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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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In
der
CH 545 555 ist eine
Anordnung aus einem Permanentmagneten mit zwei Polschuhen gezeigt,
mit der das Magnetfeld des Permanentmagneten über einen Luftspalt auf ein
aus einem weichmagnetischen Werkstoff hergestelltes scheibenförmiges Teil
gerichtet wird.
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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 durch ein Bedienelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. 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 flach und mit einem leitfähigen Werkstoff
umgeben.
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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 5. 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.