-
Die Erfindung betrifft eine manuelle Eingabevorrichtung für ein Kraftfahrzeug zum Erfassen einer manuellen Eingabeaktion mit einem Betätigungselement zur Erzeugung eines Eingabesignals in Abhängigkeit der manuellen Eingabeaktion, und zumindest einem ersten Aktor, welcher mit dem Betätigungselement mechanisch gekoppelt ist, zur Anregung einer mechanischen Schwingung des Betätigungselements als haptische Rückmeldung auf einen Beginn und/oder ein Ende der manuellen Eingabeaktion. Die Eingabevorrichtung umfasst des Weiteren eine Steuereinheit, welche mit dem Betätigungselement gekoppelt und dazu ausgelegt ist, den jeweiligen Zeitpunkt des Beginns und des Endes der manuellen Eingabeaktion aus dem Eingabesignal zu ermitteln und den ersten Aktor in einem vorgebbaren ersten Zeitintervall nach einer vorgebbaren zeitlichen Verzögerung gegenüber dem jeweiligen Zeitpunkt des Beginns und des Endes der manuellen Eingabeaktion zu aktivieren, und einen Sensor, welcher mit dem Betätigungselement gekoppelt ist, zur Bereitstellung eines Sensorsignals an die Steuereinheit in Abhängigkeit einer Bewegung des Betätigungselement. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Eingabevorrichtung. Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer manuellen Eingabeaktion durch eine Eingabevorrichtung, welche zumindest einen ersten Aktor und einen Sensor, die mit einem Betätigungselement gekoppelt sind, sowie eine Steuereinheit aufweist, mit den Schritten: Erzeugen eines Eingabesignals in Abhängigkeit der manuellen Eingabeaktion durch das Betätigungselement, Anregung einer mechanischen Schwingung des Betätigungselements als haptische Rückmeldung auf einen Beginn und/oder ein Ende der manuellen Eingabeaktion durch den zumindest einen ersten Aktor, sowie Ermitteln eines jeweiligen Zeitpunkts des Beginns und des Endes der manuellen Eingabeaktion aus dem Eingabesignal durch die Steuereinheit. Weitere Schritte des Verfahrens sind Aktivieren des ersten Aktors in einem vorgebbaren ersten Zeitintervall nach einer vorgebbaren zeitlichen Verzögerung nach dem jeweiligen Zeitpunkt sowie Bereitstellen eines Sensorsignals an die Steuereinheit in Abhängigkeit einer mechanischen Anregung des Sensors durch das Betätigungselement mittels des Sensors, welcher mit dem Betätigungselement gekoppelt ist.
-
Aufgrund der hohen Gestaltungsfreiheit finden Touchpads oder Touchscreens vermehrt Einzug in den Kraftfahrzeugbereich. Touchpads oder Touchscreens haben im Allgemeinen keine haptische beziehungsweise taktile Rückmeldung. Wenn man eine Funktion auslöst, dann „klickt” es nicht am Finger. Bei aktuellen Smartphones gibt es Modelle, die eine Vibration erzeugen können und somit eine haptische Rückmeldung besitzen. Diese haptische Rückmeldung unterscheidet sich allerdings deutlich von der einer als hochwertig empfundenen mechanischen Taste. Eine mechanische Taste klickt eher impulsartig und vibrationsarm.
