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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
welches zumindest ein Betätigungselement zum Betätigen
des Bedienelements und zumindest ein mit dem Betätigungselement
wirkverbundenes Sensorelement zum Registrieren einer Betätigung
umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Bauteil eines Fahrzeuginnenraums mit
einem solchen Bedienelement sowie ein Verfahren zum Ausgeben einer
Rückmeldung eines Bedienelements.
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Stand der Technik
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Besonders
bei Bedienelementen mit Betätigungselementen, die beim
Betätigen nicht mechanisch bewegt werden, ist es für
einen Bediener oft schwer zu erkennen, ob das Bedienelement die
gewünschte Betätigung realisiert und umgesetzt
hat. Bei Bedienelementen, wie beispielsweise Druckschaltern oder
Tastern, ist es für den Bediener leicht nachzuvollziehen,
ob der Schalter oder Taster korrekt bedient wurde. Dies geschieht
beispielsweise durch ein Einrasten eines Schalters oder durch Überschreiten
eines mechanischen Druckpunkts, so dass dem Bediener unmittelbar
eine haptisch bzw. auch akustisch wahrnehmbare Rückmeldung über
die Betätigung des Betätigungselements zurückgegeben
wird.
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Betätigungselemente
ohne mechanische Verschiebung, wie beispielsweise Berührungssensoren
oder Touchscreens, weisen keinen solchen inhärenten Rückmeldungsmechanismus
auf. Insbesondere bei Touchscreens erfolgt die Rückmeldung
häufig rein optisch oder akustisch.
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Besonders
für die Verwendung eines Bedienelements in einem Kraftfahrzeug
ist es jedoch wichtig, dass ein Bediener, auch ohne auf das Betätigungselement
zu schauen, eine Rückmeldung über die erfolgte
Betätigung bekommt. Hierzu eignen sich insbesondere akustische
und/oder haptische Rückmeldungen, welche keine optische
Wahrnehmung durch den Fahrer erfordern.
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In
der
DE 10 2004
052 241 A1 wird ein Tongenerator und ein Tastgefühlwandler
beschrieben, um eine hörbare und/oder fühlbare
Schalterrückmeldung auszugeben. Der Tastgefühlwandler
ist dabei in der Form eines Elektromagneten vorhanden, der einen
Kolben zum Stampfen, Klopfen oder Vibrieren gegen einen Schalterblock
veranlasst. Für eine hörbare Schalterrückmeldung
wird dagegen der Tongenerator eingesetzt.
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Die
in dieser Druckschrift veröffentlichte Vorrichtung weist
jedoch den Nachteil auf, dass zwei separate Elemente, nämlich
der Tongenerator und der Tastgefühlwandler, einzusetzen
sind. Dies führt zu einer komplizierten Konstruktion einer
Vorrichtung, welche das gewünschte Rückmeldungssignal
ausgibt.
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In
einer weiteren Druckschrift, der
DE 101 26 670 A1 , wird ein Verfahren zur
Erzeugung eines Antwortsignals beschrieben. Hier wird ein piezoelektrisches
Element zur Erzeugung eines verstärkten, periodischen Signals
eingesetzt. Aufgrund der geringen Auslenkung, die durch Piezoelemente
erzielbar sind, ist es jedoch nötig, dass das Piezoelement
ein Gesamtsystem resonant anregt. Daher ist das Piezoelement nur
zur haptisch wahrnehmbaren Ausgabe diskreter Resonanzfrequenzen
des Gesamtsystems, mit dem das piezoelektrische Element verbunden
ist, geeignet. Dies beschränkt die Art und Frequenz-Bandbreite
der Rückmeldung, die durch dieses Verfahren ausgegeben
werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demnach, ein dem oben genannten
technischen Gebiet zugehöriges Bedienelement zu konstruieren,
das bei möglichst geringem konstruktiven Aufwand ein haptisch
und/oder akustisch gut wahrnehmbares und frei wählbares
Rückmeldungssignal zur Indikation einer Betätigung
eines Bedienelements zur Verfügung zu stellen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung umfasst das Bedienelement
zumindest ein Betätigungselement zum Betätigen
des Bedienelements, zumindest ein mit dem Betätigungselement
wirkverbundenes Sensorelement zum Registrieren einer Betätigung, zumindest
eine an dem Betätigungselement fest verbundene Schwingspule
zum Aussenden eines mechanischen Rückmeldungssignals und
ein Steuerungselement zum spezifischen Aktivieren der Schwingspule
im Fall der Betätigung der Bedienvorrichtung. Dabei ist
das Rückmeldungssignal haptisch und/oder akustisch, bevorzugt
gleichzeitig haptisch und akustisch, wahrnehmbar. Insbesondere sendet die
Schwingspule Biegewellen durch das Betätigungselement aus
(d. h. das Betätigungselement, das als Membran fungiert,
wird in Schwingung versetzt). Dies hat beispielsweise den Vorteil
einer besonders kompakten Bauweise, weil das Betätigungselement
gleichzeitig neben der Betätigung auch der Ausgabe des
Rückmeldungssignals dient und damit ein weiteres Ausgabeelement,
wie beispielsweise ein separater Lautsprecher, unnötig
wird. Darüber hinaus ist die Nutzung des Betätigungselements
zur Ausgabe des Rückmeldungssignals besonders gut dafür
geeignet, das Rückmeldungssignal auf den Bediener zu übertragen,
weil zur Bedienung des Bedienelements üblicherweise ein
Kontakt zwischen dem Bediener und dem Bedienelement zustande kommt und
ein haptisch wahrnehmbares Signal sofort zurück gegeben
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Betätigungselement kann
dabei auf Berührung oder Druck reagieren. Hierzu kann beispielsweise
der Kontakt eines Fingers des Bedieners mit dem Betätigungselement ausreichen.
