DE102014105177A1

DE102014105177A1 - Bedienelement mit elastisch verformbarem Betätigungsteil und Kraftsensorenmatrix

Info

Publication number: DE102014105177A1
Application number: DE102014105177.7A
Authority: DE
Inventors: Alain Dani; Tobias Bodenstein
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-04-12
Also published as: DE102014105177B4; CN204794961U

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement (1), aufweisend ein bei Betätigung unter Krafteinwirkung zur Rückstellung in eine unbetätigte Stellung wenigstens bereichsweise elastisch verformbares Betätigungsteil (6) und eine Matrix (3) von Kraftsensoren (4) zur Messung einer Krafteinwirkungsmatrix, die der Krafteinwirkung auf das Betätigungsteil (6) zugeordnet ist; und eine Auswerteinheit zum Vergleich der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit einer vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix, um bei einer Mindestübereinstimmung der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit der vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix dem Bedienelement (1) eine elektrische Schaltfunktion zuzuordnen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere ein Bedienelement mit mehreren Schaltfunktionen. Im Allgemeinen und insbesondere für die Verwendung im Kraftfahrzeug besteht Bedarf nach Bedienelementen, die einerseits möglichst staub- und flüssigkeitsdicht sind, andererseits eine hohe Integrationsstufe erreichen, letzteres meint eine möglichst hohe Anzahl von Schaltfunktionen pro Bedienelement beziehungsweise pro Betätigungsteil.
Bisher wurden mehrere Schaltfunktionen durch ein Array von Einzelschaltern für jede Schaltfunktion bzw. Bewegungsrichtung gelöst. Dies hat den Nachteil, dass viele elektromechanische Schalter verwendet werden müssen. Ferner sind flüssigkeitsdichte elektromechanische Bedienelemente bekannt, deren elektrischer Teil flüssigkeitsdicht und staubdicht gekapselt ist. Es verbleibt aber das Problem, dass durch die Relativbewegung von Betätigungsteil und Blende und dem notwendigen Spalt dazwischen die jeweiligen Schalter, genauer deren mechanischer Teil, vor dem Eindringen von Schmutz, Staub und Flüssigkeiten nicht geschützt sind. Darüber hinaus erfordern mehrere Schaltfunktionen bei konventionellen Schaltern das Vorsehen mehrerer elektromechanischer Schalter, wie es beispielsweise bei der Sitzverstellung, Spiegelverstellung oder bei Türschaltern im Allgemeinen der Fall ist. Die geringe Integrationsdichte erfordert Anordnungen mit entsprechend nachteilig großem Platzbedarf.
Neben anderen Gründen, wie ästhetische Gesichtspunkte und die flexiblen Eingabemöglichkeiten, hat dies dazu geführt, dass Bedienelemente mit geschlossenen Betätigungsflächen bevorzugt Verwendung finden. Bekannt sind beispielsweise sogenannte Touchpads, bei denen über eine berührempfindliche Fläche Eingaben erfolgen. Diese Touchpads sind allenfalls dazu ausgelegt, Berührungen und/oder Annäherungen zu detektieren, weder Kraftmessungen noch eine Kraftmatrixerfassung ist Ziel dieser Bedienelemente. Die bekannten Touchpads weisen üblicherweise eine für eine Eingabe mit dem Finger erforderliche Mindestoberflächenausdehnung auf, so dass eine Platzierung auch hier allerorts nicht möglich ist. Ferner weisen Touchpads nur ein geringes haptisches Feedback auf, was für die Verwendung im Kraftfahrzeug nachteilig ist, da eine visuelle Überprüfung der Eingabe aus Verkehrssicherheitsgründen möglichst nicht in Frage kommen darf.
Ziel der Erfindung ist einerseits eine hohe Integrationsdichte, also die Integration mehrerer Schalter in ein Bedienelement, dies möglichst unter einer geschlossenen Oberfläche und dies bei geringem Bauraum, um den Freiheitsgrad bei der Anordnung zu steigern. Es besteht daher Bedarf nach einem Bedienelement, bei dem eine Schaltfunktion durch Verformung einer Betätigungsfläche erreicht wird, möglichst ohne Relativbewegung des Außenumfangs der Betätigungsfläche, wie ausschließlich durch deren ganze oder bereichsweise elastische Verformung.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Integrationsdichte zu erhöhen und/oder die Bedienung zu erleichtern.
Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Das erfindungsgemäße Bedienelement weist ein bei Betätigung unter Krafteinwirkung wenigstens bereichsweise oder insgesamt elastisch verformbares Betätigungsteil auf. Die wenigstens bereichsweise vorgesehene elastische Verformung dient der Rückstellung in eine unbetätigte Stellung. Erfindungsgemäß ist ferner eine Matrix von Kraftsensoren zur Messung einer Krafteinwirkungsmatrix vorgesehen, die der Krafteinwirkung auf das Betätigungsteil entspricht. Erfindungsgemäß dient somit das Betätigungsteil der Übertragung der Betätigungskraft auf eine Matrix von Kraftsensoren, wobei aufgrund der wenigstens bereichsweise vorhandenen Elastizität der Verformung des Betätigungsteils eine Rückstellung in die Ausgangsstellung, d. h. die unbetätigte Stellung, erfolgt.
Matrix meint ein Array oder wenigstens eine Reihe von Kraftsensoren. Ein Kraftsensor ist beispielsweise ein piezoelektrischer Kraftsensor. Die Matrix dient der ortauflösenden Detektion der Krafteinwirkung, wobei es dem Fachmann obliegt, die für die jeweilige Gestaltung der Betätigungsfläche geeignete Ortsauflösung in wenigen Versuchen zu ermitteln.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Auswerteinheit zum Vergleich der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit einer vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix vorgesehen, um bei einer Mindestübereinstimmung der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit der vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix dem Bedienelement eine elektrische Schaltfunktion zuzuordnen. Mindestübereinstimmung im Sinne der Erfindung meint beispielsweise eine Überschreitung eines vorgegebenen Mindestwertes pro Kraftsensor der Matrix.
Durch die Auslegung des Betätigungsteils als wenigstens bereichsweise elastisch verformbares Eingabemittel sind Ausgestaltungen ermöglicht, bei denen die Betätigungsfläche mit stetigem Übergang in eine Blende oder ein Armaturenbrett integriert ist, so dass das Risiko des Eindringens von Staub und Flüssigkeiten minimiert ist. Ferner sorgt die elastische Verformung für ein gewisses Maß an haptischem Feedback, so dass der Bedarf nach visueller Überprüfung bei der Betätigung minimiert ist.
Bevorzugt umfasst das bereichsweise elastisch verformbare Betätigungsteil eine dreidimensionale Erhebung, beispielsweise eine Finne, in der Betätigungsfläche. Dadurch ist das haptische Auffinden des Betätigungsteils erleichtert, aber auch das haptische Feedback gesteigert. Bevorzugt weist das Betätigungsteil eine Erhebung mit einer Maximalhöhe über seiner Grundfläche, d. h. der an den Kraftsensoren anliegenden Fläche, im Bereich von mehr als 3 mm bis 50 mm, bevorzugter im Bereich von 5mm bis 30 mm auf.
Bevorzugt weist das Bedienelement einen Träger als Widerlagerteil auf, und die Matrix der Kraftsensoren ist zwischen dem Betätigungsteil und dem Träger angeordnet, bevorzugt sind die Kraftsensoren angrenzend an den Träger und das Betätigungsteil angeordnet.
Die elastische Verformbarkeit und der nachfolgend verwendete Begriff elastisch verformbarer Bereich betrifft wenigstens denjenigen Bereich des Betätigungsteils, der in Bezug auf eine eine Schaltfunktion auslösende Betätigung des Betätigungsteils eine Verformung, bevorzugt den höchsten Verformungsgrad, zeigt. Dabei kann das Betätigungsteil je nach verwendetem Material und Materialstärke ganz oder nur bereichsweise betroffen sein.
Die elastische Verformbarkeit, also das Elastizitätsmodul des Betätigungsteils, muss über die Betätigungsfläche nicht homogen sein. Beispielsweise weist das Betätigungsteil eine nicht homogene Dicke und die höchste Dicke im Bereich des höchsten Punktes der Erhebung auf, so dass die höchste Elastizität des Eingabeteils in dem die Erhebung umgebenden, dünneren Bereich vorgesehen ist. Es sollen Ausführungsformen vom Erfindungsgedanken umfasst sein, bei denen das Betätigungsteil ein starres, zentrales, die Erhebung umfassendes Teil umfassen, das mit einer elastischen Umrandung einstückig verbunden ist, wobei die Umrandung kraft- oder formschlüssig mit einer Blende verbindbar oder verbunden ist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ruht bei Betätigung der für die an eine Blende angrenzende Anordnung bestimmte Außenumfang des Betätigungsteils, geht beispielsweise in eine ruhende Blende nahtlos über.
Zur Erhöhung der Schaltfunktionalität sind wenigstens zwei vorgegebene Krafteinwirkungsmatrizen vorgesehen, denen zwei entgegengesetzte Krafteinwirkungsrichtungen bei der jeweiligen Betätigung und/oder zwei diametral gegenüberliegende Einwirkorten der Krafteinwirkung am Betätigungsteil bei der jeweiligen Betätigung zugeordnet sind. Anders ausgedrückt sind zwei Schaltfunktionalitäten vorhanden, denen zwei Betätigungskraftmustern der Sensormatrix entsprechen, wobei sich die gewünschte Mindestannäherung oder Übereinstimmung an das vorgegebene Muster durch Variation des Krafteinwirkortes und/oder Krafteinwirkrichtung ergibt.
