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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement für ein
Kraftfahrzeug insbesondere einen in mehreren Richtungen kippbaren
Joystick, mit einem Bedienknopf, einer in einem Gehäuse
des Bedienelementes befindlichen Lagerstelle für den Bedienknopf,
einer fest mit dem Bedienknopf verbundenen Verlängerung,
einem an der Verlängerung befestigten ersten Permanentmagneten
und einem im Gehäuse befestigten zweiten Permanentmagneten,
wobei die Permanentmagnete ein Permanentmagnetpaar bilden und sich
in einer Mittelstellung des Bedienknopfes ungleiche Pole der Magnete
beabstandet gegenüber stehen.
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Kippbare
Bedienelemente werden in Kraftfahrzeugen dort eingesetzt, wo mittels
eines Bedienelementes mehrere Funktionen ausführbar sind. Beispiele
dafür sind Kippschalter für elektrische Fensterheber
oder elektrisch verstellbare Außenspiegel sowie joystickartige
Bedienelemente zur Steuerung eines Bordcomputers. Hierbei werden
unter joystickartigen Bedienelementen derartige Bedienelemente verstanden,
die zumindest in vier Richtungen kippbar sind, so dass mittels des
joystickartigen Bedienelementes ein Menü in einem dem Bedienelement
zugeordneten Anzeigesystem ansteuerbar ist. 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 bekannten
Bedienelementen wird dieser Kraft-Weg-Verlauf üblicherweise
durch eine oder mehrere Federn oder kooperierende Permanentmagnete
erzeugt, die zusätzlich das Bedienelement in eine Mittelstellung
zurückbringen, wenn es der Benutzer loslässt.
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Aus
der
DE 10 2006
002 634 A1 ist ein Bedienelement, insbesondere ein Joystick
mit einer Kipphaptik für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das
Bedienelement weist einen kippbar gelagerten Hebel mit einem primären
und mindestens einem sekundären Hebelarm sowie mindestens
ein Permanentmagnetenpaar auf, wobei ein Magnet eines Permanentmagnetenpaares
an einem sekundären Hebelarm und ein Magnet ortsfest im
Bedienelement angeordnet ist. Hierbei stehen sich ungleiche Pole
der Magnete derart gegenüber, dass das Bedienelement in
einer Mittelstellung gehalten ist. Der Kraftverlauf über
die Auslenkung des Bedienelementes hängt dabei ab von den
Parametern: Länge des sekundären Hebelarms, Stärke
der Permanentmagnete, physikalische Größe der
Permanentmagnete und die Größe des Luftspalts
zwischen den Magneten eines Permanentmagnetenpaares. Durch die Kraft
zwischen den Magneten wird der sekundäre Hebelarm und damit
der gesamte Hebel in der Mittelstellung gehalten. Zum Kippen des
primären Hebelarms muss der Benutzer eine Kraft überwinden.
Die Gegenkraft, die der Benutzer zum Kippen des primären
Hebelarms überwinden muss, ist graphisch darstellbar, wobei
nach einer Überwindung eines Kraftmaximums die Kraft zur
Auslenkung des Hebels wieder abnimmt und schließlich nach
einem Erreichen eines Endanschlags erneut ansteigt. Der Verlauf
des für den Bediener des Bedienelementes fühlbaren
Kraftanstiegs, Kraftabfalls und erneuten Kraftanstiegs wird hierbei als
Haptik des Bedienelementes bezeichnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die Haptik eines Bedienelementes derart
zu verändern, dass der Kraft-Weg-Verlauf, das heißt
die Haptik des Bedienelementes gezielt einstellbar ist, wobei dies
mit minimalem konstruktivem Aufwand und kostengünstig zu
realisieren ist.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass an einem in dem Bedienelement angeordneten Permanentmagnetenpaar
zumindest bereichsweise und/oder umfänglich ein magnetisch leitfähiger
Werkstoff befestigt ist. Durch die erfindungsgemäße
Ausbildung eines Bedienelementes ist nun die Möglichkeit
geschaffen, vorhandene Bedienelemente mit minimalem konstruktivem
Aufwand und somit kostengünstig in ihrem Haptikverlauf
entscheidend zu beeinflussen. So ist es insbesondere ohne eine Veränderung
der vorhandenen Magnete möglich, den Haptikverlauf in Bezug
auf die Maximalkraft und den Weg zur Erreichung dieses Maximalkraftwertes
gezielt zu beeinflussen. Es ist insbesondere möglich, die
Höhe der Maximalkraft und somit das Moment am Bedienelement
zu variieren, ohne die Stärke der Permanentmagnete oder
deren physikalische Größe zu verändern.