Bevorzugt kann das Betätigungselement ein Zierteil oder
Formteil aus Metall, Holz oder Kunststoff sein, welches im Innenraum
eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Das Sensorelement kann bevorzugt
an dem Betätigungselement befestigt sein. Es ist jedoch
auch möglich, dass das Sensorelement auf Distanz, beispielsweise
mittels eines Lasers, Bewegungen misst oder auf Druckunterschiede
oder Spannungen des Betätigungselements, beispielsweise
eines Zierteils, reagiert. Als mögliche Sensorelemente
können hierbei insbesondere ein Piezosensor, ein kapazitiver
Sensor, ein druckabhängiger Widerstand oder beispielsweise
ein anderer Druck- oder Näherungssensor verwendet werden.
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Die
Schwingspule ist beispielsweise ein sogenannter „Exciter”,
der nach dem Tauchspulenprinzip arbeitet. Durch die Schwingspule,
an die eine elektrische Spannung bzw. ein elektrischer Strom angelegt
wird, ist es möglich, Schwingungen der angelegten Spannung
bzw. des angelegten Stroms in mechanische Schwingungen umzusetzen.
Die Form der angelegten elektrischen Signale, beispielsweise eine Sinusschwingung,
Rechteckschwingung, Sägezahnschwingung oder eine beliebige Überlagerung
verschiedener periodischer oder nicht-periodischer Signale, ist
dabei für die Ausgabe durch die als Exciter ausgeführte
Schwingspule unerheblich. Auch die Intensität der mechanischen
Schwingung lässt sich in Abhängigkeit von der
Intensität des elektrischen Signals regeln. Anstelle der
bevorzugten Biegewellen, bei denen das gesamte Betätigungselement,
also beispielsweise ein Zier- oder Formteil eines Fahrzeuginnenraums
in Vibrationen versetzt wird, ist es jedoch auch möglich,
reine Oberflächenwellen auf das Betätigungselement
zu übertragen.
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Daneben
kann auch, beispielsweise durch Anordnung mehrerer Schwingspulen,
eine stark lokalisierte Rückmeldung auf mechanischem Wege
erzielt werden, indem beispielsweise lokale Auslöschungen
des Rückmeldungssignals erzeugt werden. Da die Schwingspule
das Betätigungselement selbst nutzt, um das mechanische
Rückmeldungssignal auszugeben, ist es für einen
Bediener unmittelbar realisierbar, wenn das Betätigungselement
korrekt betätigt wurde.
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Als
Steuerungselement kann beispielsweise ein Prozessor mit einem Speicherelement
verwendet werden. Auf dem Speicherelement können dabei
verschiedene Rückmeldungssignale gespeichert werden, welche
durch den Prozessor des Steuerungselements ausgewählt und
durch die Schwingspule emittiert werden. Das Steuerungselement ist
dabei dazu geeignet, die Schwingspule im Fall der Betätigung
der Bedienvorrichtung derart spezifisch zu aktivieren, dass ein
Bediener anhand des ausgesendeten Rückmeldungssignals auf
die Betätigung des Betätigungselements, insbesondere
die Betätigung eines bestimmten Betätigungselements
oder das Auslösen einer bestimmten Funktion zurückschließen kann.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Frequenz oder Intensität
eines Signals mit der Betätigungsdauer des Betätigungselements,
entsprechend einem ”Gedrückthalten” eines
Tasters korrelieren kann. Aufgrund des besonders großen
Spektrums von emittierbaren Rückmeldungssignalen durch
die Schwingspule lassen sich zudem nahezu beliebige Kombinationen
einzelner periodischer oder nicht-periodischer Signale durch das
Steuerungselement auswählen und durch die Schwingspule
emittieren.
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Mit
Vorteil ist die Schwingspule mit dem Betätigungselement
und einem Befestigungselement verbunden. In dieser bevorzugten Ausführungsform stellt
die Schwingspule also ein Verbindungselement zwischen dem Betätigungselement
und dem Befestigungselement dar. Auf diese Weise lässt
sich durch die Schwingspule leicht eine relative Bewegung zwischen
dem Betätigungselement und dem Befestigungselement erkennen.
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Die
Schwingspule kann alternativ auch beispielsweise schwimmend an dem
Betätigungselement befestigt sein. Im Fall einer schwimmenden
Befestigung der Schwingspule an dem Betätigungselement
ist es jedoch von Vorteil, wenn die Schwingspule ein geeignet dimensioniertes
Massenelement aufweist, das aufgrund seiner Massenträgheit
dazu geeignet ist, die Schwingspule bei hohen Frequenzen gegen das
Betätigungselement abzustützen und entsprechende
Signale auf das Betätigungselement übertragen
zu lassen. Die Wahl der Masse des Massenelements hängt
dabei von der Art des Betätigungselements ab. Insbesondere
die Masse des Betätigungselements, sowie dessen Elastizität
sind für die Wahl der Masse des Massenelements von besonderer
Bedeutung.