-
Es gibt Bemühungen, die von mechanischen Tasten bekannte haptische Rückmeldung auch bei Touchscreens und Touchpads durch Aktoren nachzubilden. Um die impulsartige Charakteristik zu gewährleisten, muss die erzeugte mechanische Auslenkung stark gedämpft sein. Diese Dämpfung lässt sich über mechanische Komponenten wie zum Beispiel Elastomere oder auch durch eine intelligente Ansteuerung der Aktorik erreichen. In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2013 007 962 A1 ein Verfahren zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik eines Betätigungselements, wobei ein Beginn und/oder ein Ende einer manuellen Betätigung des Betätigungselements erfasst wird, mittels eines Aktuators ein vorgegebener mechanischer Impuls erzeugt und mit einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung nach Erfassen des Beginns und/oder des Endes der manuellen Betätigung in das Betätigungselement eingeleitet wird. Dabei wird die starke Dämpfung durch einen sogenannten Gegenimpuls erreicht. Eine solche aktive Dämpfung kann ohne Sensor realisiert sein, allerdings sind dafür ein genaues Timing (typisch kleiner 1 Millisekunde) und geringe Schwankungen in den mechanischen Parametern des Systems notwendig. Nachteilig dabei ist, dass der Eingriff in das Dämpfungsverhalten nicht „perfekt” sein kann, wobei ein ideales Verhalten durch ein steiles Anschwingen zu Beginn der Anregung sowie nach dem Erreichen einer maximalen Auslenkung ein rasches Abklingen der Schwingung gekennzeichnet ist, wobei ein derartiger Kurvenverlauf (vergleiche
3) idealerweise lediglich einen Nulldurchgang bei einer Auslenkung x (erster Graph
34) aufweist, für eine zugehörige Geschwindigkeit v ergeben sich dann zwei und für eine zugehörige Beschleunigung a drei Nulldurchgänge.
-
In der
DE 42 30 950 C1 ist ein elektrischer Drucktastenschalter beschrieben, welcher ein elektromagnetisches Bauteil umfasst, welches mit einer Taste und einem Tastenträger verbunden ist. Das elektromagnetische Bauteil dient als Sensor für eine Ermittlung einer Tastenbewegung oder Tastenposition.
-
In der
US 2014/0 091 857 A1 ist eine Tastatur und eine Tastaturtaste beschrieben, wobei die Tastatur einen Kraftsensor umfasst, welcher eine Kraft misst, die auf die Tastaturtaste durch einen Nutzer beaufschlagt wird.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine manuelle Eingabevorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen manuellen Eingabevorrichtung sowie ein Verfahren zum Erfassen einer manuellen Eingabeaktion bereitzustellen, mit welchen der Bedienkomfort verbessert werden kann.
-
Diese Aufgabe wird durch eine manuelle Eingabevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen manuellen Eingabevorrichtung sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung geht aus von einer gattungsgemäßen Eingabevorrichtung, welche derart weitergebildet ist, dass der Sensor als Geschwindigkeitssensor zur Ermittlung des Sensorsignals in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Betätigungselements ausgebildet ist, und die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, in einem zweiten Zeitintervall basierend auf der Auswertung des Sensorsignals einen Wert für eine Kraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu ermitteln, und den ersten Aktor zur Erzeugung dieser Kraft in entgegengesetzter Richtung zu der Bewegungsrichtung des Betätigungselements anzusteuern. Entsprechend geht die Erfindung von einem gattungsgemäßen Verfahren aus, welches weitergebildet wird durch Ermitteln des Sensorsignals in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Betätigungselements durch den Sensor, welcher als Geschwindigkeitssensor ausgebildet ist, basierend auf der Auswertung des Sensorsignals Ermitteln eines Werts für eine Kraft in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit in einem zweiten Zeitintervall und Ansteuern des ersten Aktors zur Erzeugung dieser Kraft in entgegengesetzter Richtung zu der Bewegungsrichtung des Betätigungselements.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es durch Auswertung der Geschwindigkeit des Betätigungselements möglich ist, eine Gegenkraft zur künstlichen Dämpfung derart zu steuern, dass sie eine vergleichbare Charakteristik aufweist wie eine passive Dämpfung bei einem mechanischen System durch Reibung zwischen Bauteilen oder innerer Reibung innerhalb von Bauteilen beispielsweise in einem Elastomer. Ein besonderer Vorteil ist dabei die Möglichkeit, die zusätzliche künstliche Dämpfung bedarfsabhängig einzuschalten oder auszuschalten, insbesondere innerhalb der Grenzen des möglichen Ansteuerungsbereichs des ersten Aktors frei einzustellen, beispielsweise linear, nichtlinear, angelehnt an physikalische Vorbilder oder auch mit einer völlig neu definierten Charakteristik. Somit sind beliebige Zwischenformen zwischen dem schwach gedämpften Betätigungselement ohne Ansteuerung des ersten Aktors und einer stark gedämpften Anordnung des Betätigungselements durch entsprechende Ansteuerung des ersten Aktors möglich. Geeignete Aktoren zur Erzeugung einer hochwertigen haptischen Rückmeldung für Touchscreens oder Touchpads können typischerweise auf der Ausnutzung der Lorentzkraft oder der Reluktanzkraft basieren. Denkbar sind auch Aktoren, die den piezoelektrischen Effekt ausnutzen.
