen ausgestalteter Schalter als Multischalter bezeichnet.
Das vom Sensor 5, 5.2 erzeugte Wechselspannungssignal wird als Steuersignal einer Leistungsschaltung 11 zugeordnet, die wiederum, wie in 1 dargestellt, Teil der Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 sein kann. In Abhängigkeit des Signalpegels des Steuersignals wird der Ausgang der Schalttastereinheit auf einen bestimmten Wert eingestellt. Üblicherweise wird dies die Festlegung einer bestimmten Ausgangsspannung an den Ausgangselektroden der Schalttastereinheit 12.1, 12.2 sein.
Mittels einer mechanischen Betätigungseinrichtung 8, die nachfolgend noch genauer erläutert wird, kann vom Benutzer eine bestimmte Bedienkraft auf die Schalttastereinheit 1 ausgeübt werden. Dies führt wiederum zu einer Dämpfung des mechanischen Schwingers 2, die in eine kontinuierliche Variation der Ausgangsspannung für die Schalttastereinheit 2 umgesetzt wird. Nachfolgend wird dies anhand der 3 und 4 erläutert. In 3 ist die vom Benutzer aufgebrachte Bedienkraft F gegen die Dämpfung D am mechanischen Schwinger aufgetragen. Bevorzugt wird die mechanische Betätigungseinrichtung 8 so ausgebildet, dass eine bestimmte Kraftschwelle überwunden werden muss, bevor eine Beeinflussung des mechanischen Schwingers eintritt. In 3 ist hierzu dargestellt, dass bis zu einer Bedienkraft F₁ keine Dämpfung am mechanischen Schwinger 2 vorliegt. Diese initial zu überwindende Kraftschwelle dient dazu, einen definierten Ein-/Auszustand für die Schalttastereinheit 1 festzulegen. Eine konstruktive Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Kraftschwelle besteht darin, an der Schalttastereinheit 1 ein Membranelement 16 anzubringen, das auf der Außenseite der Schalttastereinheit 1 vorliegt. Dieses Membranelement 16 ist nach außen gewölbt, so dass ein Benutzer zunächst eine Kraftschwelle überwinden muss, um das Membranelement 16 nach innen zu biegen, wobei es erst dann mit dem Stößel einer mechanischen Betätigungseinrichtung in Kontakt kommt und diesen bei zunehmender Druckbeaufschlagung durch den Bediener axial in Richtung des mechanischen Schwingers 2 bewegt. Auch das Vorsehen einer Schalthysterese zur Festlegung des Ein-/Aus-Zustands ist denkbar, jedoch im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt.
Beim Inkontakttreten einer Dämpfungslage 15 im Verlauf der Druckbeaufschlagung durch einen Bediener mit dem mechanischen Schwinger 2 tritt ein zunehmender Dämpfungseffekt ein. Dies ist in 3 dargestellt, wobei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung in einem Kraftintervall zwischen F₁ und F₂ ein linearer Zusammenhang zwischen Bedienkraft und Dämpfung vorliegt und auch für Maximalkräfte eine Beschränkung der Dämpfung besteht. Hierbei ist es denkbar, die jeweils gewünschte Kraft-Dämpfungs-Kennlinie durch eine entsprechende konstruktive Gestaltung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 einzustellen. In 3 ist hierzu exemplarisch eine elastische Lage 14 zwischen der Dämpfungslage 15 und dem Stößel der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 vorgesehen. Zusätzlich wird bevorzugt, zur Rückstellung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 auf eine Neutralstellung bei Nicht-Betätigung ein elastisches Element 13, wie die in 1 skizzierte Schraubenfeder, vorzusehen.
