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Die Erfindung betrifft eine haptikerzeugende Vorrichtung, insbesondere für einen elektrischen Schalter, mit einem Gehäuse, in dem mindestens zwei ferromagnetische Elemente angeordnet sind, von denen mindestens eines einen Permanentmagneten ausbildet, wobei jeweils eine zu einem ferromagnetischen Element gehörende erste Stirnfläche und eine zu einem weiteren ferromagnetischen Element gehörende zweite Stirnfläche in einer Grundstellung einander gegenüberstehend angeordnet sind und durch eine zwischen dem ferromagnetischen Element und dem weiteren ferromagnetischen Element anziehend wirkende Magnetkraft relativ zueinander positioniert sind. Die Erfindung betrifft außerdem einen elektrischen Schalter mit einer haptikerzeugenden Vorrichtung.
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In der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 299 05 431 U1 ist ein elektrischer Schalter mit einem solchen haptikerzeugenden Element beschrieben. Dieses Dokument schlägt verschiedene Ausführungen eines Schalters vor bei dem ein Schaltorgan gegen die magnetische Haltekraft zwischen einem Permanentmagneten und einem ferromagnetischen Schalterbauteil betätigbar ist. Wird das Schaltorgan nach der Betätigung losgelassen, bewirkt die magnetische Anziehungskraft zwischen den beiden Elementen, dass das Schaltorgan wieder in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2012 101 698 A1 zeigt eine Fahrzeug-Steuerungsvorrichtung zum handbetätigten Steuern von Fahrzeugeinrichtungen. Die Vorrichtung weist mindestens ein schwenkbares Bauteil auf, an dem ein erstes Magnetelement angeordnet ist, das mit einem zweiten Magnetelement wechselwirkt, welches ortsfest mit einem Gehäuse verbunden ist.
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Es stellte sich die Aufgabe, eine haptikerzeugende Vorrichtung zu schaffen, welche bei Betätigung in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen einen betragsmäßig ungefähr gleichen Betätigungskraftverlauf aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus wird ein Schalter vorgeschlagen, der eine erfindungsgemäße haptikerzeugende Vorrichtung aufweist.
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Die haptikerzeugende Vorrichtung weist mindestens zwei ferromagnetische Elemente auf, von denen mindestens eines als Permanentmagnet ausgebildet ist. Das mindestens eine weitere ferromagnetische Element kann entweder ebenfalls ein Permanentmagnet sein oder aber ein ferromagnetischer Körper, der aus Eisen, Nickel und/oder Kobalt hergestellt ist oder zumindest eines dieser Metalle beinhaltet. Zu den ferromagnetischen Elementen kann dabei jeweils auch ein Trägerelement gehören, welches insbesondere aus einer teilweisen oder vollständigen Kunststoffumspritzung des Metallkörpers oder des Permanentmagneten besteht.
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Die mindestens zwei ferromagnetischen Elemente werden durch ihre gegenseitig wirkende magnetische Anziehungskraft in ihrer Grundstellung an jeweils einer Anlagefläche gehalten, wobei sich Stirnflächen der ferromagnetischen Elemente in geringem Abstand gegenüberstehen. Es ist ein Betätigungselement vorgesehen, welches in zwei zu einander entgegengesetzten Richtungen senkrecht zu den Anlageflächen verschiebbar ist, wobei ein mit dem Betätigungselement gekoppeltes Ansteuerelement in der einen Betätigungsrichtung das eine und in der anderen Betätigungsrichtung das andere ferromagnetische Element von der jeweils zugehörigen Anlagefläche abhebt. Das Verschieben der ferromagnetischen Elemente erfordert jeweils eine wegabhängige Kraft, die für beide Betätigungsrichtungen betragsmäßig ungefähr den gleichen Verlauf aufweist. Der Kraftverlauf zeichnet sich durch einen hohen Anfangswert aus und fällt danach linear ab, was besonders für Schalteranwendungen eine günstige Betätigungshaptik ergibt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei ferromagnetische Elemente beide als Permanentmagnete ausgebildet sind. Hierdurch ergeben sich relativ große magnetische Anziehungskräfte. Zudem zentrieren sich die beiden Permanentmagnete gegenseitig in einer definierten Ausgangsposition.