Zur Bereitstellung einer Vier-Wege-Joystick-Funktionalität bei hoher Integrationsdichte sind bevorzugt wenigstens vier vorgegebene Krafteinwirkungsmatrizen vorgesehen, denen vier senkrecht zueinander stehende Krafteinwirkungsrichtungen bei der jeweiligen Betätigung und/oder vier sternförmig angeordnete Einwirkorte der Krafteinwirkung am Betätigungsteil bei der jeweiligen Betätigung zugeordnet sind.
Bevorzugt ist die Matrix von Kraftsensoren in einer Ebene angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Betätigungsteil eine Betätigungsfläche auf, die einen Winkel mit der durch die Matrix von Kraftsensoren definierte Ebene einschließt, der im Bereich von 45° bis 80° liegt.
Bevorzugt wird die Matrix durch eine Anordnung von kapazitiven Foliensensoren gebildet. Beispielsweise handelt es sich um einen flexiblen Folienschichtaufbau, der zwei leitende, ein Paar von beabstandeten Elektroden ausbildende Schichten und eine dazwischen liegende, elastisch nachgebende Isolierschicht aufweist. Die beiden leitenden, zueinander elektrisch isolierten und nicht unmittelbar berührbaren Schichten bilden einen Kondensator aus, dessen Kapazität mit der Formänderung der Isolierschicht variiert. Der Elektrodenabstand der beiden Elektroden variiert aufgrund der Formänderung der Zwischenschicht um einige µm.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich um eine Matrix von Dehnungsmessstreifen. Beispielsweise sind vier um ein Zentrum der Erhebung des Betätigungsteils gleichmäßig verteilte Dehnungsmessstreifen vorgesehen. Bevorzugt sind sie nächstbenachbart zu dem elastisch verformbaren Bereich bzw. dem Bereich mit der höchsten Verformung angeordnet und an dem Betätigungsteil befestigt. In einer Ausgestaltung sind die Dehnungsmesstreifen in einen Folienaufbau integriert, der eine sternförmige Ausformung ausweist.
Das erfindungsgemäße Bedienelement findet bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur elektrischen Sitzverstellung oder Spiegelverstellung, Türverriegelung und/oder Fensterverstellung Verwendung.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
2 eine Ansicht eines vertikalen Schnitts durch das Bedienelement aus 1;
3 eine Ansicht eines zu 2 orthogonalen weiteren Schnitts durch das Bedienelement aus 1;
4 eine Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelements 1 in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Es weist einen ebenen, im Wesentlichen starren Träger 2 auf. Auf dem Träger ist ein Folienschichtaufbau 3 angeordnet. Der Folienschichtaufbau 3 umfasst eine 2×3 Matrix aus kapazitiven, in den Folienschichtaufbau 3 integrierten Kraftsensoren 4. Jeder dieser Kraftsensoren 4 weist durch eine elastisch verformbare Isolierschicht zueinander beabstandete und voneinander elektrisch isolierte Elektroden auf. Die Kraftsensoren 4 sind in einer Ebene angeordnet und elektrisch mit einer nicht dargestellten Auswerteinheit verbunden, um die Kapazität jedes Sensors 4 zu ermitteln und jeweils mit einem vorgegebenen Wert und damit mit einer vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix zu vergleichen.
Die Krafteinwirkung auf die Sensoren 4 erfolgt durch ein Betätigungsteil 6, das durch eine zentrisch angeordnete dreidimensionale Erhebung 7 in der Form einer Finne geprägt ist. Die Erhebung 7 weist vier steile Seitenflächen 9 auf, die eine um mehr als 45° zur Grundfläche des Betätigungsteils 6 geneigten Einwirkbereich für eine Betätigungskraft F1 bis F4 definieren. Das Betätigungsteil 6 ist über seinen um die Erhebung 7 sich umlaufend erstreckenden, elastisch verformbaren Bereich 8 an einer ruhenden Blende 5 befestigt. Der elastisch verformbare Bereich 8 sorgt für einen staub- und flüssigkeitsdichten Übergang zur Blende 5 und für eine Verlagerbarkeit des Betätigungsteils 6. Daher umfasst der elastische verformbare Bereich 8 denjenigen Bereich des Betätigungsteils 6, der in Bezug auf eine eine Schaltfunktion auslösende Betätigung des Betätigungsteils 6 eine Verformung zeigt.
Das Betätigungsteil 6 erlaubt so die Übertragung einer Kraft F1 bis F4 auf die Grundfläche und damit auf die Matrix 3 von Kraftsensoren 4. In Abhängigkeit der Betätigungskraft F1 bis F4 unterscheidet sich die von den Sensoren 4 gemessene und Auswerteinheit ausgewertete Krafteinwirkungsmatrix. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung sind Schaltfunktionen mit Betätigungsrichtungen nahezu parallel zu einer das Bedienelement 1 umgebenden Blende 5 bei minimaler Relativbewegung des Betätigungsteils.
