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Die Erfindung betrifft ein Schaltbedienfeld nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiges Schaltbedienfeld kann ein oder auch mehrere Schaltelemente zur manuellen Betätigung aufweisen. Das Schaltbedienfeld, das vorzugsweise mit geschlossener Oberfläche ausgestattet ist, kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Ein solches Schaltbedienfeld weist eine Betätigungsfläche für die manuelle Einwirkung mittels eines Elements durch den Benutzer auf. Insbesondere kann es sich bei dem Element um den Finger einer menschlichen Hand handeln, mit dessen Hilfe die Betätigung der Schaltelemente des Schaltbedienfeldes erfolgt. Die Betätigungsfläche wirkt dabei mit einem Sensor derart zusammen, dass der Sensor bei Annäherung des Elements an die Betätigungsfläche und/oder bei Berührung der Betätigungsfläche mittels des Elements und/oder bei Druckeinwirkung mittels des Elements auf die Betätigungsfläche ein Signal erzeugt. Das Signal dient zum Schalten und/oder Auslösen einer dem jeweiligen Schaltelement im Schaltbedienfeld zugeordneten Funktion in der Art eines Schaltsignals. Es mangelt dem Schaltbedienfeld jedoch an einer vom Benutzer wahrnehmbaren Haptik.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schaltbedienfeld derart weiterzuentwickeln, dass eine Haptik geschaffen ist.
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Insbesondere soll eine einstellbare Haptik bei Bedienfeldern mit geschlossenen Oberflächen ohne Einsatz eines herkömmlichen, bisher die Haptik erzeugenden Schaltelements, wie einen elektrischen Schalter, eine Schaltmatte o. dgl., realisiert werden. Bei bisherigen Schaltbedienfeldern, die allerdings keine geschlossene Oberfläche aufweisen, werden herkömmliche, direkt bewegliche, elektrische Schaltelemente verwendet, wobei diese Schaltelemente dann die Haptik erzeugen. Insbesondere soll die Haptik frei einstellbar ausgeführt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Schaltbedienfeld durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Beim erfindungsgemäßen Schaltbedienfeld ist ein Haptik-erzeugendes Element vorgesehen, wobei das Haptik-erzeugende Element mit der Betätigungsfläche in Wirkverbindung steht. Geschaffen ist damit ein Konzept für die haptische Erzeugung und/oder Rückmeldung mittels eines Aktuators. Vorteilhafterweise verzichtet das Konzept auf herkömmliche elektrische Schaltelemente für das Schaltbedienfeld. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer Weiterbildung steuert das vom Sensor erzeugte Signal das Haptik-erzeugende Element zu dessen Betätigung an. Die Betätigung des Haptik-erzeugenden Elements kann wiederum auf die Betätigungsfläche bewegend einwirken, was darin als haptische Rückmeldung vom Benutzer wahrgenommen wird.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Konzepts sind nun diverse haptische Effekte erzielbar. So kann zum einen das Haptik-erzeugende Element im wesentlichen senkrecht zur Betätigungsfläche betätigt werden. Und zwar vorzugsweise derart, dass das Haptik-erzeugende Element die Betätigungsfläche im wesentlichen senkrecht zu deren Oberfläche bewegt. Zum anderen kann das Haptik-erzeugende Element im wesentlichen parallel zur Betätigungsfläche betätigt werden. Und zwar vorzugsweise derart, dass das Haptik-erzeugende Element die Betätigungsfläche im wesentlichen parallel zu deren Oberfläche bewegt. Vorteilhafterweise kann somit eine Bewegung oder eine Vibration der Betätigungsfläche in unterschiedlichen Richtungen dargestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung besteht das Haptik-erzeugende Element aus einem rheologischen Element. Bei dem rheologischen Element kann es sich um ein magnetorheologisches Element und/oder um ein elektrorheologisches Element handeln. Der rheologische Effekt wird hierbei von magnetisch und/oder elektrisch polarisierbaren Partikeln erzeugt. Bei Einwirkung eines Magnetfeldes und/oder eines elektrischen Feldes erfolgt eine Kettenbildung dieser Teilchen im Magnetfeld und/oder im elektrischen Feld durch Wechselwirkungen zwischen den Dipolen. Dadurch wird eine reversible Versteifung innerhalb einiger Millisekunden in dem rheologischen Element bewirkt, so dass mittels des rheologischen Elements entsprechende Krafteinwirkungen auf die Betätigungsfläche ausgeübt werden.