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Weiter
bevorzugt ist eine auf das Betätigungselement ausgeübte
Kraft und/oder ein vom Betätigungselement in Bezug auf
das Befestigungselement zurückgelegter Weg durch die Schwingspule, insbesondere
durch Generieren einer elektrischen Spannung durch die Schwingspule
detektierbar. Bei einer Ausführungsform des Bedienelements,
bei der die Schwingspule sowohl mit dem Betätigungselement
als auch mit dem Befestigungselement fest verbunden ist, ist es
besonders gut möglich, dass die Schwingspule, welche in
ihrem aktiven Betrieb ein elektrisches Signal in eine mechanische
Bewegung umwandelt, in ihrem passiven Betrieb aus einer mechanischen
Bewegung ein elektrisches Signal erzeugt. Damit ist es möglich,
auch die Schwingspule als zusätzliches Sensorelement des
Bedienelements zu verwenden.
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Ein
durch Änderung des vom Magnetfeld durchdrungenen Spulenanteils
generierbares elektrisches Signal kann dabei vorzugsweise bei dynamischen
Vorgängen, bspw. Während des Drückens
des Betätigungselements, zur Ermittlung eines Zustandes
herangezogen werden.
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Auch
eine Betätigung, die durch eine kontinuierlich auf das
Betätigungselement ausgeübte kraft charakterisiert
ist, wäre durch den beschriebenen Aufbau ermittelbar, da
sich systembedingt durch äußere Einflüsse
und die damit verbundene Überlagerung mit dynamischen Vorgängen
eine Variation des Signals um eine „Nulllage” ergibt.
Dabei kann der zeitliche Verlauf des Signals bei einer beispielsweise durch
den Bediener kontinuierlich ausgeübten Kraft Rückschlüsse
auf den Zustand des Bedieners (bspw. Auf die körperliche
Verfassung des Fahrzeuglenkers, wie z. B. Alkoholisierungsgrad oder
Müdigkeit), oder aber alternativ des Fahrzeuges (bspw.
Den Zustand der Fahrzeugfederung) oder der Fahrzeugumgebung (bspw.
Dem Fahrbahnzustand) geben. Durch eine akustische oder haptische
Rückmeldung kann bei vorgegebenen Zuständen eine
Information an einen Fahrzeuginsassen erfolgen.
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Es
ist beispielsweise auch möglich, dass durch das Sensorelement
ein Signal an das Steuerungselement ausgegeben wird, dass das Betätigungselement
betätigt wurde, wonach die Schwingspule beispielsweise
die Betätigungskraft oder den Betätigungsweg aufnehmen
und an das Steuerungselement ein entsprechendes Signal übermitteln
kann. Die Schwingspule kann somit auch als Kontrollinstanz für
das Sensorelement fungieren.
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Mit
Vorteil ist die Schwingspule zum Aussenden eines mechanischen Frequenzsignals
in einem Frequenzbereich von zwischen 15 Hz und 20 kHz ausgeführt.
Die Frequenz entspricht dabei der effektiven Periode des Signals,
wobei dieses Signal beispielsweise auch durch die Überlagerung
von mehreren Wellen, insbesondere deutlich höherer oder
deutlich tieferer Frequenzen zustande kommen kann. Die Schwingspule
ist also generell dazu geeignet, Signale eines deutlich breiteren Frequenzbereichs
zu erzeugen; es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen,
als Rückmeldungssignal solche, ggf. durch Überlagerung
einer Vielzahl von periodischen Signalen entstehende, periodische
Signale einer Frequenz von zwischen 15 Hz und 10 kHz auszugeben.
Die untere Grenze von 15 Hz kommt dabei durch die Eigenschaften
des Rückmeldungssignals, besonders gut tastbar zu sein,
die obere Grenze von 10 kHz durch die Eigenschaft, besonders gut
hörbar zu sein, zustande.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bedienelement
ferner ein Speicherelement zum Speichern von Frequenzsignalen, wobei
die Schwingspule vom Steuerungselement zum spezifischen Aussenden
eines oder mehrerer der gespeicherten Frequenzsignale, insbesondere
aus Überlagerung von zumindest zwei im Wesentlichen sinusförmigen
Frequenzsignalen, aktivierbar ist. Das genannte Speicherelement
kann dabei sowohl als separates Element als auch in dem Steuerungselement vorgesehen
sein.
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Durch
die beschriebene Überlagerung von zumindest zwei im Wesentlichen
sinusförmigen Frequenzsignalen lassen sich durch die Schwingspule auch
andere als sinusförmige Frequenzsignale ausgeben. Beispiele
hiervon sind die bereits genannten Rechteck- oder Sägezahnsignale
sowie beispielsweise eine Kombination eines haptisch wahrnehmbaren
mit einem akustisch wahrnehmbaren Signal, also einer Überlagerung
eines niederfrequenten mit einem hochfrequenten, sinusförmigen
Rückmeldungssignal. Diese Überlagerungen von periodischen
Signalen sind in auf dem Speicherelement gespeicherter Form besonders
schnell abrufbar.
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Im
Speicherelement kann auch eine Zuordnung zwischen einem bestimmten
Ereignis, zum Beispiel dem Betätigen eines bestimmten Betätigungselements
oder dem Betätigen des Betätigungselements über
einen bestimmten Zeitraum, und einem entsprechend auszusendenden
Rückmeldungssignal gespeichert sein. Daneben ist es jedoch
auch möglich, dass diese Zuordnung allein durch das Steuerungselement
vorgenommen wird, das zum Aussenden eines Rückmeldungssignals
ein oder mehrere in dem Speicherelement gespeicherte Frequenzsignale
zum Aussenden durch die Schwingspule auswählt.