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In weiteren Ausgestaltungen kann die haptikerzeugende Vorrichtung auch mehr als zwei ferromagnetische Elemente aufweisen.
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Gegenüber vorbekannten haptikerzeugenden Vorrichtungen, welche eine Haptik durch Reibelemente oder Federn generieren, zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch einen besonders einfachen, verschleiß- und geräuscharmen Aufbau aus.
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Die haptikerzeugende Vorrichtung kann vorteilhaft ein Teil eines elektrischen Schalters, wie beispielsweise eines kombinierten Zug-Druckschalters oder eines elektrischen Wippschalters sein. Dabei ist es besonders vorteilhaft, an der haptikerzeugenden Vorrichtung einen Magnetsensor vorzusehen, durch den ein besonders verschleißarmer kontaktloser Schalter realisiert werden kann.
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Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen haptikerzeugenden Vorrichtung sowie von elektrischen Schaltern, die eine solche Vorrichtung aufweisen anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer haptikerzeugenden Vorrichtung,
- 2 eine realitätsnähere Darstellung der haptikerzeugenden Vorrichtung,
- 3 die Betätigung der haptikerzeugenden Vorrichtung in einer ersten Betätigungsrichtung,
- 4 die Betätigung der haptikerzeugenden Vorrichtung in einer zweiten Betätigungsrichtung,
- 5 ein Kraft-Weg-Diagramm der haptikerzeugenden Vorrichtung,
- 6 eine erste Ausführung eines Schalters mit einer haptikerzeugenden Vorrichtung,
- 7 eine zweite Ausführung eines Schalters mit einer haptikerzeugenden Vorrichtung,
- 8 eine weitere Ausführung einer haptikerzeugenden Vorrichtung.
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Die 1 und 2 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen haptikerzeugenden Vorrichtung 1 und zwar in der 1 in einer stark schematischen und in der 2 in einer realitätsnäheren Darstellung.
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Die haptikerzeugende Vorrichtung 1 weist zwei ferromagnetische Elemente 3, 4 auf, die einander magnetisch anziehen. Es ist daher erforderlich, dass mindestens eines der ferromagnetischen Elemente 3 einen Permanentmagneten ausbildet. Das andere ferromagnetische Element 4 kann entweder ebenfalls als Permanentmagnet oder aber als unmagnetisierter Metallkörper mit ferromagnetischen Eigenschaften ausgeführt sein. Der Metallkörper besteht dabei vorzugsweise aus Eisen, Nickel oder Kobalt oder weist zumindest eines dieser Materialien auf.
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Oftmals ist es vorteilhaft, wenn, wie hier dargestellt, beide ferromagnetische Elemente 3, 4 als Permanentmagnete ausgeführt sind, da sich so mit geringem Aufwand relativ große magnetische Kräfte zwischen den beiden ferromagnetischen Elementen 3, 4 realisieren lassen. Die ferromagnetischen Elemente 3, 4 werden daher in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit beide als Permanentmagnete 3, 4 bezeichnet.
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In ihrer durch äußere Einwirkungen unbeeinflussten Grundstellung liegen die beiden Permanentmagnete 3, 4 an Anlageflächen 7, 8 an, die relativ zu einem die Permanentmagnete 3, 4 umgebenden Gehäuse 2 feststehend angeordnet sind. Durch anziehend wirkende Magnetkräfte sind die Permanentmagnete 3, 4 erstens relativ zueinander und zweitens an den Anlageflächen 7, 8 fixiert.