-
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung mittels Einsatzes eines Sensors, die aktive Dämpfung effektiver und robuster zu gestalten. Als Sensorgrößen sind prinzipiell drei Größen geeignet, nämlich Weg beziehungsweise Auslenkung und Geschwindigkeit sowie Beschleunigung. Die Erfassung der Geschwindigkeit ist dabei besonders vorteilhaft, denn die Dämpfung ist physikalisch mit der Geschwindigkeit gekoppelt. Eine Gewinnung der Geschwindigkeit durch zeitliche Integration einer Beschleunigung ist robust im Hinblick auf störende Einflüsse durch Messrauschen. Bei der Erfassung der Auslenkung ist eine zeitliche Ableitung notwendig, welche Probleme und Aufwand mit sich bringt. In der Praxis unvermeidbare Messungenauigkeiten und insbesondere überlagertes Rauschen können bei der Differentiation äußerst störend wirken, was eine umfangreiche Nachbearbeitung der gewonnenen Signale erfordert. Besser geeignet sind daher Sensoren, welche nach dem elektrodynamischen Prinzip arbeiten, beispielsweise ein elektrodynamischer Generator, bei welchem sich ein Permanentmagnet in einer Spule bewegt. Bevorzugt ist der Sensor derart ausgebildet, dass das Sensorsignal proportional von der Geschwindigkeit abhängt. Hierdurch ist eine besonders einfache Ermittlung der Kraft möglich, welche der erste Aktor erzeugen soll. Im Zusammenwirken mit einem Aktor, bei dem die erzeugte Kraft ebenfalls linear von der Ansteuerung abhängt, kann somit auf einfache Weise ein linearer Regelkreis aufgebaut werden. Als Beispiel sind hier Aktoren zu nennen, welche auf dem Prinzip der Lorentzkraft beruhen, beispielsweise durch Bewegung einer stromdurchflossenen Spule und eines Permanentmagneten gegeneinander wie bei einem Lautsprecher. Bei Verwendung eines Aktors, welcher die Reluktanzkraft nutzt, kann prinzipbedingt nur eine Anregung in ein und dieselbe Richtung erfolgen (Unipolarität). Durch einen solchen Aktor wird daher eine Dämpfung nur dann möglich, wenn das Betätigungselement nach dem Durchgang durch eine maximale Auslenkung 42 (siehe 3) wieder zurückschwingt. In diesem Punkt ändert gerade auch die Geschwindigkeit 36 ihr Vorzeichen, wodurch eine besonders einfache Detektion ermöglicht wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, den Wert für die Kraft aus der Multiplikation der Geschwindigkeit mit einem Dämpfungsparameter zu ermitteln, wobei der Dämpfungsparameter eine Abhängigkeit von der Zeit und/oder eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit aufweist. Beispielsweise kann ein Dämpfungsparameter bei einem Impulsstart 40 bis zu der maximalen Auslenkung 42 Null oder relativ klein sein, sodass das schwach gedämpfte Betätigungselement schnell seine maximale Auslenkung erreicht, und danach auf einen vorgebbaren Dämpfungsparameterwert während des Rückschwingens gesetzt werden. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass während des Rückschwingens der Dämpfungsparameter kontinuierlich weiter erhöht wird, um beispielsweise einen nahezu vollständigen Energieabbau innerhalb der ersten Halbwelle der Schwingung zu erzielen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste Aktor dazu ausgelegt sein, eine unipolare Kraft zu erzeugen, wobei die unipolare Kraft insbesondere eine Reluktanzkraft ist. Derartige Aktoren sind besonders einfach und kostengünstig herzustellen. Insbesondere ist hier auch eine sehr einfache Möglichkeit der Ansteuerung gegeben. Besonders bevorzugt können mehrere solche erste Aktoren an das Betätigungselement mechanisch gekoppelt sein, wobei durch selektive Ansteuerung der einzelnen ersten Aktoren die Krafteinwirkung auf das Betätigungselement dosiert werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Eingabevorrichtung zumindest einen zweiten Aktor aufweisen, welcher wie der erste Aktor zur Anregung der mechanischen Schwingung mit dem Betätigungselement gekoppelt ist, wobei der zweite Aktor dazu ausgelegt ist, in dem zweiten Zeitintervall passiv als Geschwindigkeitssensor zu wirken. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass Komponenten doppelt genutzt werden können. So kann durch das gleichzeitige Zusammenwirken des ersten Aktors und des zweiten Aktors ein schnelles Erreichen einer maximalen Auslenkung erzielt werden, und nach dem Passieren eines derartigen Umkehrpunktes steht der zweite Aktor als Geschwindigkeitssensor zur Verfügung, um ein Geschwindigkeitssignal bereitzustellen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung des ersten Aktors ermittelt werden kann. Ein derartiger als Sensor verwendbarer Aktor, welcher auf der Ausnutzung der Lorentzkraft basiert, kann zusätzlich zu einer ersten elektrischen Spule, welche als Erregerspule zur Ansteuerung des Aktors dient, eine zweite elektrische Spule als Messspule aufweisen, welche für die Erzeugung eines geeigneten Sensorsignals optimiert ist. Beispielsweise kann es so möglich sein, bei insgesamt vier Aktoren einen der Aktoren als Sensor und drei als Aktoren für die Erhöhung der Dämpfung zu verwenden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Aktor derart ausgebildet, dass er den Sensor darstellt. Somit kann beispielsweise auch eine Eingabevorrichtung derart realisiert sein, dass in einer minimalen Ausbaustufe zwei Aktoren vorhanden sind, wobei der zweite Aktor in dem zweiten Zeitintervall die Funktion des Sensors als Geschwindigkeitssensor übernimmt. Zweckmäßigerweise sind derartige Aktoren nach dem elektrodynamischen Prinzip aufgebaut, welche sowohl motorisch als auch generatorisch arbeiten können. Wenn auch der erste Aktor nach diesem Prinzip ausgebildet ist, kann die Dämpfung beliebig während des gesamten Abklingvorgangs der Schwingung des Betätigungselements erfolgen, unabhängig von dem gerade vorliegenden Vorzeichen der Geschwindigkeit des Betätigungselements.
-
Bevorzugt kann ein Kraftfahrzeug eine derartige Eingabevorrichtung aufweisen, wodurch sich ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ergibt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Betreiben des Sensors in dem ersten Zeitintervall als zweiter Aktor. Hierdurch ist, wie bereits beschrieben, eine doppelte Ausnutzung vorhandener Komponenten möglich, wobei gleichzeitig die Anregungskraft, welche auf das Betätigungselement zu Beginn der Anregung einwirkt, vergrößert werden kann.
-
Die für die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung beschriebenen Vorteile und Merkmale sowie Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Folglich können für Vorrichtungsmerkmale entsprechende Verfahrensmerkmale und umgekehrt vorgesehen sein.