2 zeigt ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel, bei dem auf ein elastisches Element zur Erzeugung einer Rückstellkraft auf die mechanische Betätigungseinrichtung 8 verzichtet wird. Stattdessen ruht im betätigungsfreien Zustand der Stößel 17 mit einer Dämpfungslage 15 auf dem mechanischen Schwinger 2. Die so erzeugte Grunddämpfung wird durch einen angepassten Dämpfungs-Kennlinienverlauf in der Leistungsschaltung 11 berücksichtigt, die das Steuersignal vom Sensor 5 verarbeitet. Zur Schalterbetätigung ist zunächst eine Kraftschwelle zu überwinden, die durch das Membranelement 16 bewirkt wird, das nach dem Knackfroschprinzip ausgestaltet ist. Nach dem Umklappen des Membranelements 16 wird ein weiter zunehmender Betätigungsdruck zu einer Axialbewegung des im Gehäusekörper 9 vorzugsweise formschlüssig gelagerten Stößels und damit zu einer höheren Anlagekraft der Dämpfungslage 15 gegen den mechanischen Schwinger 2 führen. Die dadurch zunehmende Dämpfung des mechanischen Schwingers 2 wird wiederum durch den Sensor 5 in Huckepack-Anordnung detektiert. Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 zeichnet sich durch eine Reduktion der Komponentenanzahl aus, insbesondere wird auf verschleißanfällige Komponenten wie Rückstellfedern etc. verzichtet, so dass eine robuste Schalttastereinheit 1 resultiert.
Eine in den Figuren im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung sieht eine Betätigungseinrichtung vor, die nicht durch einen menschlichen Benutzer, sondern durch einen Umgebungsparameter gesteuert wird. Dies kann beispielsweise die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umgebung oder eine Beleuchtung oder eine Strahlungseinwirkung sein, die zu einer Stellbewegung der Betätigungseinrichtung führt. Beispielsweise können Formgedächtnismaterialien oder elektrochrome beziehungsweise photochrome Materialien zur Realisierung eines solchen Betätigungselements verwendet werden.
Ausgehend von einer am mechanischen Schwinger 2 aufgebrachten Dämpfung und einer daraus resultierenden Variation des vom Sensor ausgegebenen Wechselspannungssignals (Steuersignal) wird in der Leistungsschaltung eine bestimmte Ausgangsspannung für die Schalttastereinheit 1 zugeordnet. Dies ist exemplarisch in 4 skizziert. Gezeigt wird eine Skalierung einer Schwingungsdämpfung D zwischen 0% und 80% auf eine Ausgangsspannung zwischen dem Minimalwert U₁ (typischerweise 0 Volt) und einem Maximalwert U₃. Ferner ist in 4 ein Beispiel gezeigt, bei dem bei einem bestimmten Wert der Ausgangsspannung (U₂) ein Plateau vorgesehen ist, bei dem ein vorgegebenes Intervall an Dämpfungswerten ein konstantes Ausgangssignal zugeordnet wird. Dieses Plateau bei U₂ stellt eine bestimmte Raststellung dar, die entsprechend durch die Gestaltung der mechanischen Betätigungseinrichtung 8 abgebildet werden kann, so dass der Benutzer beispielsweise wiederum eine bestimmte Kraftschwelle überwinden muss, um diese Raststellung zu verlassen. Dies kann beispielsweise durch ein Richtgesperre ausgeführt sein.
Je nach Anwendungsfall wird die Leistungsschaltung 11 unterschiedlich gestaltet sei. Bei Gleichstromanwendungen wird typischerweise das Wechselspannungssignal vom Sensor 5 gleichgerichtet und eventuell in einer Treiberstufe, beispielsweise für eine Hochvoltapplikation, verarbeitet. Außerdem ist es denkbar, je nach Anwendung eine Folgeschaltung, beispielsweise für den Hochfrequenzbereich, vorzusehen. Entsprechende Treiberstufen können für Wechselstromanwendungen verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Skalierung beziehungsweise ein gewünschter Kennlinienverlauf zur Zuordnung eines bestimmten Steuersignals durch den Sensor zu einem bestimmten Pegel am Ausgang der Schalttastereinheit durch die Leistungsschaltung umgesetzt werden.
Neben der Funktion der Schwingungsanregung übernimmt die Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zusätzlich die Aufgabe, die ordnungsgemäße Funktion der Schalttastereinheit zu überwachen. Hierzu wird das vom Sensor 5 aufgenommene Signal überwacht und beispielsweise eine Frequenzdrift oder eine dauerhafte Signalabschwächung, die auf eine Degradation des adaptiven Materials oder das Losreißen von Verankerungspunkten hindeutet, erkannt. Zusätzlich ist es denkbar, eine redundante Anordnung durch eine Vielzahl mechanischer Schwinger und entsprechend eine Vielzahl von zugeordneten Sensoren vorzusehen, was insbesondere in Verbindung mit der systembedingt vereinfachten Überwachung ihrer Funktion für eine sicherheitskritische Anwendung der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1 relevant ist.
