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Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus der
US 2013/0021087 A1 ist ein Eingabegerät mit einer flexiblen Polymermembran bekannt, bei dem an der Polymermembran Elektroden angeordnet sind. Bei einer Bedienhandlung werden die Membran und damit auch die Elektroden verformt, was zu einer Flächen- und Widerstandsänderung führt, welche mittels einer Kapazitäts- oder Widerstandsmessschaltung gemessen wird. Aus den ermittelten Messwerten wird dann die verursachende Positionsveränderung eines Bedienelementes bestimmt. Dabei ist gemäß einer Ausführungsform zwischen zwei Teilen des Bedienelements ein elektroaktives Polymer vorgesehen, das mittels einer über zwei an diesem angeordneten Elektroden angelegten Spannung zu einer Längenänderung in Hochrichtung des Bedienelementes angeregt werden kann, sodass ein von einer Bedienperson wahrnehmbares haptisches Signal erzeugbar ist.
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Aus der
WO 2010/079151 A1 ist ein Gerät zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie bekannt, welches wenigstens einen piezoelektrischen Wandler verwendet. Dabei ist an einem verformbaren Element ein Stoßelement angeordnet, welches durch eine Verformung des verformbaren Elementes in Kontakt mit einem Teil eines akustischen Resonators gebracht werden kann. Dadurch wird der wenigstens eine piezoelektrische Wandler angeregt, die über den akustischen Resonator an ihn vermittelte Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Eine Erzeugung eines haptischen Signals ist dabei nicht vorgesehen.
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Aus der
EP 2 323 015 A2 sind ein für eine Handbedienung vorgesehenes Gerät und ein Fernsteuergerät mit jeweils einer Stromerzeugungsfunktion bekannt. Dabei wird mittels eines piezoelektrischen Elementes eine von einer Bedienperson ausgeübte Kraft in eine elektrische Spannung umgewandelt, welche dann für eine Signalerzeugung genutzt werden kann. Eine Erzeugung eines haptischen Signals ist dabei nicht vorgesehen.
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Weiterhin sind derartige Bedienvorrichtungen aus dem Kraftwagenbau bekannt, wobei dort jedoch nicht die Möglichkeit gegeben ist, die von einer Bedienperson aufgebrachte Kraft zu messen und/oder ein großer Bauraum durch die Verwendung eines Elektromotors benötigt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bedienvorrichtung für einen Kraftwagen zu schaffen, mittels welcher bei geringen Bauraumanforderungen elektrisch gesteuert ein an einer Oberfläche wahrnehmbares haptisches Signal erzeugbar ist, und ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bedienvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Um eine Bedienvorrichtung für einen Kraftwagen zu schaffen, mittels welcher bei geringen Bauraumanforderungen elektrisch gesteuert ein an einer Oberfläche wahrnehmbares haptisches Signal erzeugbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei der eingangs genannten Bedienvorrichtung auf einer die Ausnehmung überdeckenden Membran ein Piezoelement angeordnet und dazu eingerichtet ist, bei Anlegen einer Erregerspannung an zumindest zwei der Elektroden die Membran zu krümmen und dadurch zumindest ein haptisches Signal an dem Oberflächenelement zu erzeugen. Mit anderen Worten erfolgt beim Anlegen einer Erregerspannung an zumindest zwei der Elektroden eine Verformung des Piezoelementes, welche sich, da das Piezoelement fest auf der Membran angeordnet ist, auf die Membran überträgt und damit also auch zu einer Verformung der Membran führt. Damit ist diese Verformung also elektrisch steuerbar und erzeugt über eine unmittelbare oder mittelbare Verbindung der Anordnung aus dem Piezoelement und der Membran mit dem Oberflächenelement an diesem ein von einer Bedienperson wahrnehmbares haptisches Signal.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Piezoelement so angeordnet ist, dass seine Längenänderung im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene der Membran stattfindet.
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Eine solche Anordnung bietet den Vorteil, dass ein Piezoelement verwendet werden kann, welches eine sehr geringe Bauhöhe aufweisen kann, sodass auch die gesamte Bedienvorrichtung nur geringe Bauraumanforderungen aufweist. Als Piezoelement kann dabei ein herkömmlicher Piezokristall und als Membran beispielsweise eine dünne Metallplatte verwendet werden, während die notwendige Erregerspannung beispielsweise über eine Verbindung zu einem elektrischen Bordnetz des Kraftwagens bereitgestellt werden kann.