-
Im Folgenden ist die Erfindung detaillierter anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren erläutert. Es zeigt:
-
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung,
-
2 eine vereinfachte schematische Darstellung zweier Graphen einer Schwingung eines Betätigungselements mit jeweils unterschiedlich starken Dämpfungen,
-
3 eine detaillierte Darstellung eines beispielhaften Schwingungsvorgangs mit einer Auslenkung sowie einer Geschwindigkeit und einer Beschleunigung als der ersten und zweiten zeitlichen Ableitung davon, sowie
-
4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.
-
Eine manuelle Eingabevorrichtung 10 weist ein Betätigungselement 12 auf, welches mechanisch mit einem Aktor 14 gekoppelt ist. Eine Steuereinheit 16 dient zur Aktivierung beziehungsweise Ansteuerung des Aktors 14. An das Betätigungselement 12 ist ein Sensor 18 gekoppelt, welcher in der erfindungsgemäß bevorzugten Form als Geschwindigkeitssensor vorliegt. Dabei kann eine Kopplung des Sensors auch berührungslos, insbesondere über elektrische und/oder magnetische Felder oder über eine optische Abtastung realisiert sein. Wird nun an dem Betätigungselement 12 eine in der 1 durch einen Finger symbolisch dargestellte Eingabeaktion 20 vorgenommen, erzeugt das Betätigungselement 12 daraus ein entsprechendes Eingabesignal 22, welches der Steuereinheit 16 zugeführt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Betätigungselement 12 um ein Touchscreen oder ein Touchpad handeln, wobei die Lagerung in der 1 nicht dargestellt ist.
-
Die Steuereinheit 16 stellt an dem Aktor 14 ein Aktivierungssignal 24 bereit, mittels dem eine entsprechende mechanische Anregung auf das Betätigungselement 12 eingekoppelt werden kann. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt hierbei die Auslenkung in eine Richtung x, das heißt in Richtung der Betätigungsaktion 20. Somit erfolgt die Auslenkung parallel zu der Betätigungsrichtung, sie kann allerdings auch normal zu der Betätigungsrichtung erfolgen, denn bei einer typischen Auslenkung in der Größenordnung eines zehntel Millimeters führt die haptische Wahrnehmung zu keinem erkennbaren Unterschied zwischen einer parallelen und einer normalen Anregung.
-
Der Sensor 18 stellt ein Sensorsignal 28 an die Steuereinheit 16 bereit, welches gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Geschwindigkeitssignal, insbesondere ein zu der Geschwindigkeit des Betätigungselements 12 proportionales Signal in die Richtung der Auslenkung x dar. Natürlich kann der Sensor 18 auch als Wegsensor ausgelegt sein, welcher ein von der Auslenkung x abhängiges Signal 28 an die Steuereinheit 16 bereitstellt, was allerdings eine aufwendigere Nachbearbeitung des Signals 28 in der Steuereinheit 16 erfordert. Ebenso kann der Sensor 18 auch als Beschleunigungssensor ausgelegt sein, welcher ein von der Beschleunigung des Betätigungselements abhängiges Signal 28 an die Steuereinheit 16 bereitstellt. In diesem Fall ist das entsprechende Geschwindigkeitssignal durch Integration des Sensorsignals 28 zu ermitteln, was ebenfalls zu einem erhöhten Verarbeitungsaufwand in der Steuereinheit 16 führt. Eine solche Vorverarbeitung kann allerdings auch direkt in dem Sensor 18 integriert sein, sodass das physikalische Messprinzip zwar auf einer Abbildung auf Basis der Auslenkung oder der Beschleunigung beruht, und das von dem Sensor 18 bereitgestellte Sensorsignal 28 unmittelbar die Geschwindigkeit des Betätigungselements 12 repräsentiert.