Gemäß einer Weitergestaltung der erfindungsgemäßen Schalttastereinheit 1 ist eine Rückkopplung für den Benutzer vorgesehen, wobei diese im einfachsten Fall die Schwingungen des mechanischen Schwingers in ein akustisches Signal umsetzt, so dass bei der Bedienung die Dämpfung der Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers 2 als Lautstärkeabnahme wahrgenommen werden kann. Bei langsamen Frequenzen und großen Amplituden ist es denkbar, die Schwingungsbewegung des mechanischen Schwingers 2 unmittelbar bei der Berührung der Schalttastereinheit 1 wahrzunehmen. Wird allerdings mit hohen Frequenzen und kleinen Amplituden gearbeitet, so ist es vorteilhaft, dem Benutzer eine indirekte Rückkopplung zu geben, indem ein separates Rückkopplungselement 21 vorgesehen ist, das akustische oder vibro-taktile Signale an einen Benutzer ausgibt, die in Abhängigkeit zum Signalpegel am Sensor 5 stehen. In 1 ist hierzu ein separates Rückkopplungselement 21 vorgesehen, das unterhalb dem Membranelement 16 angeordnet ist und das vom Benutzer beim Bedienen der Schalttastereinheit erfüllt werden kann. Dieses separate Rückkopplungselement 21 steht in Verbindung zur Steuerungs- und Auswerteelektronik 10 und kann wie voranstehend dargelegt in Abhängigkeit des Steuersignals vom Sensor 5 mit einem entsprechenden Rückkopplungssignal belegt werden.
Die erfindungsgemäße Schalttasteinheit kann vorteilhaft als Mensch-Maschinen-Schnittstelle verwendet werden, bei der neben der Anforderung an eine intuitive, stufenlosen Bedienung eine komplexe Steuerungsaufgabe zu lösen ist, die eine kontinuierliche Geräteeinstellung notwendig macht. Damit wird insbesondere eine ergonomische Schalttasteinheit offenbart, die für eine Vielzahl von Anwendungsfeldern geeignet ist. Beispiele hierfür sind Bedienelemente von Fahrzeugen, Haushaltsgeräten, Werkzeugmaschinen oder Vorrichtungen die in einen Wirkkontakt zu einem menschlichen Körper treten, etwa Prothesen oder Geräte für medizinisch/diagnostische Zwecke oder für Massagen. Vorteilhaft für diese Anwendungen ist insbesondere die stufenlose Einstellbarkeit, die konstruktionsbedingt einfache Möglichkeit zur Miniaturisierung, Funktionsüberwachung und zur Realisierung einer Rückkopplung zur jeweiligen Schaltstellung durch die erfindungsgemäße Schalttastereinheit, die darüber hinaus im Multimodenbetrieb verwendet werden kann.

1: Schalttastereinheit
2: mechanischer Schwinger
3: erste Elektrode des mechanischen Schwingers
4: zweite Elektrode des mechanischen Schwingers
5, 5.2: Sensor
6: erste Elektrode des Sensors
7, 7.2: zweite Elektrode des Sensors
8: mechanische Betätigungseinrichtung
9: Gehäusekörper
10: Steuerungs- und Auswertelektronik
11: Leistungsschaltung
12.1, 12.2: Ausgangselektroden der Schalttastereinheit
13: elastisches Element
14: elastische Lage
15: Dämpfungslage
16: Membranelement
17: Stößel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 2614106 B1 [0003]
- DE 2618720 B2 [0004]

Claims

Schalttastereinheit (1) umfassend 1.1 eine Leistungsschaltung (11) zur Ausgabe einer stufenlos einstellbaren Ausgangsspannung; 1.2 einen mechanischen Schwinger (2) mit einer ersten adaptiven Materialkomponente, die mittels eines Wechselfelds in Schwingungen versetzt wird; 1.3 einen Sensor (5, 5.2) mit einer zweiten adaptiven Materialkomponente, die mit dem mechanischen Schwinger (2) mitschwingt und in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude ein Wechselspannungssignal ausgibt, das als Steuersignal für die Leistungsschaltung (11) dient; 1.4 eine mechanische Betätigungseinrichtung (8), auf die beim Bedienen der Schalttastereinheit (1) vom Benutzer eine Kraft ausgeübt wird und die in Abhängigkeit dieser Kraft den mechanischen Schwinger (2) dämpft.
Schalttastereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste adaptive Materialkomponente und/oder die zweite adaptive Materialkomponente aus der Gruppe von Materialien ausgewählt werden, die durch piezoelektrische, elektrostriktive, magnetostriktive Materialien, elektroaktive Polymerfasern oder ein Verbundmaterial, das orientierte Kohlenstoffnanoröhren umfasst, gebildet wird.
Schalttastereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste adaptive Materialkomponente elektrisch aktivierbar ist und mittels eines über Elektroden angelegten elektrischen Wechselfelds zu Strukturschwingungen angeregt wird.
Schalttastereinheit (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanischen Schwinger (2) dauerhaft in Schwingungen versetzt wird.
Schalttastereinheit (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanischer Schwinger (2) ein piezoelektrisches Element verwendet wird, das spielfrei in ein Gehäuse eingelagert ist.
Schalttastereinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element eine piezoelektrische Schicht auf einem Substratträger umfasst.
Schalttastereinheit (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5, 5.2) benachbart zum mechanischen Schwinger angeordnet ist und zwischen diesen eine Schwingungskopplungselement vorgesehen ist.
Schalttastereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5, 5.2) einstückig mit dem mechanischer Schwinger (2) ausgebildet ist.
Schalttastereinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5, 5.2) und der mechanische Schwinger (2) eine Huckepack-Anordnung bilden und eine gemeinsame Massenelektrode aufweisen, die als Trennschicht zwischen diesen beiden angeordnet ist.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Sensoren (5, 5.2) verwendet wird, die um oder auf dem mechanischen Schwinger (2) an unterschiedlichen Stellen angebracht sind.
Schalttastereinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen Sensoren (5, 5.2) unterschiedlichen Schwingungsmoden des mechanischen Schwingers (2) zugeordnet werden, um einen Multischalter zu realisieren.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltung (11) eine Gleichrichterschaltung umfasst, die das vom Sensor (5, 5.2) ausgegebene Wechselspannungssignal gleichrichtet.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltung (11) eine Treiberstufe für Hochvoltanwendungen umfasst.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsschaltung (11) eine Hochfrequenzschaltung umfasst.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Leistungsschaltung (11) das bei einer maximalen Dämpfung des mechanischen Schwingers vom Sensor (5, 5.2) ausgegebene Wechselspannungssignal zu einer Ausgabespannung führt, die einen Minimal- oder Maximalwert annimmt.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leistungsschaltung (11) zur Realisierung einer Schaltstufe einem bestimmten Intervall der Signalamplitude des Steuersignals eine konstante Ausgabespannung zugeordnet wird.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Betätigungseinrichtung (8) ein elastisches Element (13) umfasst, das eine gegen die Betätigung gerichtete Kraft erzeugt.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beginn der mechanischen Betätigungseinrichtung eine vorgegebene Kraft überschritten werden muss, um an der Schalttastereinheit (1) einen Ein-/Aus-Zustand festzulegen.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselfelds zur Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers mittels eines Bedienelements zur Auswahl eines bestimmten Betriebsmoduses festgelegt werden kann.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Wechselfelds zur Schwingungsanregung des mechanischen Schwingers so gewählt wird, dass eine seiner Eigenresonanzen angeregt wird.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Sensor (5, 5.2) ausgegebene Wechselspannungssignal zur Funktionsüberwachung der Schalttastereinheit (1) verwendet wird.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude des mechanischen Schwingers mittels eines vibro-taktilen und/oder akustischen Reizes an den Benutzer übermittelt wird.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttaster (1) ein ergonomisches Bedienelement bildet.
Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1–22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalttaster (1) eine von einem Umgebungsparameter beeinflusste Betätigungseinrichtung (8) umfasst, die ohne den Eingriff eines Benutzers automatisch schaltet.
Schalttastereinheit (1) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (8) ein Formgedächtnismaterial oder ein elektrochromes oder ein photochromes Material umfasst.
Verwendung einer Schalttastereinheit (1) nach wenigstens einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttastereinheit (1) als Bedienelement eines Fahrzeugs, eines Haushaltsgeräts, einer Werkzeugmaschine oder einer Vorrichtung, die in einen Wirkkontakt zu einem menschlichen Körper tritt, insbesondere einer Prothese oder eines Geräts für medizinisch/diagnostische Zwecke oder für Massagen, verwendet wird.