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Durch die von der Membran überdeckte Ausnehmung ist zudem die Möglichkeit gegeben, eine Einrichtung zur Messung einer von einer Bedienperson auf die Bedienvorrichtung ausgeübten Kraft vorzusehen In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dabei zur Messung einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung zwischen zwei der Elektroden eine Erfassungseinrichtung vorgesehen, wobei eine dieser beiden Elektroden durch die Membran gebildet ist und die zweite dieser beiden Elektroden durch eine auf der der Membran gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung angeordnete Elektrode gebildet ist und wobei sich die Kapazität in Abhängigkeit von einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Membran auf die Membran wirkenden Kraftkomponente einstellt. Mit anderen Worten führt also zumindest eine Komponente einer von einer Bedienperson auf die Bedienvorrichtung ausgeübten Kraft zu einer Abstandsänderung, insbesondere zu einer Abstandsverringerung, zwischen der als Elektrode ausgebildeten und kontaktierten Membran und einer zweiten, von der Membran beabstandet auf der gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung angeordneten Elektrode. Diese Abstandsänderung bewirkt eine Kapazitätsänderung zwischen der Membran und der gegenüberliegenden Elektrode, aus welcher die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Membran auf die Membran wirkende Kraftkomponente bestimmt werden kann.
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Ein Vorteil einer so gestalteten Bedienvorrichtung ist es, dass mit einem Minimum an benötigtem Bauraum und an benötigten Bauteilen nicht nur eine Bedienhandlung, sondern auch die dabei aufgewendete Kraft beziehungsweise sogar der während der Bedienhandlung vorliegende Kraftverlauf erfasst werden und zusätzlich gezielt ein von der Bedienperson während der Bedienhandlung wahrnehmbares haptisches Signal erzeugt werden kann. Durch die genaue Bestimmbarkeit der zu jedem Zeitpunkt aufgebrachten Kraft ist eine von der Geschwindigkeit der Bedienhandlung unabhängige Erfassung der Bedienhandlung und gegebenenfalls eine bessere Erfassung einer Absicht der Bedienperson möglich. Um die Kapazität beziehungsweise die Kapazitätsänderung und daraus die wirkende Kraft zu bestimmen, können die Membran und die gegenüberliegende Elektrode beispielsweise mit einer Auswerteelektronik elektrisch verbunden sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist an der Membran zumindest ein Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Membran auf die Membran wirkenden Kraftkomponente angeordnet. Eine senkrecht auf die Membran wirkende Kraft führt somit nicht nur zu einer Verformung der Membran selbst, sondern auch zu einer Verformung des an der Membran angeordneten und fest mit dieser verbundenen Dehnungsmessstreifens. Mittels einer elektrisch mit dem beziehungsweise den Dehnungsmessstreifen verbundenen Auswerteelektronik kann basierend auf den unter Verformung variablen Eigenschaften des beziehungsweise der Dehnungsmessstreifen die Kraft bestimmt werden, die die entsprechende Verformung der Membran und des beziehungsweise der Dehnungsmessstreifen hervorgerufen hat.
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Die Verwendung eines Dehnungsmessstreifens ermöglicht eine besonders platzsparende, technisch einfach zu realisierende und kostengünstige Bestimmung der senkrecht auf die Membran wirkenden Kraft. Der oder die Dehnungsmessstreifen können dabei auf die Membran aufgeklebt werden, wobei eine geeignete Anordnung von mehreren – beispielsweise vier – Dehnungsmessstreifen eine besonders vorteilhafte Messung ermöglicht.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist in der Ausnehmung des Zwischenelementes eine Einrichtung zur induktiven Messung eines Abstandes der Membran von einem Referenzelement dieser Einrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, eine senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Membran auf die Membran wirkende Kraftkomponente zu bestimmen. Mit anderen Worten wird die bei einer einwirkenden Kraft auftretende Verformung der Membran in dem Bereich der Ausnehmung ausgenutzt, um einen Abstand der Membran von einem ortsfest innerhalb der Bedienvorrichtung angeordneten Referenzelement zu bestimmen, woraus sich die senkrecht auf die Membran wirkende Kraft ermitteln lässt.
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Eine induktive Abstandsmessung weist eine hohe Wiederholgenauigkeit auf, ist weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit und zudem nicht anfällig für mechanischen Verschleiß. Eine Einrichtung zur induktiven Abstandsmessung kann beispielsweise durch einen induktiven Näherungsschalter realisiert werden, der mit einer entsprechenden Elektronik und einer Spannungsversorgung – beispielsweise dem Bordnetz des Kraftwagens – verbunden ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Bedienvorrichtung dazu eingerichtet, ein haptisches Signal zu erzeugen, wenn der Betrag der senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Membran auf die Membran wirkenden Kraftkomponente einen festgelegten Grenzwert überschreitet. Mit anderen Worten kann also ein haptisches Signal erzeugt werden, wenn eine senkrecht auf die Membran wirkende Kraftkomponente größer wird oder größer ist als ein im Vorhinein, insbesondere herstellerseitig, festgesetzter Wert. Durch Festlegen eines geeigneten Grenzwertes können somit fehlerhafte oder unbeabsichtigte Auslösungen des haptischen Signals und einer der Bedienvorrichtung zugeordneten Funktionalität vermieden werden. Zudem kann einer Bedienperson vermittelt werden, dass sie eine ausreichende Kraft aufgebracht und damit die beabsichtigte Bedienhandlung erfolgreich vorgenommen hat. Eine Überschreitung des festgelegten Grenzwertes oder das Vorliegen einer schon von Beginn an größeren Kraft kann beispielsweise durch eine entsprechend ausgelegte elektrische Schaltung, welche beispielsweise einen Komparator umfassen kann, oder durch eine mit der jeweils vorgesehenen Einrichtung zur Bestimmung der wirkenden Kraft verbundenen Auswerteelektronik erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine der Elektroden zum Anlegen der Erregerspannung unmittelbar an dem Piezoelement zwischen diesem und dem Oberflächenelement angeordnet. Mit anderen Worten ist eine der Elektroden zum Anlegen der Erregerspannung also auf der einen Seite fest mit dem Piezoelement und auf der anderen Seite fest mit dem Oberflächenelement verbunden, sodass zwischen dem Oberflächenelement, dem Piezoelement und der zwischen diesen beiden Elementen angeordneten Elektrode keine Zwischenräume vorhanden sind. Damit ergibt sich also auch eine zumindest mittelbare Verbindung des Piezoelementes mit dem Oberflächenelement.