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In der 2 ist erkennbar, dass die Anlageflächen 7, 8 durch an Innenwänden des Gehäuses 2 angebrachte Anformungen 12 ausgebildet sein können. Insbesondere kann - hier bildlich nicht dargestellt - auch vorgesehen sein, dass die Anformungen 12 durch einen umlaufend an den inneren Wänden des Gehäuses 2 verlaufenden Steg gebildet werden. In der 2 sind die Permanentmagnete 3, 4 als zwei einander gegenüberstehende flache Ringmagnete ausgeführt, die jeweils in einem Trägerelement 13, 14 eingefasst sind, wobei Randabschnitte der Trägerelemente 13, 14 an den Anlageflächen 7, 8 anliegen. Die Trägerelemente 13, 14 können beispielsweise durch eine Kunststoffumspritzung von Außenflächen der Permanentmagnete 3, 4 hergestellt sein.
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In der einfacheren 1 wird auf eine Darstellung der Trägerelemente verzichtet. Die Permanentmagnete 3, 4 weisen eine erste und eine zweite Stirnfläche 5, 6 auf, die in der in der 1 dargestellten Grundstellung in geringem Abstand einander gegenüberstehen. In der 1 ist zwischen den beiden Stirnflächen 5, 6 ein schmaler Luftspalt 17 erkennbar, dessen Breite maßgeblich die Kraftcharakteristik der haptikerzeugenden Vorrichtung 1 mitbestimmt. Die Breite des Luftspalts 17 kann auch gegen Null gehen, so dass die Permanentmagnete 3, 4 einander berühren können.
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Durch Ausnehmungen, die zueinander fluchtend in beide Permanentmagnete 3, 4 und in Wände des Gehäuses 2 eingebracht sind, ist ein stabförmiges Betätigungselement 9 geführt und gegen die Permanentmagnete 3, 4 in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen verschiebbar angeordnet. Zwischen den Permanentmagneten 3, 4 ist das Betätigungselement 9 mit einem Ansteuerelement 10 verbunden, welches breiter ausgeführt ist als der Durchmesser der Ausnehmungen in den Permanentmagneten 3, 4. Das Ansteuerelement 10 trifft bei einer Verschiebung in jeder der beiden möglichen Bewegungsrichtungen des Betätigungselements 9 jeweils auf eine äußere Fläche eines Permanentmagneten 3, 4 und führt diesen bei seiner Bewegung mit sich, wodurch der jeweilige Permanentmagnet 3 bzw. 4 von seiner Anlagefläche 7 bzw. 8 abgehoben wird.
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Die 3 und 4 verdeutlichen die beiden möglichen Bewegungen des Betätigungselements 9 an der haptikerzeugenden Vorrichtung 1. Wirkt eine äußere Kraft F, die größer ist als die magnetische Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 3, 4 von oben auf das Betätigungselement 9, wie in der 3 dargestellt, so verschiebt das Ansteuerelement 10 das untere Trägerelement 14 zusammen mit dem darin eingefassten Permanentmagneten 4 nach unten.
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Umgekehrt hebt, entsprechend der Darstellung der 4, bei einer auf das Betätigungselement 9 einwirkende Zugkraft, das Ansteuerelement 10 den oberen Permanentmagneten 3 von seiner Anlagefläche 7 ab und verschiebt den Permanentmagneten 3 nach oben. Da die Länge des möglichen Verschiebungswegs durch die Wände des Gehäuses 2 begrenzt ist, bleibt die Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 3, 4 auch nach der Verschiebung des oberen Permanentmagneten 3 ausreichend stark, um den unteren Permanentmagneten 4 an seiner Anlagefläche 8 zu halten.