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Besonders
bevorzugt ist das Sensorelement zum Speichern beliebiger, bevorzugt
periodischer, approximierter, besonders bevorzugt durch eine Fourier-Reihe
approximierter Signale ausgeführt. Auf diese Weise kann
auch ein kompliziert zusammengesetztes Signal schnell abgerufen
werden und muss nicht erst vom Steuerungselement neu errechnet werden.
Die Berechnung bedeutet in diesem Fall die Auswahl der zu überlagernden
Frequenzen mit ihren jeweiligen Amplituden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Bedienelement
zumindest zwei Sensorelemente auf, wobei die Schwingspule vom Steuerungselement
in Abhängigkeit von dem eine Bedienung registrierenden
Sensorelement spezifisch, insbesondere durch Aussenden eines spezifischen
Signals, aktivierbar ist. Die genannten zwei Sensorelemente befinden
sich an zwei verschiedenen Orten an dem Betätigungselement,
so dass durch das Zusammenwirken der beiden Sensorelemente, also
das gemeinsame Registrieren einer Betätigung, auf einen Ort
auf dem Betätigungselement geschlossen werden kann, an
dem der Bediener die Betätigung durchgeführt hat.
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Eine
entsprechende Anordnung von Sensorelementen kann beispielsweise
zur sensorischen Ansteuerung eines Tastenfelds genutzt werden, welches
durch ein einziges Betätigungselement und verschiedene,
auf dem Betätigungselement befindliche Parzellen gebildet
werden kann. Dabei ist bevorzugt jeder Parzelle ein Sensorelement
zugeordnet. Im Fall eines mehrere Parzellen aufweisenden Betätigungselements,
beispielsweise eines Nummernfelds, kann bevorzugt für jede
Parzelle des Nummernfelds ein separates Sensorelement oder ein separater
Bereich auf einem gemeinsamen Sensorelement vorgesehen sein.
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Je
nachdem, in welcher Parzelle, also durch welches Sensorelement,
die Bedienung des Betätigungselements registriert wurde,
wird durch das Sensorelement ein entsprechendes Signal zum Aussenden
durch die Schwingspule ausgewählt. Das ausgesendete Signal
ist somit spezifisch vom Ort auf dem Betätigungselement
abhängig, an dem der Bediener die Betätigung vorgenommen
hat. Darüber hinaus sind, wie oben ausgeführt,
weitere Parameter denkbar, die zum Aussenden eines entsprechenden, spezifischen
Signals führen können.
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Ein
erfindungsgemäßes Bauteil eines Fahrzeuginnenraums,
welches ein erfindungsgemäßes Bedienelement aufweist,
ist derart ausgeführt, dass eine innenraumseitige Oberfläche
des Bauteils das zumindest eine Betätigungselement umfasst.
Beispiele für ein solches Bauteil eines Fahrzeuginnenraums
sind eine Zier- oder Dekorleiste, ein Lenkrad, ein Schaltknauf,
eine Lüftungsöffnung, ein Fensterheber oder ähnliche
Bauteile. Mit der innenraumseitigen Oberfläche des Bauteils
ist dabei diejenige Fläche des Bauteils gemeint, die an
den Fahrzeuginnenraum grenzt und von diesem unmittelbar zugänglich ist.
Somit ist es beispielsweise möglich, auf den genannten
Bauteilen Funktionsflächen vorzusehen, über die
ein Bediener durch das Betätigungselement und die übrigen
genannten Elemente des Bedienelements eine Bedienung einer Funktion
des Fahrzeugs vornehmen kann.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Ausgeben einer
Rückmeldung eines Bedienelements wird durch ein Registrieren
einer Berührung zumindest eines Betätigungselements
durch einen Bediener von zumindest einem Sensorelement ausgelöst. Dabei
aktiviert ein Steuerungselement in Abhängigkeit von der
registrierten Berührung eine Schwingspule derart, dass
die Schwingspule ein spezifisches mechanisches Rückmeldungssignal,
insbesondere eine Biegewelle, durch das Betätigungselement
ausgibt. Das Rückmeldungssignal ist dabei haptisch und/oder
akustisch, bevorzugt gleichzeitig haptisch und akustisch, wahrnehmbar.
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Das
spezifische mechanische Rückmeldungssignal kann dabei insofern
spezifisch sein, als es beispielsweise hart oder weich, laut oder
leise, stark oder schwach, örtlich spezifisch, zeitlich
spezifisch, beispielsweise als Folge von Signalen, die eine Information
kodieren, oder anders von der registrierten Berührung abhängig
sein. Die Spezifikation des mechanischen Rückmeldungssignals
erlaubt es dem Bediener, von dem Rückmeldungssignal auf
das betätigte Betätigungselement und damit verbunden
auf die vorgenommene Bedienung zurückzuschließen.
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Bevorzugt
aktiviert das Sensorelement die Schwingspule zum Aussenden eines
Frequenzsignals, wobei das Frequenzsignal direkt auf einem Speicherelement
gespeichert sein oder von dem Steuerungselement durch Überlagerung
mindestens zweier, im Wesentlichen sinusförmiger, insbesondere auf
dem Speicherelement gespeicherter Frequenzsignale gebildet werden
kann. Das Speicherelement kann dabei wie oben beschrieben auch in
dem Steuerungselement integriert oder aber als separates Element
vorgesehen sein.