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Eine solche Anordnung ermöglicht eine einfache Herstellung sowie eine platzsparende kompakte Ausführung. Durch eine solche Schichtanordnung der einzelnen Elemente kann das mittels des Piezoelementes erzeugte haptische Signal unmittelbar auf das Oberflächenelement übertragen werden, sodass es dort von einer Bedienperson möglichst gut wahrnehmbar ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die von dem Piezoelement erzeugte Amplitude in vollem Umfang bis an die benutzerseitige Oberfläche des Bedienelementes vermittelt wird.
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Die Verbindung der einzelnen Bauelemente kann dabei beispielsweise durch kleben, bonden oder laminieren hergestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bildet die Membran auch eine der Elektroden zum Anlegen der Erregerspannung. Mit anderen Worten bilden also die Membran und eine weitere Elektrode ein mit einer Spannungsversorgung verschaltetes Elektrodenpaar zwischen dem eine Spannung erzeugt werden kann, welche als Erregerspannung für das Piezoelement dient und damit eine Form- beziehungsweise Längenänderung des Piezoelementes hervorruft. Die Verwendung der Membran als Elektrode ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise eine zusätzliche Elektrode, das heißt ein zusätzliches Bauteil, und damit Bauraum, Kosten- und Herstellungsaufwand eingespart werden können. Eine Verwendung der Membran als Elektrode kann durch Ausführung der Membran in einem leitfähigen Material, beispielsweise einem Metall, realisiert werden, wobei eine entsprechende Kontaktierung der Membran vorzusehen ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausnehmung des Zwischenelements mit Luft und/oder einem Elastomer gefüllt. Mit anderen Worten kann der durch die Ausnehmung in dem Zwischenelement gebildete Raum ganz oder teilweise mit Luft oder ganz oder teilweise mit einem Elastomer gefüllt sein, wobei das gegebenenfalls vorgesehene Elastomer weich genug sein muss, um eine Verformung der Membran in den Bereich der Ausnehmung hinein bei den typischerweise von einer Bedienperson aufgewendeten Kräften nicht zu behindern. Vorteile der Verwendung von Luft sind die einfache, kostengünstige, Bauteil- und Herstellungsaufwand einsparende Fertigung und die weitestgehende Vermeidung einer Temperaturabhängigkeit der Kapazitätsmessung. Durch die Verwendung eines Elastomers kann vorteilhaft mit geringem Aufwand eine feuchtigkeitsabhängige Veränderung der Kapazität zwischen den Elektroden vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Oberflächenelement und dem Piezoelement ein Lichtleiter angeordnet und das Oberflächenelement ist im Bereich des Lichtleiters zumindest teilweise lichtdurchlässig und/oder weist eine Ausnehmung auf. Der Lichtleiter ist dabei insbesondere unmittelbar an dem Oberflächenelement angeordnet und kann sich auch in gegebenenfalls vorgesehene Ausnehmungen des Oberflächenelementes hinein erstrecken. Durch eine entsprechende Gestaltung des Lichtleiters beziehungsweise von Ausnehmungen und/oder transparenten Bereichen des Oberflächenelementes können besonders vorteilhaft die Lage und/oder die zugeordnete Funktionalität der Bedieneinrichtung durch eine Beleuchtung oder Beleuchtungseffekte leicht erkennbar gestaltet werden. Eine Beleuchtung oder sonstige Lichteffekte lassen sich dabei durch eine beispielsweise seitliche Einkopplung von Licht in den Lichtleiter erzielen.
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Um ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals – insbesondere als Reaktion auf eine Bedienhandlung – bereitzustellen, bei dem mittels einer Bedienvorrichtung mit geringen Bauraumanforderungen elektrisch gesteuert ein an einer Oberfläche wahrnehmbares haptisches Signal erzeugt wird, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Anlegen einer Erregerspannung an zumindest zwei Elektroden eine Membran gekrümmt und dadurch das haptische Signal an einem Oberflächenelement erzeugt wird.