-
2 zeigt zwei mögliche Weg-Zeit-Verläufe des Betätigungselements 12 mit unterschiedlichen Dämpfungsgraden. Die Auslenkung x kann dabei normal oder parallel zur Betätigungsrichtung erfolgen. In den beiden dargestellten Diagrammen ist jeweils über einer Zeit t die Auslenkung x aufgetragen. Der erste Weg-Zeit-Verlauf 30 im linken Diagramm weist hierbei eine geringe Dämpfung auf, der zweite Weg-Zeit-Verlauf 32 im rechten Diagramm zeigt einen gewünschten impulsartigen Verlauf mit einer deutlich höheren Dämpfung.
-
Zur besseren Veranschaulichung der physikalischen Größen zeigt 3 einen beispielhaften, aber realitätsnahen Verlauf der gewünschten Auslenkung x und zwei ihrer zeitlichen Ableitungen, nämlich die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung a. Dabei ist die Zeit t in Millisekunden (ms) im Bereich von 0 bis 30 Millisekunden aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Auslenkung x in Mikrometern (μm), die Geschwindigkeit v in Millimetern pro Sekunde (mm/s) sowie die Beschleunigung a in Meter pro Sekunde im Quadrat (m/s2) aufgetragen, wobei die Achse von –30 bis 120 in Dreißigerschritten skaliert ist. Der erste Graph 34 zeigt hierbei die Auslenkung x, der zweite Graph 36 zeigt die Geschwindigkeit v und der dritte Graph 38 zeigt die Beschleunigung a. Eine Tangente an den Graphen 34 im mittleren Bereich des Anstiegs bei t ungefähr 2,5 Millisekunden und x = 60 Mikrometern weist einen Schnittpunkt 40 mit der Abszisse bei t = 1 Millisekunde auf, welcher einen Impulsstart P0 kennzeichnet. Ein Scheitelpunkt 42 kennzeichnet die maximale Auslenkung P1 der Auslenkung x. Der beispielhaften Berechnung der dargestellten Kurven liegt als einfache Näherung zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens ein System mit einem einfachen, durch den Aktor fremderregten Masse-Dämpfer-Feder-System mit konzentrierten Parametern zugrunde. Dabei findet sich die Dämpfer-Feder-Charakteristik in der Regel in der Lagerung.
-
Um ein derart stark gedämpftes Verhalten bei einem mechanischen System zu erreichen, sind mehrere Lösungen denkbar, wobei Kombinationen möglich sind, beispielsweise mechanische Dämpfung durch Reibung (Relativbewegung) zwischen Bauteilen oder innere Reibung bei Bauteilen, zum Beispiel innere Reibung bei einem Elastomer. Das Elastomer wäre dabei sowohl mit einem Fixpunkt als auch dem bewegten Teil des Systems verbunden. Eine sogenannte aktive Dämpfung durch intelligentes Ansteuern eines Aktors ist ebenfalls möglich.
-
Bei der Ansteuerung mit einem unipolar wirkenden Aktor, welcher sowohl für die Anregung der Auslenkung als auch für die aktive Dämpfung benutzt wird, kann dieser gemäß der beispielhaften Darstellung ungefähr in dem Bereich zwischen t = 5 Millisekunden und t = 11 Millisekunden dämpfend auf die Schwingung einwirken, wenn die durch den zweiten Graphen 36 dargestellte Geschwindigkeit v gerade negativ ist. Der durch den ersten Graphen 34 dargestellte Verlauf der Auslenkung x stellt hierbei einen aus praktischen Versuchen ermittelten, sehr vorteilhaften zeitlichen Verlauf dar, wenn die Auslenkung x nach dem Erreichen der maximalen Auslenkung P1 lediglich einen einzigen Nulldurchgang, welcher bei dem dargestellten Graphen 34 bei t ungefähr gleich 9 Millisekunden liegt und sich danach ohne weiteren Nulldurchgang der Abszisse, welche die Ruhelage der Auslenkung x = 0 darstellt, erreicht.