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Der Betrag |F| der Betätigungskraft F über den Betätigungsweg s des Betätigungselements 9 ist für beide Betätigungsrichtungen der haptikerzeugenden Vorrichtung 1 in der 5 skizziert. Die an den Achsen angegebenen Zahlenwerte gelten selbstverständlich nur für eine spezielle Realisierung der haptikerzeugenden Vorrichtung und sind daher rein beispielhaft zu verstehen. Die Verschiebung des Betätigungselements 9 und der Permanentmagnete 3, 4 erfolgte in einer horizontalen Richtung, so dass unterschiedliche Kraftbeiträge durch die Gewichtskräfte der Permanentmagnete 3, 4 in den Betätigungsrichtungen hier nicht auftreten.
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Der Verlauf der auf das Betätigungselement 9 aufzubringenden Kraft F kann in vier Wegabschnitte A bis D unterteilt werden. Im ersten Wegabschnitt A hat das Ansteuerelement 10 noch keinen Kontakt zu einem der Permanentmagnete 3, 4, so dass das Betätigungselement 9 hier praktisch ohne Kraftaufwand bewegt werden kann. Die Breite des Wegabschnitts A ist durch das Bewegungsspiel des Ansteuerelements 10 gegeben.
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Um die beiden Permanentmagnete 3, 4 voneinander zu lösen, ist ein relativ hoher Kraftaufwand erforderlich, wodurch im Wegabschnitt B der Betrag |F| der Betätigungskraft F steil ansteigt. Während des Verschiebens des Ansteuerelement 10 sinkt der Betätigungskraftbetrag |F| im Wegabschnitt C bedingt durch die sich mit zunehmendem Abstand verringernde Anziehungskraft zwischen den Permanentmagneten 3, 4 kontinuierlich ab. Dadurch ergibt sich eine wunschgemäße Haptik mit einer abfallenden Kraft F über den Betätigungsweg s. Im Wegabschnitt D ergibt sich ein weiterer steiler Kraftanstieg, wenn der mit dem Ansteuerelement 10 mitgeführte Permanentmagnet 3, 4 auf eine der Anschlagflächen 15, 16 trifft, die insbesondere durch innere Wände des Gehäuses 2 gebildet werden.
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Die Haptik der haptikerzeugenden Vorrichtung wird wesentlich durch den steilen Kraftanstieg im Wegabschnitt B bestimmt, der insbesondere durch die Art der verwendeten Permanentmagnete 3, 4 und durch die Breite des Luftspalts 17, also des anfänglichen Abstands der beiden Permanentmagnete 3, 4 beeinflusst ist. Bei sich in der Grundstellung berührenden Permanentmagneten 3, 4 kann dieser Kraftanstieg sehr hohe Werte annehmen, so dass das Vorsehen eines Luftspalts 17 in vielen Fällen vorteilhaft ist.
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Die haptikerzeugende Vorrichtung 1 kann vorzugsweise zur Erzeugung einer Schalthaptik vorgesehen werden und zwar insbesondere bei elektrischen Schaltern, die in zwei Betätigungsrichtungen möglichst gleichartige Betätigungskraftverläufe aufweisen sollen.
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Zwei Ausführungsbeispiele von Schaltern mit einer haptikerzeugenden Vorrichtung 1 sind in den 6 und 7 skizziert. Die 6 stellt schematisch einen kombinierten Zug-Druckschalter dar, bei dem mit dem Betätigungselement 9 ein Schalterknopf 19 gekoppelt ist. Eine Verschiebung des Betätigungselements 9 und der damit gekoppelten Permanentmagnete 3, 4 kann durch ein Druck- oder eine Zugeinwirkung auf den Schalterknopf 19 erfolgen.
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Die 7 zeigt das Prinzip eines Wippschalters, dessen Schaltwippe 20 mit dem Betätigungselement 9 eines haptikerzeugenden Vorrichtung 1 gekoppelt ist. Durch Druck auf einen der Wippenarme 21, 22 wird entweder eine Druck- oder eine Zugkraft auf das Betätigungselement 9 übertragen. Da beide Betätigungsarten der haptikerzeugenden Vorrichtung 1 einen annähernd gleich großen Kraftaufwand erfordern, und zudem beiden Wippenarme 21, 22 symmetrisch zur Lagerstelle 23 der Schaltwippe 20 ausgebildet sind, ist auch die Schalthaptik für beide durch die Betätigung Schaltwippe 20 auslösbaren Schaltfunktionen nahezu gleich.