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Weiter
bevorzugt aktiviert das Steuerungselement die Schwingspule bei einer
Registrierung einer Berührung durch ein erstes Sensorelement
zum Aussenden eines ersten Rückmeldungssignals und bei
einer Registrierung einer Berührung durch ein zweites Sensorelement
zum Aussenden eines zweiten Rückmeldungssignals, wobei
das erste Rückmeldungssignal insbesondere von dem zweiten
Rückmeldungssignal verschieden ist.
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Bei
einem Bedienelement mit zwei verschiedenen Sensorelementen kann
es wie oben ausgeführt von Bedeutung sein, welches der
Sensorelemente die Berührung durch den Bediener registriert, weil
dies auf einen bestimmten Ort auf dem Betätigungselement
zurückführbar ist, den der Bediener berührt
hat. Mit diesem Ort kann beispielsweise eine bestimmte Funktion
verbunden sein, wie dies beispielsweise bei einem Tastenfeld eines
Nummernblocks der Fall ist. In diesem Fall ist es für den
Bediener besonders komfortabel, wenn die akustische und/oder haptische
Rückmeldung durch das Steuerungselement derart ausgewählt
wird, dass eine Unterscheidung zwischen den Rückmeldungssignalen der
einzelnen Sensorelemente möglich ist.
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Mit
Vorteil gibt die Schwingspule elektrische Signale an das Sensorelement
aus, wenn die Schwingspule mit dem Betätigungselement und
einem Befestigungselement fest verbunden ist. Die elektrischen Signale
werden dabei in Abhängigkeit von einer auf das Betätigungselement
ausgeübten Kraft und/oder einem vom Betätigungselement
in Bezug auf das Befestigungselement zurückgelegten Weg
generiert und ausgegeben.
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Bei
diesem bevorzugten Verfahren ordnet das Steuerungselement ferner
die elektrischen Signale der Schwingspule einem Ereignis zu und
aktiviert die Schwingspule zum Aussenden eines spezifischen, von
dem Ereignis abhängigen Rückmeldungssignals. Bei
der Zuordnung der elektrischen Signale der Schwingspule zu einem
Ereignis muss durch das Steuerungselement jedoch eine Unterscheidung
zwischen einer Bewegung der Schwingspule aufgrund der Schwingspule
selbst, nämlich einem ausgesendeten Rückmeldungssignal,
im Unterschied zu einer äußeren Einwirkung, nämlich
dem Betätigen des Betätigungselements, vorgenommen werden.
Durch die Kombination der Schwingspule zum Erkennen von Ereignissen
mit dem Sensorelement kann beispielsweise ein mehrstufiger Sensor oder
Schalter entstehen.
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Beispiele
für eine solche Kombination der Schwingspule mit dem Sensorelement
sind eine Detektion des Berührungspunkts des Bedieners
auf dem Betätigungselement durch das Sensorelement und
eine Detektion des Berührungsdrucks durch die Schwingspule.
In einem weiteren Beispiel ist es möglich, dass durch das
Sensorelement ein leichter Druck oder Tastweg detektiert wird, wogegen
ein größerer Druck oder Tastweg durch die Schwingspule detektiert
wird. Auf diese Weise ist es möglich, einen Schalter mit
mehreren Schaltschwellen zu erzeugen. Aufgrund der Tatsache, dass
sich durch den Druck auf das Betätigungselement die Spannung
an der Schwingspule verändert, kann auch die Schwingspule
als solche als Sensorelement verwendet werden, wenn die durch die
Schwingspule erzeugte Spannung als Schaltsignal ausgewertet wird.
Da die Verformung/Verschiebung der Schwingspule bzw. die dazu notwendige
Kraft proportional zu der durch die Schwingspule erzeugten Spannung
sein kann, kann somit festgestellt werden, wie weit oder mit welcher Kraft
das Betätigungselement berührt wurde. Dies kann
auch dazu verwendet werden zwischen einem beabsichtigten „Schalten” und
einem „Abstützen” zu unterscheiden. Auch
bestünde die Möglichkeit diese Erfassung in einem
Crash-Fall zu nutzen und bei einem detektierten Aufprall auf das
Betätigungselement eine gewünschte Funktion auszulösen.
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Erfindungsgemäß wird
das beschriebene Bedienelement zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verwendet. Die Verwendung einer Schwingspule zum Aussenden
des mechanischen Rückmeldungssignals ermöglicht
es, dass über einen weiten Frequenzbereich, nahezu beliebige
Signalformen und große Signalamplituden bzw. große Signalkräfte
auf das Betätigungselement ausgeübt werden können.
Es wird somit eine einfache Konstruktion bereitgestellt, die zum
Aussenden haptischer und/oder akustischer Rückmeldungssignale geeignet
ist, wobei die Rückmeldungssignale sehr gut anpassbar und
damit spezifisch auf das anzuzeigende Ereignis einstellbar sind.