-
Nachfolgend werden nun die Zusammenhänge formelmäßig erläutert. Das Kräftegleichgewicht in (1) beziehungsweise (2) zeigt zunächst die mechanischen Parametermasse m, Dämpfung d und Federsteifigkeit d. Die Aktorkraft FAktor ist die externe Anregung. Eine coulombsche Reibung ist hier nicht dargestellt, diese lässt sich mit einem entsprechenden Lagerkonzept auch nahezu eliminieren. Die hier beschriebene Idee funktioniert aber prinzipiell auch bei Vorhandensein einer nicht vernachlässigbaren coulombschen Reibung. ΣFi = 0 = FAktor + FTrägheit + FDämpfung + FFeder (1) ΣFi = 0 = FAktor + m·x .. + d·x . + c·x, mit x .. = a; x . = v (2)
-
Im Folgenden wird nun der Fall betrachtet, dass der Impuls unmittelbar ausgelöst wurde und das System nun frei schwingt (Aktor inaktiv). In 3 entspricht dies in etwa dem Punkt der maximalen Auslenkung P1.
-
Mit einem Sensor wird die Geschwindigkeit v = x . gemessen. Alternativ wird die Auslenkung x gemessen und die Geschwindigkeit v daraus durch die Ableitung nach der Zeit t ermittelt.
-
Der Aktor wird nun dazu verwendet, eine geschwindigkeitsproportionale Kraft zu erzeugen (3), die wie eine künstliche Dämpfung mit der Proportionalitätskonstanten dkünstlich zu interpretieren ist. FAktor = dkünstlich·x . (3)
-
Alternativ lässt sich auch eine zeit- oder geschwindigkeitsabhängige Dämpfungskonstante dkünstlich (t) oder dkünstlich (x .) umsetzen.
-
Dadurch setzt sich die effektiv wirksame Dämpfung aus den zwei Komponenten d und dkünstlich zusammen (6), wobei d hier für die natürliche, dem schwingungsfähigen System eigene Dämpfung steht, welche ohne Ansteuerung des Aktors zur Erzeugung der zusätzlichen künstlichen Dämpfung dkünstlich vorliegt. Die natürliche Dämpfung kann beispielsweise durch die Lagerung bestimmt sein. ΣFi = 0 = FAktor + m·x .. + d·x . + c·x (4) ΣFi = 0 = m·x .. + d·x . + dkünstlich·x . + c·x (5) ΣFi = 0 = m·x .. + (d + dkünstlich)·x . + c·x (6)
-
Bezüglich der effektiv wirksamen Dämpfung, nämlich der Summe aus d und dkünstlich, ist hierbei anzumerken, dass diese konstant, zeit- oder geschwindigkeitsabhängig sein kann.
-
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 50 weist neben dem bereits bekannten Betätigungselement 12 und der Steuereinheit 16 vier Aktoren 46a, 46b, 46c und 46d auf. Eine Lagerung des Betätigungselements 12 ist dabei symbolisch rechts und links in der Darstellung gemäß 4 angedeutet. Wie bereits auch im ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Auslenkung x in paralleler Richtung zu der Richtung der manuellen Eingabeaktion 20. Hierbei können zunächst alle vier Aktoren 46a, 46b, 46c und 46d zur Anregung einer Schwingung des Betätigungselements 12 eingesetzt werden. In einer zweiten Phase, in der die aktive Dämpfung wirksam ist, werden dann beispielsweise die Aktoren 46a, 46c und 46d mittels dreier Aktivierungssignale 44a, 44c und 44d aktiv zur Erzeugung einer künstlichen Dämpfung betrieben, wohingegen der Aktor 46b in dieser Phase passiv als Sensor für die Geschwindigkeit betrieben wird, welcher ein Sensorsignal 48b an die Steuereinheit 16 bereitstellt. Die Aktoren können in diesem Ausführungsbeispiel nach dem Prinzip der elektrodynamischen Wandler arbeiten, es kann jedoch auch vorgesehen sein, einen zwei oder sogar drei auf der Anwendung der Reluktanzkraft beruhende Aktoren einzusetzen, welche einfacher aufgebaut und preiswerter sind.