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In noch weiterer Ausgestaltung handelt es sich bei dem magnetorheologischen und/oder elektrorheologischen Element um ein magnetorheologisches und/oder elektrorheologisches Elastomer. Ein solches rheologisches Elastomer besteht aus einem Kompositmaterial von magnetisch und/oder elektrisch polarisierbaren Partikeln in einer weichen Elastomermatrix. Wiederum erfolgt eine Verhärtung im Magnetfeld und/oder im elektrischen Feld durch die Wechselwirkungen zwischen den magnetischen und/oder elektrischen Dipolen der Partikel. Dabei wird eine Überlagerung von magnetischen und/oder elektrischen sowie elastischen Kräften erzielt, wodurch eine besonders ansprechende Haptik erreicht wird.
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Zweckmäßigerweise steht ein Übertragungselement sowohl mit dem rheologischen Element als auch mit der Betätigungsfläche in Berührung. Dadurch ist die Einwirkung des rheologischen Elements auf die Betätigungsfläche übertragbar. Vorteilhafterweise ist somit eine weitgehend freie Anordnung des rheologischen Elements ermöglicht.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Betätigungsfläche eine Blende sowie gegebenenfalls einen Blendenträger. Es bietet sich dabei an, dass die Betätigungsfläche an einem Trägerteil beweglich gelagert ist. Vorteilhafterweise erhält man dadurch eine besonders kompakte Anordnung.
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Zweckmäßigerweise weist das Schaltbedienfeld ein Gehäuse zur Aufnahme der Betätigungsfläche auf, so dass das Schaltbedienfeld als ein separates, vormontierbares Bauteil hergestellt werden kann. Das Schaltbedienfeld lässt sich dann in einfacher Art und Weise im Kraftfahrzeug montieren. Das Gehäuse kann derart ausgestaltet sein, dass die Betätigungsfläche einen an einer Seite des Gehäuses befindlichen Abschluss darstellt und somit eine im wesentlichen geschlossene Oberfläche am Gehäuse bildet. Damit ist das Schaltbedienfeld auch gegenüber rauen Einflüssen im Kraftfahrzeug robust ausgebildet. Der Einfachheit halber bietet es sich an, das Haptik-erzeugende Element auf einer Leiterplatte anzuordnen. Zum Schutz vor Fremdeinflüssen kann die Leiterplatte im Gehäuse befindlich sein.
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Für eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltbedienfeldes ist nachfolgendes festzustellen.
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Als Aktuator werden rheologische Materialien eingesetzt, die im Bedienfeld aufgenommen werden. Bei elektrischer und/oder magnetischer Ansteuerung der rheologischen Materialien wird über ein Formelement, das direkt mit der Bedienoberfläche verbunden ist, eine für den Bediener wahrnehmbare Haptik erzeugt. Aufgrund des physikalischen Prinzips, nämlich des elektro- und/oder magnetorheologischen Effekts, wandelt das rheologische Element die elektrische und/oder magnetische Energie im elektrischen und/oder magnetischen Feld in mechanische Energie um. Dabei verformt sich das rheologische Element je nach Ansteuerung über das elektrische und/oder magnetische Feld und ist so „frei sowie feinfühlig” einstellbar.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Möglichkeit geschaffen ist, um die Haptik ohne herkömmliche Schaltelemente mit Weg zu realisieren. Vorteilhafterweise erhält man ein Bedienfeld mit annähernd „Nullweg” und bei Bedarf auch mit „Nullkraft”. Desweiteren kann durch die elektrische und/oder magnetische Ansteuerung die Haptik „frei programmiert” werden und ist nicht starr von dem ansonsten eingesetzten Schaltelement abhängig. Somit sind Bedienfelder mit unterschiedlichen haptischen Rückmeldungen für bestimmte Schaltfunktionen realisierbar. Schließlich ist das Schaltelement beziehungsweise Schaltbedienfeld auch besonders kostengünstig.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
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1 ein Bedienfeld für ein Kraftfahrzeug in perspektivischer Ansicht,
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2 ein im Bedienfeld angeordnetes Schaltelement im Schnitt entlang der Linie 2-2 in 1 und
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3 eine Prinzipskizze zur Wirkungsweise des im Schaltelement befindlichen rheologischen Elements.
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In 1 ist ein Schaltbedienfeld 1 für ein Kraftfahrzeug mit einer Betätigungsfläche 3 zu sehen, an dem einzelne Bereiche 2 in der Art von Schaltelementen zur Auslösung und/oder Bedienung verschiedener Funktionen im Kraftfahrzeug angeordnet sind. Beispielsweise kann es sich bei dem Bedienfeld 1 um ein solches zur Bedienung der Klimaanlage im Kraftfahrzeug handeln, wobei mittels der Schaltelemente 2 die Temperatur im Kraftfahrzeug, die Lüftung, das Frontscheibengebläse o. dgl. durch den Benutzer einstellbar ist. An der Betätigungsfläche 3 ist für die Schaltelemente 2 ein Funktionssymbol 16 zur Darstellung der mittels des Schaltelementes 2 auslösbaren Funktion sowie eine Funktionsanzeige 17 zur Darstellung des Zustandes (Ein/Aus) der jeweiligen Funktion angeordnet, wobei das Funktionssymbol 16 sowie die Funktionsanzeige 17 beleuchtbar sind.