Es ist weiterhin die Möglichkeit geschaffen, mit minimal
konstruktivem Aufwand und unter Beibehaltung der geometrischen Abmessungen
vorhandener Permanentmagnetenpaare den Kraft-Weg-Verlauf der Haptik
wesentlich zu beeinflussen.
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Die
Permanentmagnetenpaare sind entweder in runder Ausführung
umfänglich oder im Falle einer flachen, rechteckigen oder
quadratischen Ausführungsform der Permanentmagnete mit
einem leitfähigen Werkstoff umgeben. In der Ummantelung
beziehungsweise seitlichen Ergänzung der Permanentmagnete
werden die äußeren magnetischen Feldlinien je
nach Stärke und magnetischer Leitfähigkeit der Ummantelung
mehr oder weniger stark gebündelt.
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Die
Ummantelung besteht in der erfindungsgemäßen Form
aus elektrisch-leitfähigen Werkstoffen oder seltene Erden,
wie beispielsweise Sm2Co17, SmCo2 oder NdFeW.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Diagrammen und Skizzen an Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes
joystickartiges Bedienelement,
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2 ein
Kraft-Weg-Diagramm als haptischen Verlauf der Kraft-Weg-Linie des
Bedienelementes gemäß der 1,
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3a die
Anordnung eines Permanentmagnetenpaares gemäß dem
Stand der Technik,
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3b die
Ausbildung eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetenpaares
in einem Bedienelement,
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4 den
haptischen Verlauf eines Bedienelementes als Funktion von Kraft
und Weg und
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5 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Bedienelementes
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Die 1a, 1b und 1c zeigen
eine Seitenansicht im Schnitt eines Bedienelementes 1 in drei
verschiedenen Bedienpositionen, nach dem Stand der Technik. Das
Gehäuse 9 des Bedienelementes 1 weist
eine Ausnehmung auf, in der eine Kugel als Lagerstelle für
einen Hebel angeordnet ist. Der Hebel besteht aus einem primären
Hebelarm 2 und einem sekundären Hebelarm 9.
Ein Ende des Hebelarms 2 ist fest mit der Kugel 4 verbunden,
das andere Ende trägt eine Handhabe 3, in Form
eines Bedienknaufs. 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 gegenüber stehen. Die
Endanschläge 8 begrenzen den Bewegungsspielraum
des sekundären Hebelarms 5 und damit ebenfalls
des primären Hebelarms 2.
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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. Die
Kraft F oder Gegenkraft, die der Benutzer zum weiteren Kippen des
primären Hebelarms überwinden muss, ist in der 2 über die
Auslenkung s des primären Hebelarms 2 aufgetragen.
Die Schnittdarstellung in 1b zeigt
das Bedienelement 1 mit leicht ausgelenktem primärem Hebelarm 2,
wobei die in der 1b dargestellte Position der
gestrichelten Linie b aus dem Kraft-Weg-Diagramm der 2 entspricht. 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. Aber 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 entgegen
gerichtet. 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, wobei die
Abnahme der Kraft von der Position B zur Position C in der 2 als
Snap bezeichnet wird. Im Idealfall entspricht der Abfall der Kraft
oder der Snap etwa einem Drittel der Maximalkraft, die vom Benutzer
aufzubringen ist.
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In
der in 1c dargestellten Position des Hebels
liegt der sekundäre Hebelarm 5 an dem Endanschlag
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 Endanschlages erfolgt eine
schnelle, aber stetige Zunahme der Gegenkraft, wie sie im Auslauf der
Kurve in 2 dargestellt ist.
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In
der 3a sind die Permanentmagnetenpaare 6 und 7 losgelöst
vom Bedienelement 1 dargestellt. Die Permanentmagnetenpaare
bestehen aus einem Nordpol (dunkelgrau) und einem Südpol
(hellgrau). Gegenüberliegende Pole der Magnete weisen somit
eine unterschiedliche Polung auf, so dass die Handhabe 3 oder
der Bedienknopf 3 in seiner Mittenstellung gehalten ist.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnete flach und
an ihren gegenüberliegenden Enden 10, 11 zum
Beispiel quadratisch oder rechteckig ausgebildet.