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Die bisher und im Folgenden sowie in den Patentansprüchen beschriebenen funktionalen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung sind entsprechend sinngemäß auch auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Vorrichtungen und Bauteile übertragbar und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer mit einer Einrichtung zur Spannungsversorgung und Signalauswertung verbundenen Bedienvorrichtung für einen Kraftwagen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 die Bedienvorrichtung aus 1 in der gleichen schematischen Schnittansicht, wobei von einer angedeuteten Bedienperson eine Kraft auf das Oberflächenelement ausgeübt wird, sodass das Piezoelement und die beidseitig angeordneten Elektroden verformt sind, und
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3 die Bedienvorrichtung aus 1 und 2 in der gleichen schematischen Schnittansicht, wobei eine durch Anlegen einer Erregerspannung an die beiden an dem Piezoelement angeordneten Elektroden hervorgerufene Verformung dieser beiden Elektroden, des Piezoelementes und des Oberflächenelementes in eine von dem Basiselement abgewandte Richtung dargestellt ist.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Bedienvorrichtung 1 für einen Kraftwagen, mit einem Oberflächenelement 2, einem daran angeordneten Zwischenelement 4 mit einer Ausnehmung 5 sowie einem auf einer von dem Oberflächenelement 2 abgewandten Seite des Zwischenelementes 4 angeordneten Basiselement 3. Die Ausnehmung 5 stellt also einen Hohlraum dar, welcher durch das Oberflächenelement 2, das Basiselement 3 und das Zwischenelement 4 begrenzt ist.
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Das Zwischenelement 4 kann dabei zweiteilig ausgebildet sein, sodass es die Ausnehmung 5 nur auf zwei Seiten begrenzt oder es kann einteilig ausgebildet sein, sodass es die Ausnehmung 5 auf vier Seiten, das heißt auch auf zwei gegenüberliegenden, senkrecht von der Zeichnungsebene beabstandet angeordneten Seiten begrenzt. Das Zwischenelement 4 weist an wenigstens zwei sich gegenüberliegenden und der Ausnehmung 5 zugewandten Seiten jeweils eine Abstufung zwischen dem Oberflächenelement 2 und dem Basiselement 3 auf. In Höhe dieser Abstufungen ist eine Membran 6 derart angeordnet, dass sie die Ausnehmung 5 überspannt und in Auflagebereichen 7, 8 der Abstufungen an dem Zwischenelement 4 festgelegt ist. Oberhalb der Membran 6, das heißt auf ihrer dem Oberflächenelement 2 zugewandten Seite, und vollflächig mit der Membran 6 verbunden ist ein Piezoelement 9 angeordnet, welches auf seiner der Membran 6 abgewandten Seite bereichsweise mit dem Oberflächenelement 2 verbunden ist.
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In einem mittleren Bereich des Piezoelementes 9 ist zwischen diesem und dem Oberflächenelement 2 eine Elektrode 10 angeordnet, welche auch als erste Elektrode oder Piezoelektrode bezeichnet wird. Vorliegend ist die Membran 6 als zweite beziehungsweise mittlere Elektrode 11 ausgebildet. Auf einer der ersten Elektrode 10 gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 5 ist an dem Basiselement 3 eine dritte Elektrode 12, welche auch als Kapazitätselektrode bezeichnet wird, angeordnet. Die drei Elektroden 10, 11, 12 sind über jeweilige Kontaktierungen 14 mit einer – hier der Übersichtlichkeit halber als einzelnes Bauteil dargestellten – Einrichtung 13 zur Spannungsversorgung, Auswertung und Steuerung elektrisch verbunden.
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Es ist zu beachten, dass in allen Figuren die einzelnen Bauteile und Abstände nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu dargestellt sind beziehungsweise auch bei einer Ausführung mit anderen Größenverhältnissen und Dimensionen ihre jeweiligen Aufgaben und Funktionalitäten erfüllen können.
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Die vorliegende Erfindung weist in ihrer in 1 dargestellten Ausführungsform gegenüber bekannten Vorrichtungen mehrere besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Mit bekannten Vorrichtungen kann bei Verwendung eines Piezoelementes als Aktuator keine echte Kraftmessung beziehungsweise keine Messung einer anhaltenden Kraft durchgeführt werden, da ein Piezokristall nur während einer durch eine Kraft hervorgerufenen mechanischen Verformung eine Spannung erzeugt beziehungsweise eine Ladung aufbaut, dies jedoch nicht bei einer dauerhaft gleichförmig wirkenden Kraft aufrecht erhält. Eine Verwendung eines Piezoaktuators zur Erzeugung eines haptischen Signals erfordert zudem üblicherweise eine signifikante Bauhöhe, um einen genügend großen, für eine deutliche Wahrnehmbarkeit durch eine Bedienperson ausreichenden haptischen Effekt zu erzeugen. Die Kombination mit einer zusätzlichen Einrichtung für eine Kraftmessung erfordert üblicherweise wiederum einen deutlich größeren Bauraum.