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Das Bedienfeld 1 besitzt ein Gehäuse 4, an dessen Oberseite die Betätigungsfläche 3 befindlich ist. Wie der 1 zu entnehmen ist, weist die Betätigungsfläche 3 eine geschlossene Oberfläche auf, womit das Bedienfeld 1 vor schädlichen äußeren Einflüssen weitgehend geschützt ist. Die Schaltelemente 2 sind dadurch betätigbar, indem der Benutzer mittels eines Elements 18 auf den entsprechenden Bereich 2 der Betätigungsfläche 3 manuell einwirkt. Bei dem Element 18 handelt es sich insbesondere um einen Finger der menschlichen Hand des Benutzers.
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Wie man in 2 sieht, befindet sich im Gehäuse 4 eine Leiterplatte 5, auf der nicht weiter gezeigte elektrische/elektronische Bauteile, beispielsweise Leuchtdioden zur Beleuchtung der Betätigungsfläche 3, und zwar insbesondere zur Beleuchtung der Funktionssymbole 16 und/oder der Funktionsanzeigen 17 angeordnet sind. Im Gehäuse 4 befindet sich eine Halterung 12 für die Leiterplatte 5. Anhand der 2 erkennt man weiter, dass die Betätigungsfläche 3 eine Blende 13 sowie einen Blendenträger 14 umfasst. Die solcherart aufgebaute Betätigungsfläche 3 ist an einem Trägerteil 15 im Gehäuse 4 beweglich gelagert.
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Das manuelle Einwirken des Fingers 18 auf die Betätigungsfläche 3 wird mittels eines Sensors detektiert. Beispielsweise kann es sich dabei um einen im Gehäuse 4 befindlichen kapazitiven Sensor, einen magnetischen Sensor, einen elektromechanischen Sensor o. dgl. handeln.
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Für einen kapazitiven Sensor kann mittels Anlegen einer elektrischen Spannung ein elektrisches Feld im Bereich der Betätigungsfläche 3 erzeugt werden. Die Betätigungsfläche 3 wirkt dann mit dem kapazitiven Sensor derart zusammen, dass der Sensor bei Annäherung des Elements 18 an die Betätigungsfläche 3 und/oder bei Berührung der Betätigungsfläche 3 mittels des Elements 18 ein Signal erzeugt. Hierfür wird die Veränderung des elektrischen Feldes durch die Annäherung des Fingers 18 an den jeweiligen Bereich 2 und/oder durch die Berührung des jeweiligen Bereichs 2 durch den Finger 18, insbesondere die kapazitive Veränderung, ausgewertet.
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Für einen magnetischen Sensor kann ein Magnet an der dem Inneren des Gehäuses 4 zugewandten Seite der Betätigungsfläche 3 angeordnet sein. Dem Magnet ist ein Hallsensor zugeordnet, der sich im Gehäuse 4, beispielsweise auf der Leiterplatte 5, befindet. Bei Druckeinwirkung mittels des Fingers 18 auf die Betätigungsfläche 3 biegt sich die Betätigungsfläche 3 geringfügig durch, so dass der Magnet dementsprechend bewegt wird, wobei diese Bewegung des Magneten mittels des Hallsensors detektiert wird. Somit wirkt die Betätigungsfläche 3 mit dem magnetischen Sensor derart zusammen, dass der magnetische Sensor bei Druckeinwirkung mittels des Elements 18 auf den jeweiligen Bereich 2 der Betätigungsfläche 3 ein Signal erzeugt, indem die Veränderung des magnetischen Feldes ausgewertet wird.
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Als elektromechanischer Sensor kann ein Dehnungsmessstreifen (DMS) Verwendung finden, auf den die Durchbiegung des jeweiligen Bereichs 2 der Betätigungsfläche 3 verformend einwirkt. Diese Verformung des Dehnungsmessstreifens bewirkt dann eine Veränderung von dessen elektrischen Widerstand. Die Veränderung des elektrischen Widerstands wird dann wiederum für die Erzeugung des Signals ausgewertet.
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Das von dem Sensor erzeugte Signal lässt sich entsprechend auswerten und dient dann zum Schalten und/oder Auslösen der jeweiligen Funktion im Kraftfahrzeug in der Art eines Schaltsignals. Wenigstens eines der Signale, die von dem dem jeweiligen Bereich 2 zugeordneten Sensor erzeugt werden, und/oder ein weiteres aufgrund der Auswertung der von dem Sensor erzeugten Signale veranlasst weiterhin die Erzeugung einer Haptik für das Schaltbedienfeld 1. Hierfür ist ein in 2 gezeigtes Haptik-erzeugendes Element 7 vorgesehen, welches mit der Betätigungsfläche 3 in Wirkverbindung steht. Das entsprechende Signal steuert nun das Haptik-erzeugende Element 7 zu dessen Betätigung an. Die Betätigung des Haptik-erzeugenden Elements 7 wirkt dann auf die Betätigungsfläche 3 bewegend ein, was als entsprechende Haptik vom Finger 18 des Benutzers wahrgenommen wird.