Die 4 zeigt eine Explosionsdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Bedienelements 1. Das Betätigungsteil 6 weist wiederum eine dreidimensionale, hier rotationssymmetrische Erhebung 7 auf, durch die steile für die Betätigung durch die Betätigungskräfte F1 bis F4 vorgesehene Seitenflächen 9 definiert werden. Die Erhebung 7 umgebend weist das Betätigungsteil 6 einen Bereich 8 mit hoher elastischer Verformbarkeit auf.
Zur Messung dieser Verformung bei der Betätigung ist unter dem Betätigungsteil eine Matrix 3 von Dehnungsmessstreifen 4 als Kraftsensoren angeordnet. Die Matrix 3 wird durch einen sternförmigen Folienaufbau definiert, in den die Dehnungsmessstreifen 4 integriert sind. Jeder Kraftsensor 4 ist nächstbenachbart zu dem besonders ausgeprägt bei Betätigung durch die Kräfte F1 bis F4 sich verformenden Bereich 8 angeordnet. Da der Folienschichtaufbau der Matrix 3 außerhalb des sensorischen Bereichs 4 an dem Betätigungsteil 6 durch Befestigungsösen 10 an dem Betätigungsteil 6 befestigt ist, überträgt sich die durch die Betätigung F1 bis F4 bewirkte Formänderung des elastisch verformbaren Bereichs 8 und damit des Betätigungsteils 6 auf die Dehnungsmessstreifen 4 und ist durch eine elektrisch damit verbundene, nicht dargestellte Auswerteinheit mit einer vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix vergleichbar.

Claims

Bedienelement (1), aufweisend ein bei Betätigung unter Krafteinwirkung zur Rückstellung in eine unbetätigte Stellung wenigstens bereichsweise elastisch verformbares Betätigungsteil (6) und eine Matrix (3) von Kraftsensoren (4) zur Messung einer Krafteinwirkungsmatrix, die der Krafteinwirkung auf das Betätigungsteil (6) zugeordnet ist; und eine Auswerteinheit zum Vergleich der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit einer vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix, um bei einer Mindestübereinstimmung der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit der vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix dem Bedienelement (1) eine elektrische Schaltfunktion zuzuordnen.
Bedienelement (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Betätigungsteil (6) eine dreidimensionale Erhebung (7), beispielsweise in Form einer Finne, ist.
Bedienelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Betätigungsteil (6) die höchste elastische Verformbarkeit im Bereich (8) außerhalb der dreidimensionalen Erhebung (7) aufweist.
Bedienelement (1) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betätigungsteil (6) eine Maximalhöhe über seiner Grundfläche im Bereich von mehr als 3mm bis 50 mm, bevorzugt im Bereich von 5mm bis 30 mm aufweist.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bedienelement (1) einen Träger (2) aufweist und die Matrix (3) der Kraftsensoren (4) zwischen dem Betätigungsteil (6) und dem Träger (2) angeordnet ist.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Betätigung der zur angrenzenden Anordnung an eine Blende (5) vorgesehene Außenumfang (8) des Betätigungsteils (6) ruht.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei vorgegebene Krafteinwirkungsmatrizen vorgesehen sind, denen zwei entgegengesetzte Krafteinwirkungsrichtungen (F1, F2) bei der jeweiligen Betätigung und/oder zwei diametral gegenüberliegende Einwirkorte der Krafteinwirkung am Betätigungsteil (6) bei der jeweiligen Betätigung zugeordnet sind.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens vier vorgegebene Krafteinwirkungsmatrizen vorgesehen sind, denen vier senkrecht zueinander stehende Krafteinwirkungsrichtungen (F1, F2, F3, F4) bei der jeweiligen Betätigung und/oder vier sternförmig angeordnete Einwirkorte der Krafteinwirkung am Betätigungsteil (6) bei der jeweiligen Betätigung zugeordnet sind.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (3) von Kraftsensoren (4) in einer Ebene angeordnet ist.
Bedienelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Betätigungsteil (6) eine Betätigungsfläche aufweist, die einen Winkel ausgewählt aus dem Bereich von 45° bis 80° mit der durch die Matrix (3) von Kraftsensoren (4) definierte Ebene einschließt.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (3) durch eine Anordnung von kapazitiven Foliensensoren (4) gebildet wird.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrix (3) durch eine Anordnung von Dehnungsmessstreifen (4) gebildet wird.
Verwendung des Bedienelements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur elektrischen Sitzverstellung oder Spiegelverstellung, Türverriegelung und/oder Fensterverstellung.