Das erfindungsgemäße Bedienelement eignet sich
damit hervorragend für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug,
bei dem ein Fahrer, dessen Blick auf die Geschehnisse außerhalb
des Fahrzeugs gerichtet ist, diverse elektronische Komponenten im
Fahrzeug, beispielsweise Kommunikationssysteme, wie etwa ein Autotelefon, Fahrerassistenzsysteme,
wie beispielsweise ein Navigationssystem oder ein Bordcomputer,
Multimediaanwendungen, wie beispielsweise ein Autoradio, Komfortsysteme,
wie beispielsweise Lüftung und Klimatisierung, oder auch
Fahrzeugbetriebssysteme, wie beispielsweise Schaltung, Geschwindigkeitsregelanlage,
Scheibenwischer oder Licht bedienen kann.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich durch die detaillierte
Figurenbeschreibung sowie die Gesamtheit der Patentansprüche.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt
ein Bedienelement gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform.
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2 zeigt
das Bedienelement in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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3 zeigt
das Bedienelement in einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm eines bevorzugten Verfahrens zum Ausgeben einer
Rückmeldung eines Bedienelements.
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Bevorzugte Ausführungsformen
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1 zeigt
eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Bedienelements.
Ein Betätigungselement 10 ist mit einem Sensorelement 12 versehen, das
dazu in der Lage ist, eine Berührung des Betätigungselements 10 zu
registrieren. Das Betätigungselement 10 ist dabei
als ein flächig ausgebildetes Kontaktelement ausgeführt,
das beispielsweise ein Zierteil oder ein Formteil aus Metall, Holz
oder Kunststoff oder ähnlichem sein kann. Das Betätigungselement 10 wird
dabei durch einen Bediener beispielsweise durch Berühren
der Oberfläche des Betätigungselements 10 betätigt.
Entsprechend handelt es sich bei dem Sensorelement 12 um
einen Druck- oder Näherungssensor, wobei dieser beispielsweise durch
einen Piezo-, druckabhängigen Widerstands- (FSR) oder kapazitiven
Sensor gebildet sein kann. Das ansonsten beispielsweise lediglich
mit einer Zierfunktion versehene Betätigungselements 10 stellt dabei
gleichzeitig eine Schutzschicht für das Sensorelement 12 gegenüber
unsachgemäßer äußerer Einwirkung
auf das Sensorelement 12 dar. In der in 1 dargestellten
ersten Ausführungsform des Bedienelements wird das Betätigungselement 10 durch eine
Holzzierleiste und das Sensorelement 12 durch einen Piezosensor
gebildet.
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An
dem Betätigungselement 10 ist ferner eine Schwingspule 14 befestigt.
Die Schwingspule 14 ist dabei über einen Korb
mit dem Betätigungselement 10, also dem Holzzierteil,
verbunden. Sie umfasst ferner u. a. ein Magnetelement 22 und
ein Spulenelement 20, durch das ein elektrischer Spannungs-
oder Stromimpuls fließen und ein entsprechend ausgebildetes
Magnetfeld erzeugt werden kann. An dem Magnetelement 22,
das in Wechselwirkung mit dem durch das Spulenelement 20 erzeugten Magnetfeld
tritt, ist in der in 1 dargestellten Ausführungsform
des Betätigungselements ferner ein Massenelement 24 angebracht.
Das Massenelement 24 an dem Magnetelement 22 dient
dabei einem Abstützen des Magnetelements 22 gegen
die Trägheit des Massenelements 24 bei hochfrequenten
Vibrationen der Schwingspule 14. Die Schwingspule 14 regt bei
entsprechenden elektrischen Signalen in dem Spulenelement 20 über
die proportionale Auslenkung und Kraftausübung der Schwingspule 14 auf
das Betätigungselement 10 Biegewellen des Betätigungselements
an. Es wird also das Betätigungselement 10 selbst
in Schwingung versetzt, so dass ein Bediener, der das Betätigungselement 10 berührt,
die Biegewellen des Betätigungselements 10 haptisch
unmittelbar wahrnimmt. Zusätzlich zu einer haptischen Wahrnehmung
der Biegewellen des Betätigungselements 10 ist
es darüber hinaus auch möglich, dass der Bediener
bei entsprechend hoch gewählten Frequenzen, die durch die
Schwingspule 14 ausgesandt werden, diese Biegewellen des
Betätigungselements 10 akustisch wahrnehmen kann.
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Über
elektrische Leitungen 26, 28 sind die Schwingspule 14 sowie
das Sensorelement 12 mit einem Steuerungselement 16 verbunden,
welches ausgehend von dem durch das Sensorelement 12 wahrgenommenen
Ereignis die Schwingspule 14 zum Aussenden eines Rückmeldungssignals
veranlasst. Hierzu wird durch das Sensorelement 16 ein entsprechend
geformtes elektrisches Spannungs- bzw. Stromsignal an das Spulenelement 20 der Schwingspule 14 ausgegeben,
wodurch das Magnetelement 22 mit dem daran befestigten
Massenelement 24 in entsprechend geformte Schwingungen versetzt
wird, die aufgrund der Befestigung der Schwingspule 14 an
dem Betätigungselement 10 direkt auf das Betätigungselement übertragen
werden und dieses ebenfalls in Schwingung versetzt, die durch einen
Bediener haptisch und/oder akustisch wahrnehmbar ist.