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Zum einen kann das Haptik-erzeugende Element 7 im wesentlichen senkrecht zur Betätigungsfläche 3 betätigt werden. Dadurch bewegt das Haptik-erzeugende Element 7 die Betätigungsfläche 3 ebenfalls im wesentlichen senkrecht zu deren Oberfläche. Zum anderen kann das Haptik-erzeugende Element 7 im wesentlichen parallel zur Betätigungsfläche 3 bewegt werden. Dadurch bewegt das Haptik-erzeugende Element 7 die Betätigungsfläche 3 im wesentlichen parallel zu deren Oberfläche. Schließlich kann das Haptik-erzeugende Element 7 sowohl senkrecht als auch parallel zur Betätigungsfläche 3 bewegt werden, womit eine Überlagerung von senkrechter sowie paralleler Bewegung der Betätigungsfläche 3 für einen besonderen haptischen Effekt erzielt wird.
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Das Haptik-erzeugende Element 7 besteht aus einem rheologischen Element. Bei dem rheologischen Element 7 kann es sich um ein magnetorheologisches Element und/oder um ein elektrorheologisches Element handeln. Dabei kann das magnetorheologische und/oder elektrorheologische Element 7 als ein Elastomer ausgestaltet sein. Wie in 2 zu sehen ist, ist das Haptik-erzeugende Element 7 auf der im Gehäuse 4 befindlichen Leiterplatte 5 angeordnet. Damit die Einwirkung des rheologischen Elements 7 auf die Betätigungsfläche 3 übertragbar ist, steht ein Übertragungselement 9 sowohl mit dem rheologischen Element 7 als auch mit der Betätigungsfläche 3 in Berührung. Das Übertragungselement 9 ist in der Halterung 12 beweglich gelagert sowie geführt.
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Wie man anhand der Prinzipskizze gemäß 3 sieht, werden durch die Wechselwirkungen eines magnetischen und/oder elektrischen Feldes mit dem rheologischen Element 7 Kräfte erzeugt, die zu entsprechenden Bewegungen 8 des rheologischen Elements 7 führen. Die in 3 gezeigten Bewegungen 8 des rheologischen Elements 7 werden somit der Betätigungskraft 10, die der Benutzer auf die Betätigungsfläche 3 ausübt, überlagert, womit der Benutzer eine entsprechende Haptik empfindet. Die Art der Haptik kann durch entsprechende Ansteuerung 11 des elektrischen und/oder magnetischen Feldes mittels einer Elektronik 6 erzeugt werden.
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Es ist weiter hervorzuheben, dass das rheologische Element 7 auch als Sensor zur Erzeugung des Signals verwendbar ist. Hierfür wirkt die durch den Benutzer auf die Betätigungsfläche 3 ausgeübte Betätigungskraft 10 mittels des Übertragungselements 9 auf das rheologische Element 7 ein. Dadurch wird wiederum ein entsprechendes elektrisches und/oder magnetisches Feld mittels des rheologischen Elements 7 erzeugt, welches zur Erzeugung des Signals ausgewertet wird. Anschließend kann dann das Signal wiederum zur Ansteuerung des rheologischen Elements 7 für die Erzeugung der gewünschten Haptik auf die Betätigungsfläche 3 dienen.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So kann das erfindungsgemäße Schaltelement 2 nicht nur in Bedienfeldern 1 für Kraftfahrzeuge sondern auch in sonstigen Bedienfeldern, die mit einer programmierbaren Haptik versehen sein sollen, beispielsweise an Hausgeräten, Audiogeräten, Videogeräten, Telekommunikationsgeräten o. dgl., Verwendung finden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltbedienfeld/Bedienfeld
- 2
- Bereich/Schaltelement
- 3
- Betätigungsfläche
- 4
- Gehäuse
- 5
- Leiterplatte
- 6
- Elektronik
- 7
- Haptik-erzeugendes Element/rheologisches Element
- 8
- Bewegung (von rheologischem Element)
- 9
- Übertragungselement
- 10
- Betätigungskraft
- 11
- Ansteuerung (des Feldes)
- 12
- Halterung
- 13
- Blende
- 14
- Blendenträger
- 15
- Trägerteil
- 16
- Funktionssymbol
- 17
- Funktionsanzeige
- 18
- Element/Finger