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Um diesen Problemen zu begegnen, ist vorliegend das Piezoelement 9 auf der in einer Doppelfunktion auch als Elektrode dienenden Membran 6 angeordnet, die ihrerseits die Ausnehmung 5 überspannt. Bei Anlegen einer Erregerspannung an die erste Elektrode 10 und die Membran 6, welche beidseitig des Piezoelementes 9 angeordnet sind, wird das Piezoelement aktiviert, das heißt es verformt sich unter dem Einfluss des zwischen der ersten Elektrode 10 und der Membran 6 aufgebauten elektrischen Feldes. Das Piezoelement 9 ist dabei so ausgelegt, dass die wesentliche Verformung parallel zu den Haupterstreckungsebenen des Oberflächenelementes 2, der Membran 6 und des Basiselementes 3 erfolgt. Dadurch wird eine mechanische Spannung aufgebaut, die sich durch die feste und flächige Verbindung des Piezoelementes 9 mit der Membran 6 unmittelbar auf diese überträgt und zu einer Verformung auch der Membran 6 führt. Da die Membran 6 in den Auflagebereichen 7, 8 an dem Zwischenelement 4 festgelegt ist, führt die mechanische Spannung zu einem Durchbiegen der Membran senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene. Da auch das Oberflächenelement 2 mittelbar über das Piezoelement 9 beziehungsweise das Piezoelement 9 und die erste Elektrode 10 mit der Membran 6 verbunden ist, führt das Durchbiegen der Membran 6 auch zu einer Verformung des Oberflächenelementes 2, welche im Bereich der Bedienvorrichtung 1 von einer Bedienperson in Form eines haptischen Signals an dem Oberflächenelement 2 wahrnehmbar ist. Das Piezoelement 9, die erste Elektrode 10 und die als Elektrode ausgebildete Membran 6 bilden somit einen Piezoaktuator zur Erzeugung eines haptischen Signals.
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Da die Membran 6 als Elektrode ausgebildet ist, kann sie zusammen mit der gegenüberliegend an dem Basiselement 3 angeordneten dritten Elektrode 12 als Erfassungseinrichtung zur Messung einer Kapazität und/oder einer Kapazitätsänderung zwischen der Membran 6 und der dritten Elektrode 12 genutzt werden. Da diese Kapazität abhängig ist von dem Abstand der Membran 6 zu der dritten Elektrode 12 führt eine Abstandsänderung wie sie bei einer Verformung der Membran 6 senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsrichtung auftritt zu einer Kapazitätsänderung. Aus dieser mittels der Einrichtung 13 mess- und auswertbaren Kapazitätsänderung lässt sich die Abstandsänderung und damit auch die senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene auf die Membran 6 einwirkende Kraft bestimmen. Dies kann beispielsweise die Kraft sein, die von einer Bedienperson auf das Oberflächenelement 2 im Bereich der Bedienvorrichtung 1 ausgeübt wird. Da auf diese Weise auch eine konstant wirkende Kraft erfasst werden kann, ergibt sich für eine Bedienperson der Vorteil, dass ein erfolgreicher Bedienvorgang der Bedienvorrichtung 1 unabhängig von der Betätigungsgeschwindigkeit und die notwendige Betätigungskraft immer gleich hoch ist.
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Um die Membran 6 als Elektrode nutzen zu können, kann sie beispielsweise in Form einer dünnen Metallplatte ausgebildet oder aus einem sonstigen leitenden Material gefertigt sein. Wichtig ist dabei, dass die Größe und Materialstärke der Membran 6 so ausgelegt ist, dass sie durch eine typischerweise von einer Bedienperson komfortabel aufbringbaren Kraft ausreichend verformbar ist, sodass bei einer Bedienhandlung ein für eine zuverlässige Messung der resultierenden Kapazitätsveränderung ausreichendes Signal entsteht. Entsprechende Anforderungen an eine ausreichende Verformbarkeit gelten auch für das Oberflächenelement 2, da dieses einerseits von einer Bedienperson ausreichend verformbar sein muss, um eine entsprechende Verformung der Membran 6 hervorzurufen und andererseits durch den aus dem Piezoelement 9, der ersten Elektrode 10 und der Membran 6 gebildeten Piezoaktuator ausreichend verformbar sein muss, um ein von einer Bedienperson an dem Oberflächenelement 2 zuverlässig wahrnehmbares haptisches Signal zu erzeugen. Das Oberflächenelement 2 kann dazu beispielsweise aus einem Kunststoff oder auch aus Aluminium in einer Stärke von beispielsweise 0,3 mm gefertigt sein. Es ist dabei auch denkbar, das Oberflächenelement nur im Bereich der Bedienvorrichtung 1 mit geringerer Materialstärke auszuführen als in der Umgebung, sodass im Bedienbereich eine ausreichende Verformbarkeit sichergestellt und insgesamt eine gute Stabilität des gesamten Bauteils aufrechterhalten wird. Wird das Oberflächenelement 2 aus einem metallischen oder leitenden Werkstoff gefertigt, so ist gegebenenfalls eine ausreichende Isolierung insbesondere gegenüber der ersten Elektrode 10 vorzusehen.