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Je
nachdem, welches Ereignis durch das Sensorelement 12 detektiert
wird, kann durch das Steuerungselement 16 entschieden werden,
welche Form, Intensität, Dauer oder welchen zeitlichen
Verlauf das durch die Schwingspule 14 ausgesandte Rückmeldungssignal
aufzuweisen hat. So kann beispielsweise für ein lang anhaltendes
Betätigen des Betätigungselements 10 durch
einen Bediener auch ein lang anhaltendes Rückmeldungssignal
durch die Schwingspule 14 ausgegeben werden.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Bedienelements, die sich
gegenüber der in 1 dargestellten
Ausführungsform des Bedienelements dahingehend unterscheidet,
dass anstelle des in 1 gezeigten Massenelements 24 ein
Befestigungselement 30 in der in 2 dargestellten
Ausführungsform vorgesehen ist. Das Befestigungselement 30 ist
dabei zumindest in Bezug auf das Betätigungselement 10 fixiert,
so dass durch die Schwingspule 14, insbesondere das Spulenelement 20 und das
Magnetelement 22, eine Kraft zwischen dem Befestigungselement 30 und
dem Betätigungselement 10 ausgeübt wird.
Die durch die Schwingspule 14 ausgeübte Kraft
auf das Betätigungselement 10 führt insbesondere
zu einer stärkeren Verformung des Betätigungselements 10 auch
bei niedrigen Frequenzen eines Rückmeldungssignals als
dies im Fall der in 1 dargestellten Ausführungsform
mit Massenelement 24 möglich ist. Dadurch, dass
sich die Schwingspule 14 gegen das Befestigungselement 30 abstützen
kann, lassen sich zudem auch höhere Kräfte auf
das Betätigungselement 10 übertragen.
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Ferner
ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform
des Bedienelements zusätzlich ein Speicherelement 18 an
dem Steuerungselement 16 vorgesehen. Das Speicherelement 18 dient
der Speicherung verschiedener Rückmeldungssignale, die durch
die Schwingspule 14, nach Aktivierung durch das Steuerungselement 16,
auf das Betätigungselement 10 übertragen
werden. Das Speicherelement 18 eignet sich selbstverständlich
auch dafür, andere Daten, wie beispielsweise Kriterien
für bestimmte Ereignisse, die durch das Sensorelement 12 erfasst werden,
Algorithmen für die Zusammenstellung elektrischer Rückmeldungssignale
oder eben direkt entsprechende Rückmeldungssignale zu speichern
und für das Steuerungselement 16 abrufbar bereitzustellen.
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In
der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
des Bedienelements ist darüber hinaus eine weitere Funktionalität
der Schwingspule 14 möglich. Da sich das Magnetelement 22 gegen
das Befestigungselement 30 abstützt, führt
somit eine mit einer Krafteinwirkung auf das Betätigungselement 10 verbundene
Betätigung des Betätigungselements 10 in
Richtung des Befestigungselements 30 zu einer relativen
Verschiebung zwischen dem Spulenelement 20 und dem Magnetelement 22.
Durch die mit einer solchen Verschiebung verbundene Induktion in
dem Spulenelement 20 entsteht also aufgrund der Betätigung
des Betätigungselements 10 ein elektrisches Signal,
das über die elektrische Leitung 26 an das Steuerungselement 16 fließen
kann. Das Steuerungselement 16 kann daher, gewissermaßen
durch Umkehr der Funktion der Schwingspule 14 zur Ausgabe
eines mechanischen Signals, auf einen weiteren Sensor zur Erkennung
einer Betätigung des Betätigungselements 10 zurückgreifen.
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Die
Kombination des Sensorelements 12 mit der als Sensor fungierenden
Schwingspule 14 führt dabei zu einem erweiterten
Funktionsspektrum des Bedienelements. Beispielsweise kann mit dem
Sensorelement 12 detektiert werden, wo auf dem Betätigungselement 10 eine
Betätigung durch einen Bediener stattgefunden hat, wogegen
durch die Schwingspule 14 feststellbar ist, wie groß der
Druck auf das Betätigungselement 10 bzw. über
welchen Weg das Betätigungselement 10 in Richtung
des Befestigungselements 30 verschoben wurde. Eine mögliche Anwendung
für das kombinierte Detektieren einer Betätigung
des Betätigungselements 10 ist ein Schalter mit
zwei oder mehr Schaltschwellen, wobei durch das Sensorelement 12 ein
leichter Druck bzw. Tastweg detektiert wird, wogegen ein größerer
Druck bzw. Tastweg durch die Schwingspule 14 und einen entsprechend
ausgebildeten elektrischen Impuls an das Steuerungselement 16 feststellbar
ist.
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3 zeigt
eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Bedienelements,
wobei das Betätigungselement 10 mit zwei Sensorelementen 12.1, 12.2 und
zwei Schwingspulen 14.1, 14.2 versehen ist, wobei
die einzelnen Sensorelemente 12.1, 12.2 dem Sensorelement 12 aus
den 1 und 2 entsprechen und die Schwingspulen 14.1, 14.2 im Wesentlichen
die gleichen Schwingspulen 14 aus 1 und 2 sind.
Entsprechend wird auf diese Einzelteile nicht näher eingegangen.
Die Schwingspulen 14.1, 14.2 stützen
sich dabei analog zur in 2 dargestellten Ausführungsform
des Bedienelements gegen ein Befestigungselement 30 ab,
so dass auch hier die erweiterte Funktionalität der Schwingspulen 14.1, 14.2 als
eigene Sensorelemente möglich ist.