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Beide in den 6 und 7 skizzierten Schalter können vorteilhaft als kontaktlose Schalter ausgeführt werden, indem der Schaltzustand durch einen verschleißfreien kontaktlosen Magnetsensor 11 - vorzugsweise ausgeführt als Hall-Sensor - erfasst wird, der beispielsweise an einer Außenseite des Gehäuses 2 der haptikerzeugenden Vorrichtung 1 angeordnet ist. Aus der am Ort des Magnetsensors 11 erfassten Magnetfeldstärke ist bestimmbar, ob sich die Permanentmagnete 3, 4 in ihrer Grundstellung oder in einer verschobenen Position gemäß einer Schalterbetätigung befinden.
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Zur Ausbildung der haptikerzeugenden Vorrichtung 1 können auch mehr als zwei ferromagnetische Elemente vorgesehen werden, wodurch sich die Eigenschaften der haptikerzeugenden Vorrichtung variieren lassen. In der 8 ist eine alternative Ausführung der haptikerzeugenden Vorrichtung dargestellt, welches drei ferromagnetische Elemente 3, 4, 18 aufweist. Zusätzlich zu zwei Permanentmagneten 3, 4 ist hier eine dünne Eisenplatte 18 fest in das Gehäuse 2 eingesetzt. Diese befindet sich etwa an der Stelle, an der das haptikerzeugenden Element der 1 einen Luftspalt 17 vorsieht.
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Die Permanentmagnete 3, 4 ziehen sich hier nicht gegenseitig an, sondern sind in ihrer in der 8 dargestellten Grundstellung mit beiden Hauptflächen der Eisenplatte 18 verbunden, die damit zugleich die Anlageflächen 7, 8 für die Permanentmagnete 3, 4 ausbilden. Eine Bewegung des Betätigungselements 9 löst je nach Betätigungsrichtung entweder den einen oder den anderen Permanentmagneten 3, 4 von der Eisenplatte 18 ab, wodurch jeweils die Betätigungshaptik generiert wird.
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Zu den beispielhaft dargestellten Ausführungsformen sind zahlreiche Ausführungsvarianten vorstellbar, die zum Umfang der Erfindung zu rechnen sind. Beispielsweise kann an der Stelle eines Luftspalts auch ein nichtmagnetischer plattenförmiger Körper vorgesehen werden, der zugleich Anlageflächen für Permanentmagnete ausbildet.
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Es können auch ein oder mehrere Permanentmagnete in einem Gehäuse feststehend angeordnet werden, und durch ein Betätigungselement Eisenteile relativ zu den Permanentmagneten verschoben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Haptikerzeugende Vorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- ferromagnetisches Element (insbesondere Permanentmagnet)
- 4
- ferromagnetisches Element (insbesondere Permanentmagnet)
- 5
- erste Stirnfläche
- 6
- zweite Stirnfläche
- 7
- Anlagefläche
- 8
- Anlagefläche
- 9
- Betätigungselement
- 10
- Ansteuerelement
- 11
- Magnetsensor
- 12
- Anformungen
- 13
- Trägerelement
- 14
- Trägerelement
- 15
- Anschlagfläche
- 16
- Anschlagfläche
- 17
- Luftspalt
- 18
- ferromagnetisches Element (insbesondere Eisenplatte)
- 19
- Schalterknopf
- 20
- Schaltwippe
- 21
- Wippenarm
- 22
- Wippenarm
- 23
- Lagerstelle
- A, B, C, D
- Wegabschnitte
- F
- (Betätigungs-)kraft
- |F|
- Betrag der (Betätigungs-)kraft
- s
- Betätigungsweg