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Um die Membran 6 zuverlässig und möglichst einfach als Elektrode sowohl für die Erregerspannung zur Aktivierung des Piezoelementes als auch zur Kapazitätsmessung verwenden zu können, ist es zweckmäßig, eine elektrische Verschaltung vorzusehen, bei der die Membran 6 konstant auf einem Massepotential liegt.
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Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform ist es auch denkbar, eine oder beide der Elektroden 10 und 12 jeweils mehrteilig zu gestalten beziehungsweise anstelle einer jeweils einzelnen Elektrode eine Anordnung aus jeweils mehreren Elektroden vorzusehen. Damit kann gegebenenfalls eine Anpassung an bauliche Gegebenheiten erfolgen und/oder etwa das durch die Erregerspannung aufgebaute elektrische Feld besser an die Form des Piezoelementes 9 angepasst und/oder eine verbesserte Kapazitätsmessung durchgeführt werden.
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Insgesamt werden mit der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Funktionalitäten eines Aktuators zur Erzeugung eines haptischen Signals und eine Kapazitäts- beziehungsweise Kraftmessung für eine zuverlässige Detektion und Interpretation einer Bedienhandlung mit minimalem Bauteilaufwand auf engstem Raum realisiert.
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2 zeigt die bereits in 1 dargestellte Bedienvorrichtung 1 in der gleichen schematischen Schnittansicht, wobei vorliegend ein Zustand während einer Bedienhandlung, bei der von einer Bedienperson eine Kraft auf die Bedienvorrichtung 1 ausgeübt wird, dargestellt ist. Die von der Bedienperson ausgeübte Kraft führt zu einer Verformung des Oberflächenelementes 2 senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene in Richtung des Basiselementes 3 und somit auch zu einer Verformung der unmittelbar und/oder mittelbar im Bereich der Ausnehmung 5 an dem Oberflächenelement 2 angeordneten Bauteile. Spezifisch wirkt sich die Verformung des Oberflächenelementes 2 auf die erste Elektrode 10, das Piezoelement 9 und die Membran 6 in Form jeweiliger Verformungen aus.
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Durch diesen Vorgang verringert sich der Abstand der Membran 6, welche auch hier als zweite beziehungsweise mittlere Elektrode 11 ausgebildet ist, zu der dritten Elektrode 12. Dies führt zu einer durch die Einrichtung 13 erfass- und auswertbaren Kapazitätsveränderung zwischen der Membran 6 und der dritten Elektrode 12. Durch eine von der Einrichtung 13 erfasste Kapazitätsänderung kann also zunächst auf eine auf die Membran 6 wirkende Kraft geschlossen werden, wobei selbstverständlich das Vorzeichen der Kapazitätsänderung zu beachten ist, um eine Verringerung oder Vergrößerung des Abstandes zwischen der Membran 6 und der dritten Elektrode 12 korrekt zu interpretieren. Eine typische Verringerung des Abstandes zwischen der Membran 6 und der dritten Elektrode 12 liegt dabei im Bereich bis 100 μm.
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Bei der Auswertung einer gemessenen Kapazitätsveränderung kann es zweckmäßig sein, einen oder mehrere Schwellwerte festzulegen. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass eine gemessene Kapazitätsveränderung erst bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes als beabsichtigte Bedienhandlung interpretiert und somit erst daraufhin eine der Bedienvorrichtung 1 zugeordnete Funktionalität ausgelöst wird. Damit können leichte oder unbeabsichtigte Berührungen des Oberflächenelementes 2, bei denen nur eine geringfügige Kraft auf das Oberflächenelement 2 ausgeübt wird von einer planvollen und beabsichtigten Bedienhandlung unterschieden werden, sodass es nicht zu einem unbeabsichtigten Auslösen einer der Bedienvorrichtung 1 zugeordneten Funktionalität kommt.
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Durch das Festlegen weiterer Schwellwerte können gegebenenfalls verschiedene funktionale Abstufungen beziehungsweise verschieden Funktionalitäten gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, bei Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes der Kapazitätsänderung beziehungsweise auch bei anliegen einer größeren Kraft als zum Erreichen des entsprechenden Schwellwertes des Kapazitätsveränderung notwendig ist, mittels des Piezoaktuators ein spezielles haptisches Signal zu erzeugen und somit einer Bedienperson ein gezieltes und gegebenenfalls an die aufgewendete Kraft angepasstes Signal oder auch eine bestimmte Sinneswahrnehmung zu vermitteln.