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Durch
das Vorhandensein zweier Sensorelemente 12.1, 12.2 entstehen
zwei Sensorflächen S1, S2 auf dem Betätigungselement 10,
auf denen eine Betätigung durch einen Bediener sehr genau
erkannt werden kann. Somit ist es beispielsweise möglich, durch
das Vorsehen einer Vielzahl von Sensorelementen 12 in einem
Betätigungselement 10, einen Nummernblock oder
mehrere nebeneinander liegende Tasten in einem Betätigungselement 10,
das beispielsweise als Holzzierteil ausgeführt ist, vorzusehen.
Das Steuerungselement 16, das in der in 3 gezeigten
Ausführungsform des Bedienelements mit beiden Sensorelementen 12.1, 12.2 sowie
beiden Schwingspulen 14.1, 14.2 verbunden ist,
eignet sich dabei zum Aussenden von elektrischen Signalen an die
Schwingspulen 14.1, 14.2, so dass diese Schwingspulen 14.1, 14.2 entsprechende
spezifische Signale über das Betätigungselement 10 an
den Bediener zurückgeben. Die Signale können dabei besonders
bevorzugt davon abhängen, welcher Sensorbereich S1, S2
durch den Bediener betätigt wurde, vor allem dann, wenn
mit je einem Sensorbereich S1, S2 eine bestimmte Funktion verbunden
ist, die durch das Sensorelement 12 via das Steuerungselement 16 und
ein entsprechendes, beispielsweise elektronisches Aggregat in einem
Fahrzeug, ausgeführt wird.
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Alternativ
ist auch denkbar, dass mehrere Sensorelemente 12.1, 12.2 an
dem Betätigungselement 10 vorhanden sind, die
Rückmeldungssignale jedoch nur durch eine Schwingspule 14 ausgegeben werden.
Die Schwingspule 14 ist dabei dazu geeignet, derart unterschiedliche
Signale auszugeben, dass auch eine Unterscheidung der ausgewählten Sensorelemente
untereinander durch eine einzige Schwingspule 14 möglich
ist.
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In
allen drei bevorzugten Ausführungsformen des Bedienelements
wird durch die Schwingspule 14, 14.1, 14.2 ein
periodisches Signal in einem Frequenzbereich von zwischen 15 Hz
und 20 kHz ausgesendet. Im Frequenzbereich zwischen diesen Grenzfrequenzen
sind Signale, die durch die Schwingspule 14, 14.1, 14.2 ausgesendet
werden, besonders gut tastbar bzw. hörbar. Dabei können
die ausgegebenen Signale insbesondere auch durch Überlagerung
von periodischen Signalen verschiedenster Frequenzen, die auch außerhalb
des oben genannten Frequenzbereichs liegen können, zustande
kommen. Neben ebenfalls möglichen nichtperiodischen Rückmeldungssignalen,
die durch die Schwingspule 14, 14.1, 14.2 über
das Betätigungselement 10 an den Bediener ausgegeben
werden, werden bevorzugt periodische, approximierte Signale von
der Schwingspule 14, 14.1, 14.2 emittiert.
Besonders bevorzugt werden entsprechende periodische Signale dabei
durch eine Fourier-Reihe approximiert, entstehen also durch eine
gewichtete Überlagerung sinusförmiger Schwingungen
verschiedener Frequenzen und Phasenverschiebungen.
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4 zeigt
schließlich ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens
zum Ausgeben einer Rückmeldung eines Bedienelements. Ein
Bediener B setzt das Verfahren dabei in Gang, indem er eine Betätigung 40 des
Betätigungselements 10 vornimmt. Hierzu findet
insbesondere eine Berührung einer Oberfläche eines
Holzzierteils im Innenraum eines Fahrzeugs statt.
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Ein
in, ober- oder unterhalb des Betätigungselements 10 befindliches
Sensorelement 12 überwacht das Betätigungselement 10 auf
eine Betätigung 40 durch einen Bediener B. Auf
die Registrierung 42 einer Betätigung des Betätigungselements 10 erfolgt
eine Übermittelung 44 des registrierten Ereignisses
von dem Sensorelement 12 an ein Steuerungselement 16.
Das Steuerungselement 16 bewirkt anschließend
eine Aktivierung 48 einer Schwingspule 14 zum spezifischen
Aussenden 50 eines Signals über das Betätigungselement 10 zum
Bilden eines Rückmeldungssignals 52 an den Bediener
B. Hierbei ist besonders bevorzugt, dass das Sensorelement 16 durch
ein Abrufen 46 eines Frequenzsignals aus einem Speicherelement 18 besonders
effizient arbeitet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des Bedienelements eignet
sich die Schwingspule 14 zudem dazu, ebenfalls das Betätigungselement 10 auf eine
Betätigung durch einen Bediener B hin zu überwachen.
Eine Registrierung 54 einer Betätigung des Betätigungselements 10 durch
die Schwingspule 14 wird in diesem Fall zur Übermittlung 56 eines
Signals an das Steuerungselement 16 führen. Das
Steuerungselement 16 verarbeitet in diesem Fall sowohl ein
von dem Sensorelement 12, als auch von der Schwingspule 14 ausgegebnes
Signal über eine Betätigung des Betätigungselements 10.
Hierbei ist zu beachten, dass das Steuerungselement 16 das
aktive Aussenden 50 von Signalen durch die Schwingspule 14,
die auf die Aktivierung 48 der Schwingspule 14 durch
das Steuerungselement 16 zurückzuführen sind,
von einer äußeren Betätigung des Betätigungselements
zu unterscheiden hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004052241
A1 [0005]
- - DE 10126670 A1 [0007]