-
Der durch den Weg-Zeit-Verlauf 32 dargestellte impulsartige Verlauf der Auslenkung x, welcher mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform erzeugt werden soll, lässt sich besonders vorteilhaft durch die parallele Einwirkung zur Impulsanregung in einer ersten Phase durch alle verfügbaren Aktoren erzielen, in dem vorgestellten Beispiel durch alle vier Aktoren. In der nachfolgenden Phase mit der aktiven Dämpfung reicht es aus, wenn nur noch ein Teil der Aktoren wirksam zu der Dämpfung beiträgt und der übrige Teil der Aktoren in diesem Betriebszustand jeweils passiv als Sensor arbeitet.
-
Darüber hinaus ist es bei Einsatz eines einzigen Aktors auch möglich, diesen in zeitlich aufeinanderfolgenden Phasen abwechselnd aktiv und passiv zu betreiben, das heißt dieselbe Komponente kann mehrfach verwendet werden durch abwechselndes Betreiben zum Messen und zur Krafterzeugung.
-
Somit kann mittels Erzeugung einer künstlichen Dämpfung eine Verbesserung der wahrgenommenen Qualität haptischer Rückmeldungen bei sogenannten aktiven Bedienelementen erzielt werden. Aktive Bedienelemente haben stets Aktoren zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung, welche zur Erzeugung einer künstlichen Dämpfung nutzbar sind. Die künstliche Dämpfung dient dazu, den normalerweise vorhandenen Ausschwingvorgang stark zu verkürzen und dadurch die haptische Rückmeldung von klassischen Tastern nachzubilden. Zur Erzeugung der künstlichen Dämpfung wird in Abhängigkeit der Geschwindigkeit eine Gegenkraft erzeugt, wodurch eine Dämpfung eintritt. Die Dämpfung kann konstant oder zeit- oder geschwindigkeitsabhängig ausgeführt werden.
-
Je nach Aktorprinzip können Komponenten des Aktors für die Messung der Geschwindigkeit verwendet werden, beispielsweise eine Erregerspule, deren Magnetfeld mit einem Magnetfeld eines Permanentmagneten zusammenwirkt und damit eine motorische Kraft erzeugt, und die im Sensorbetrieb als Sensorspule zur Bereitstellung einer induzierten Spannung dienen kann. Dabei kann vorgesehen sein, eine zweite Spule in Form einer Detektorspule einzusetzen, welche unabhängig von einer Aktorspule ein Sensorsignal bereitstellt. Es können jedoch Detektor- und Aktorspule auch kombiniert vorliegen.
-
Wenn mehrere Aktoren vorhanden sind, müssen nicht alle Aktoren zur Dämpfung beitragen. Dies ist möglich, da die Kräfte zur Dämpfung typischerweise deutlich geringer sind als die Kräfte zur Anregung.
-
Im Unterschied zu dem sensorlosen System der
DE 10 2013 007 962 A1 bietet die vorliegende Erfindung mehr Möglichkeiten bei der Dämpfung. Wichtig ist die höhere Robustheit, auch bei Änderung (Alterung, Temperatureinfluss, Fertigungstoleranzen) von mechanischen Systemparametern wie Federsteifigkeit und natürlicher Dämpfung ist eine zuverlässige Dämpfung gewährleistet. Je nach eingesetztem Aktorprinzip ist der Aufwand für die Sensorik sehr gering.
-
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Insbesondere können die zuvor genannten Anordnungen von Aktoren und Sensoren in gemischter Anordnung, welche außerdem noch mit Doppelfunktionen belegt sein können, beliebig angeordnet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
-
Somit wurde abschließend gezeigt, wie mittels einer sensorgestützten aktiven Dämpfung bei aktiven Bedienelementen eine Verbesserung der haptischen Rückmeldung erreicht werden kann.