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3 zeigt ebenfalls die bereits in 1 und 2 dargestellte Bedienvorrichtung 1 in der gleichen schematischen Schnittansicht, wobei hier ein Zustand dargestellt ist, bei dem der aus dem Piezoelement 9, der ersten Elektrode 10 und der Membran 6 gebildete Piezoaktuator durch Anlegen einer Erregerspannung an die erste Elektrode 10 und die als Elektrode ausgebildete Membran 6 aktiviert ist. Konkret dargestellt ist die Situation, dass durch die angelegte Erregerspannung eine Aufwölbung der Membran 6, das heißt eine Verformung senkrecht zu ihrer Haupterstreckungsebene in Richtung des Oberflächenelementes 2 und damit von dem Basiselement 3 weg erzeugt wird, was auch durch einen Pfeil angedeutet ist. Durch die Verformung der Membran 6 wird auch zumindest mittelbar eine entsprechende Verformung des Oberflächenelementes 2 hervorgerufen, welche von einer Bedienperson in Form eines haptischen Signals an dem Oberflächenelement 2 wahrnehmbar ist. Eine für diesen Zweck geeignete Verformung kann beispielsweise in einem Bereich von 20 μm bis 100 μm liegen und z. B. 50 μm betragen.
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Unabhängig von der konkret gewählten Ausführungsform und der in den Figuren gezeigten Darstellung sind weitere Variationen der vorliegenden Erfindung denkbar, auf die im folgenden eingegangen wird.
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Die Ausnehmung 5 kann vollständig mit Luft gefüllt sein, was insbesondere deshalb vorteilhaft ist, weil dazu keine besonderen Anforderungen an den Herstellungsprozess und gegebenenfalls eine Abdichtung der Ausnehmung 5 gestellt werden. Zudem ist somit eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit der Kapazität zwischen der Membran 6 und der dritten Elektrode 12 gegeben. Um jedoch unerwünschte Einflüsse einer wechselnden Luftfeuchtigkeit in der Ausnehmung 5 zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, die Ausnehmung 5 gezielt abzudichten und/oder die in der Ausnehmung 5 angeordneten Bauteile, insbesondere die Membran 6 und die dritte Elektrode 12 möglichst luft- beziehungsweise feuchtigkeitsdicht gegenüber der Ausnehmung 5 abzudichten. Denkbar ist für diesen Zweck beispielsweise die in der Ausnehmung 5 angeordneten Bauteile zumindest teilweise mit jeweiligen zusätzlichen Membranen oder Folien abzudecken beziehungsweise zu umhüllen. Es ist jedoch auch denkbar, wenngleich mit einem höheren Aufwand verbunden, in den Bereich der Ausnehmung 5 einen Messfühler für die Luftfeuchtigkeit einzubringen und die jeweils aktuellen ermittelten Werte der Luftfeuchtigkeit bei der Auswertung der gemessenen Kapazität beziehungsweise Kapazitätsänderung zu berücksichtigen.
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Alternativ kann das Problem unerwünschter Feuchtigkeits- beziehungsweise Luftfeuchtigkeitseinflüsse dadurch vermieden werden, dass die Ausnehmung 5 mit einem weichen Elastomer ausgefüllt wird. Ein solches Elastomer kann sowohl die Membran 6 als auch die dritte Elektrode 12 gegenüber unerwünschten äußeren Einflüssen isolieren. Um die volle Funktionalität der Bedienvorrichtung 1 aufrecht zu erhalten, muss das Elastomer so gewählt werden, dass es einer Verformung der Membran 6 keinen signifikanten Widerstand entgegen setzt.
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Es kann dabei auch eine nur teilweise Füllung der Ausnehmung 5 mit Luft und/oder einem Elastomer vorgesehen sein. Beispielweise könnte nur in den unmittelbaren Nahbereichen der Membran 6 und/oder der dritten Elektrode 12 ein Elastomer vorgesehen sein, während der übrige Teil der Ausnehmung 5 mit Luft gefüllt ist.
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Die Bestimmung der von einer Bedienperson aufgebrachten Kraft kann nicht nur über eine Kapazitätsmessung erfolgen, es ist alternativ oder zusätzlich auch eine Anordnung eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen an der Membran 6 denkbar. Bei einer Verformung der Membran 6 verformen sich dann auch die daran angebrachten Dehnungsmessstreifen, was zu einer entsprechenden Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen führt, welche wiederum beispielsweise auch von der Einrichtung 13 ausgewertet werden kann, um auf diesem Wege die auf die Bedienvorrichtung 1 einwirkende Kraft zu bestimmen. Mehrere sinnvoll angeordnete Dehnungsmessstreifen bieten gegenüber einem einzelnen Dehnungsmessstreifen dabei Vorteile bezüglich der Präzision und/oder der Geschwindigkeit einer entsprechenden Messung. Bei Verwendung von vier Dehnungsmessstreifen kann beispielsweise das Prinzip einer Wheatstoneschen Messbrücke angewendet werden.