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Die 3b zeigt
ein Permanentmagnetenpaar 12, 13 mit auf beiden
Seiten der Magnete 12, 13 angeordneten Blechen 14, 15, 16, 17 aus
einem die magnetischen Feldlinien leitenden Werkstoff. Die Bleche 14, 15, 16, 17 oder
leitenden Auflagen 14, 15, 16, 17 bewirken
eine Ausrichtung und Bündelung der die Magnete 12, 13 umgebenden
magnetischen Feldlinien 18. Die Ausrichtung und Bündelung
der magnetischen Feldlinien 18 ermöglicht erfindungsgemäß eine
Erhöhung der maximalen Kraft F, ohne den Einsatz teurer
und großvolumiger Permanentmagnete. Je nach Ausbildung,
Werkstoff, Dicke und Anzahl der Bleche 14, 15, 16, 17 am
Umfang der Permanentmagnete 12, 13 ist somit eine
gezielte Steuerung des Kraft-Weg-Verlaufes und folglich der Haptik
am Bedienelement möglich. So ist darüber hinaus
ein Vorteil der Erfindung, dass bei einer Beibehaltung der Maximalkraft
eine Erhöhung des Luftspaltes 19 zwischen den
Permanentmagneten 12, 13 ermöglicht wird,
was wiederum die Montage erleichtert. Darüber hinaus ist
es ebenfalls vorstellbar, Permanentmagnete mit geringeren geometrischen
Abmessungen einzusetzen, was sich wiederum positiv auf die Kosten der
Bedienelemente auswirkt.
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In
dem in der 3b dargestellten Ausführungsform
sind die Permanentmagnete 12, 13 flach ausgeführt,
so dass die magnetisch leitenden Bleche flach an den seitlichen
Enden der Permanentmagnete 12, 13 befestigbar
sind. Im Falle der Ausbildung der Permanentmagnete 12, 13 als
kreisrunde Permanentmagnete 12, 13 ist es dann
erfindungsgemäß vorstellbar, die Permanentmagnete 12, 13 vollständig und
umfänglich mit einem magnetisch leitenden Material zu umgeben.
Die vollständige Ummantelung der Permanentmagnete 12, 13 ist
natürlich ebenfalls bei flach ausgebildeten Permanentmagneten 12, 13 ausführbar.
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In
der 4 ist ein Kraft-Weg-Diagramm dargestellt. Ausgehend
von einer Mittelstellung wird auf das Bedienelement eine Kraft ausgeübt,
die bis zu einem gewissen Punkt F1, S1 ansteigt, wobei dieser Punkt
F1, S1 der Kraft F1 und dem Weg S1 entspricht, der die maximal zu überwindende
Anziehungskraft zwischen den sich gegenüber liegenden Permanentmagneten 12, 13 entspricht.
Beispielhaft kann hier eine Relativbewegung zwischen den Permanentmagneten
von S1 = 0,8 mm genannt sein. Nach der Überwindung der
Maximalkraft F1 sinkt die Kraft ab, bis zu einer Kraft F2 im Punkt
S2, wobei sich nun gleichartige Pole der Permanentmagnete 12, 13 gegenüberstehen,
so dass der Bedienknopf aus dieser Lage, ohne die Einwirkung des
Bedieners wieder in seine Mittenstellung zurückbewegen
würde. Die Kraft im Diagramm der 4 steigt
nach dem Erreichen des Punktes F2, S2 erneut an, bis zum Erreichen
einer Kraft F3 nach dem Weg S3, wobei dieser Punkt F3, S3 dem Erreichen
des Endanschlages im Bedienelement entspricht. Der Abfall der Kraft
von F1 zu F2 ist im Idealfall etwa ein Drittel von F1 und mit einem
Wert von 35% plus 10% minus 5% bezifferbar. F1 sowie der Weg S3
variiert hierbei je nach Anwendung und einzustellender bzw. vorgegebener
Haptik. Beispielhaft sei für den Weg S3 ein Weg von S3
= 1,5 mm angebbar. Der Punkt des Abstoßens zwischen den
Permanentmagneten 12, 13 wird nicht erreicht, so
dass sich der Bedienknopf nach der Betätigung stets wieder
in seine Mittenstellung selbsttätig zurückbewegt.
Der Weg S1 ist mit 45 Prozent von S3 und einer Toleranz von plus
5% und minus 10% angebbar. Der Weg S2 ist mit S2 = 1,7 × S1
angebbar, wobei eine Toleranz von plus/minus 10% möglich
ist.