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Eine weitere Alternative zur Bestimmung einer auf die Bedienvorrichtung 1 einwirkenden Kraft besteht in einer induktiven Messung des Abstandes der Membran 6 von einem Referenzelement. Eine solche induktive Abstandsmessung lässt sich beispielsweise mittels eines induktiven Näherungsschalters realisieren, dessen wesentliche Bestandteile beispielsweise anstelle der dritten Elektrode 12 an dem Basiselement 3 in der Ausnehmung 5 angeordnet sein und als Referenzelement für die Bestimmung des Abstandes zu der Membran 6 dienen können. Auch in diesem Fall kann eine entsprechende Spannungsversorgung durch das Bordnetz des Kraftwagens und eine Auswertung und Steuerung durch die Einrichtung 13 und eine entsprechende Verbindung über eine Kontaktierung 14 erfolgen.
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Um neben der haptischen Komponente eine weitere Dimension beziehungsweise einen weiteren Kanal für Signale oder für eine Informationsvermittlung an eine Bedienperson bereitzustellen, kann als Teil der Bedienvorrichtung 1 ein Lichtleiter vorgesehen werden. Ein solcher Lichtleiter kann dabei insbesondere im Bereich des Piezoaktuators beziehungsweise im haptisch aktiven Bereich der Bedienvorrichtung 1 vorgesehen und dort beispielsweise unmittelbar an der dem Basiselement 3 zugewandten Seite des Oberflächenelementes 2 angeordnet sein. Um in einen solchen Lichtleiter eingekoppeltes Licht für eine Bedienperson wahrnehmbar zu machen, kann das Oberflächenelement 2 insbesondere im Bereich des Lichtleiters beispielsweise transparent oder halbtransparent gestaltet werden oder mit entsprechend geformten Ausnehmungen versehen sein. Eine halbtransparente Gestaltung lässt sich beispielsweise durch eine entsprechend ausgelegte PVD- oder Lackbeschichtung erzielen, während gegebenenfalls in dem Oberflächenelement 2 vorgesehene Ausnehmungen entweder von dem Material des Lichtleiters selbst oder von einem weiteren transparenten oder halbtransparenten Material ausgefüllt sein können.
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Der Lichtleiter beziehungsweise entsprechende Ausnehmungen oder transparente beziehungsweise halbtransparente Bereiche des Oberflächenelementes 2 können beispielsweise entsprechend einer der Bedieneinrichtung 1 zugeordneten Funktionalität gestaltet sein, sodass beispielsweise über eine jeweils ein- beziehungsweise ausgeschaltete Beleuchtung ein korrespondierender Ein- beziehungsweise Ausschaltzustand der entsprechenden Funktionalität auf einfache und intuitive Weise einer Bedienperson vermittelt werden kann. Weiterhin ist es denkbar, beispielsweise über die Stärke oder Farbe einer Beleuchtung zusätzliche Informationen oder eine weitere Rückmeldung während eines Bedienvorganges zu signalisieren beziehungsweise zu vermitteln.
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Bei einem Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Signals mittels einer Bedienvorrichtung der oben beschriebenen Art wird bei Anlegen einer Erregerspannung an zumindest zwei der Elektroden – hier beispielsweise an die Elektroden 10, 11 – eine Verformung beziehungsweise Längenänderung des Piezoelementes 9 hervorgerufen und dadurch die Membran 6 gekrümmt. Dies erzeugt das haptische Signal an dem Oberflächenelement 2.
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Durch eine gezielte und entsprechend angepasste Steuerung der Erregerspannung kann die hervorgerufene Verformung gesteuert werden, sodass unterschiedliche und auch von einer Bedienperson unterschiedlich wahrgenommene haptische Signale erzeugt werden können. Damit lassen sich gezielt unterschiedliche Informationen und Rückmeldungen an eine Bedienperson vermitteln. So kann neben einem einzelnen haptischen Impuls auch eine gegebenenfalls dauerhaft aufrechterhaltene Vibration erzeugt werden, wodurch es einer Bedienperson beispielsweise ermöglicht wird, die Position der Bedienvorrichtung 1 ausschließlich unter Verwendung des Tastsinnes, das heißt insbesondere ohne den Blick vom Verkehrsgeschehen abzuwenden, zu ermitteln.
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Eine bevorzugte Steuerung des haptischen Signals besteht darin, bei Überschreiten eines festgelegten Schwellwertes der Kapazitätsänderung ein gezieltes haptisches Signal zu erzeugen, welches einer Bedienperson den Eindruck beziehungsweise die Wahrnehmung vermittelt, einen herkömmlichen mechanischen Schalter oder eine Taste betätigt zu haben.
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Für ein solches Verfahren können auch alle bisher beschriebenen Weiterbildungen und Varianten der Bedienvorrichtung 1 einschließlich der Einrichtung 13 zur Spannungsversorgung, Auswertung und Steuerung verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0021087 A1 [0002]
- WO 2010/079151 A1 [0003]
- EP 2323015 A2 [0004]