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In
der 5 ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Bedienelement in seinen wesentlichen Bestandteilen im Schnitt und
in der Seitenansicht wiedergegeben. Das Bedienelement 20 besitzt
einen primären Hebelarm 21, zur Aufnahme eines
nicht gezeigten Bedienknopfes, eine Lagerstelle 22, in
Form einer kugelförmigen Lagerung 22, einen sekundären Hebelarm 23,
wobei primärer und sekundärer Hebelarm 21, 23 in
einer Mittellinie oder Mittelachse 24 fluchtend übereinander
angeordnet sind. Am sekundären Hebelarm 23 sind
Ausleger 25, 26 befestigt. Am Ausleger 26 ist
ein Permanentmagnet 27 befestigt, der mit einem Permanentmagneten 28 zusammenwirkt,
wobei der Permanentmagnet 28 in einem fest mit dem Gehäuse
des Bedienelementes 20 verbundenen oder einen Teil des
Gehäuses bildenden Bodenteil 29 des Bedienelementes 20 befestigt
ist. Die Permanentmagnete 27, 28 bilden ein Permanentmagnetenpaar 27, 28,
wobei sich die gegenüber liegenden Pole der Permanentmagnete 27, 28 unterscheiden,
so dass die Hebelarme 21, 23 in einer Mittenstellung
gehalten sind. Bevorzugt sind zwei Ausleger 26 mit je einem
Permanentmagnetenpaar 27, 28 im Bedienelement 20 um
90 Grad versetzt im Bedienelement 20 eingebaut. Der Ausleger 25 ist
um 180 Grad versetzt am sekundären Hebelarm 23 befestigt. Der
Ausleger 25 wirkt mit Mitteln zur Positionserkennung und
zur Erfassung des Weges F der Auslenkung des Hebels 23 zusammen.
Vorstellbar ist hierbei zum Beispiel der Einsatz von fotosensitiven
oder induktiven Sensoren. In diesem Ausführungsbeispiel sind
ebenfalls zwei Ausleger 25 um je 90 Grad versetzt am sekundären
Hebelarm 23 angeordnet.
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Aus
dem sekundären Hebelarm 23 steht ein Stift 30 heraus,
der mit elastischen Endanschlägen 31 zusammenwirkt
und somit die Kippbewegung des Hebels 21, 23 begrenzt.
Die Bewegung des Stifts 30 in Richtung des Endanschlags 31 entspricht
dem Weg S3 von ca. 1,5 mm. Wie der 5 und dem
darin dargestellten Ausführungsbeispiel deutlich zu entnehmen
ist, werden die Permanentmagnete 27, 28 nicht
so weit ausgelenkt, dass es zu einem Abstoßen der sich
gegenüberliegenden Pole der Permanentmagnete 27, 28 kommt.
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Durch
die Einbindung der erfindungsgemäßen magnetisch
leitenden Werkstoffe, wie beispielsweise Blechen, ist es möglich,
zum einen das Kraftmaximum F1 zu erhöhen und gleichzeitig
den Weg S1 zu verringern. Dicke Bleche verringern die Maximalkraft
F1, so dass der Weg S1 verschiebbar wird. Es ist somit möglich,
den Haptikverlauf, das heißt den Verlauf der haptischen
Kurve aus dem Kraft-Weg-Diagramm zu variieren und exakt einzustellen.
Durch den Einsatz der erfindungsgemäß magnetisch
leitenden Werkstoffe, wie weichmagnetische Werkstoffe, Elektrobleche
oder seltene Erden auf den Permanentmagneten 27, 28 werden
die Feldlinien gebündelt, so dass die Maximalkraft um 50%
bis 100% steigerbar ist.
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Die
Ausbildung des elastischen Endanschlags 31 im Bodenteil 29 des
Bedienelementes 20 ist ebenfalls als Kulissenführung 31 nutzbar.
Hierbei würde das elastische Element 31 zum Beispiel
eine Kreuznut 32 aufweisen, in der der Stift 30 geführt
ist. Eine Kulissenführung ist aber nur bedingt notwendig, da
durch den Einsatz der magnetisch leitenden Materialien um die Permanentmagnete 27, 28 eine
ausreichende Führung gewährleisten.
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Wie
in der gattungsbildenden
DE 10 2006 002 634 A1 beschrieben, eignet
sich der Einsatz von Permanentmagnetenpaaren auch für den
Einsatz von Drucktasten. Hierbei ist an den Bedienknopf eine Verlängerung
einstückig oder zumindest kraftschlüssig angebaut,
wobei an der Verlängerung ein erster Permanentmagnet befestigt
ist. Im Gehäuse ist ein zweiter Permanentmagnet befestigt,
wobei die Permanentmagnete ein Permanentmagnetenpaar bilden und
sich in einer Ausgangsstellung des Bedienknopfes des Drucktasters
ungleiche Pole der Magnete beabstandet gegenüberstehen
und an den Permanentmagnetenpaaren zusätzlich ein die magnetischen Feldlinien
leitender Werkstoff befestigt ist. Der Kraft-Weg-Verlauf einer Drucktaste
entspricht im Wesentlichen der eines joystickartigen Bedienelementes (
20),
wobei lediglich der Bedienknopf und die Verlängerung eine
lineare Bewegung in Richtung des Bedienelementes ausführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006002634
A1 [0003, 0026]