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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement zur berührbereichsauflösender Berührdetektion auf einer dazu vorgesehenen Betätigungsfläche. Bei bekannten Bedienelementen ist zur ortsauflösenden Berührdetektion ein sogenanntes Touchpad vorgesehen. Diese arbeiten nach einem resistiven, kapazitiven Prinzip oder es erfolgt eine Positionsbestimmung auf akustischem oder optischem Wege.
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Gemeinsam diesen bekannten Lösungen ist, dass sie eine vergleichsweise aufwändige Auswertelektronik und eine betätigungsflächennahe Anordnung der Sensorik erforderlich machen. Dies macht die Konstruktion solcher Bedienelemente vergleichsweise kompliziert, insbesondere solcher, die zusätzlich eine motorische Bewegungsanregung des Betätigungsteils zur Bereitstellung eines haptischen Feedbacks aufweisen. Darüber hinaus ist eine derart genaue und/oder hochempfindliche Ortsauflösung in vielen Anwendungsbereichen gar nicht erforderlich, insbesondere in einem Kraftfahrzeug wo aufgrund der auf den Bediener einwirkenden fahrdynamischen Kräfte eine derartig genaue Eingabe durch den Bediener gar nicht möglich ist.
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Somit steht Bedarf nach einem Bedienelement, das vergleichsweise einfach aufgebaut ist und das trotzdem eine zuverlässige wenigstens bereichsweise erfolgende Berührdetektion erlaubt und dies insbesondere in Kombination mit der Bereitstellung eines haptischen Feedbacks. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Verwendungsanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bedienelements sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen 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.
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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, welches eine Basis aufweist. Die Basis ist bei einer Verwendung im Kraftfahrzeug beispielsweise mit dem Fahrzeug, beispielsweise einem Armaturenbrett oder einer Konsole fest verbunden. Die Basis besteht beispielsweise ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen Kunststoff oder einer Zinkdruckgusslegierung. An der Basis ist ein Träger beweglich gelagert. Das Betätigungsteil weist ferner ein an wenigstens zwei Einwirkstellen auf den Träger einwirkendes Betätigungsteil auf, welches eine Betätigungsfläche definiert. Der Abstand der Einwirkstellen entspricht oder übertrifft beispielsweise die Ausdehnung der Betätigungsfläche in der dazu parallelen Richtung.
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Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei, zwischen dem Träger und der Basis angeordnete Kraftsensoren, beispielsweise kapazitive oder piezoelektrische Kraftsensoren vorgesehen, so dass bei Krafteinwirkung auf die Betätigungsfläche, das Betätigungsteil über den Träger auf die Kraftsensoren einwirkt, um ein elektrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Dieses Ausgangssignal dient einer Auswertelektronik, um einen Ort der Berührung auf der Betätigungsfläche zu ermitteln.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei ausschließlicher Betätigung in wenigstens zwei räumlich unterschiedlichen Bereichen der Betätigungsfläche, insbesondere in den den Einwirkstellen nächstbenachbarten Bereichen der Betätigungsfläche durch Verwindung und/oder Biegung des Trägers zwischen den Einwirkstellen sich das Ausgangssignal der Kraftsensoren unterscheidet. In einer einfachen Ausgestaltung mit zwei Sensoren erfolgt beispielsweise anhand der Ausgangssignale zweier Kraftsensoren eine eindimensionale Auswertung, beispielsweise eine links-rechts-Auswertung und die Betätigungsfläche ist im Wesentlichen in mehrere, beispielsweise drei, fünf oder sieben Zonen entlang dieser Richtung unterteilt. Durch die erfindungsgemäße Auslegung kann ein Bedienelement mit berührbereichsauflösender Berührdetektion bereitgestellt werden, dass vergleichsweise einfach aufgebaut ist, bei dem insbesondere gewichts- und bauraumsparend auf eine aufwändige Sensorik verzichtet werden kann. Gleichzeitig kann das Betätigungsteil und insbesondere dessen Betätigungsfläche haptisch ansprechend ausgestaltet sein. Gerade Betätigungsteile mit für die Berühreingabe als vorteilhaft empfundenem geringem Reibwiderstand sind in der Regel sehr biegesteif, so dass an diesen unmittelbar keine Detektion mittels Verwindung oder Biegen erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Auslegung hat den Vorteil, dass lediglich der Träger zur eigentlichen Detektion benötigt wird und somit die Gestaltung des Betätigungsteils beliebig ausfallen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Betätigungsteil beispielsweise eine Schicht aus Mineralglas oder synthetischem Korund auf, welche die Betätigungsfläche definiert. Das Betätigungsteil ist bevorzugt in einer zur jeweiligen Auswerterichtung parallelen Richtung biege- und/oder verwindungssteifer als der Träger ausgelegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Träger eine Schwächung auf, um dessen Verwindung und/oder Biegung zu ermöglichen. Schwächung im Sinne der Erfindung meint beispielsweise eine Verringerung der Materialstärke. In einer Ausgestaltung weist der Träger zwei plattenförmige Segmente auf, die über einen Steg einstückig miteinander verbunden sind.
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Gemäß einer einfachen Ausgestaltung ist der Träger schwenkbeweglich an der Basis gelagert. Beispielsweise erfolgt eine eindimensionale Ortsauswertung entlang einer zur Schwenkachse parallelen Richtung.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Bedienelements ist der Träger über zwei parallel verlaufende, um eine gemeinsame Drehachse bewegliche Schwenkarme an der Basis gelagert ist, die über die sich parallel zur Drehachse erstreckende Schwächung, beispielsweise den zuvor erwähnten Steg, verbunden sind und trotz der durch den Steg bewirkten, vergleichsweise schwachen mechanischen Kopplung relativ zueinander bewegt werden können.
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Bevorzugt weist die Schwenklagerung Mittel zur elastischen Vorspannung auf, um die Schwenklagerung spielfrei zu stellen. Beispielsweise weist dazu eine Bohrung der Schwenklagerung ein Untermaß bezogen auf eine zugehörige Achse der Schwenklagerung oder noch bevorzugter nur bereichsweise eine Untermaß auf. Beispielswese ergibt sich die elastische Vorspannung durch eine oder mehrere von der Innenwandung der Bohrung vorstehende Rippen, die in radialer Richtung auf den Außenumfang der in die Bohrung eingeführten Achse elastisch vorspannend einwirken.
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Damit einerseits das „Verkippen“ der Betätigungsfläche bei der Schwenkbewegung des Betätigungsteils haptisch möglichst nicht wahrnehmbar ist und ferner die haptische Anregung zumindest weitgehend keine detektierbare Kraftkomponente an den Kraftsensoren hervorruft, ist bevorzugt die Drehachse beabstandet zum Betätigungsteil angeordnet, beispielsweise betätigt der Abstand wenigstens 1 cm, bevorzugt mehr als 2 cm, noch bevorzugter mehr als 3 cm, beispielsweise 5 cm.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Betätigungsteil ferner in einer zur Betätigungsfläche parallelen Richtung beweglich, bevorzugt schwenkbeweglich am Träger befestigt ist und ferner ein Aktuator vorgesehen ist, um das Betätigungsteil in dieser Richtung zur Erzeugung eines haptischen Feedbacks anzutreiben.
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Bevorzugt dabei ist, dass die Beweglichkeit des Trägers senkrecht zur Richtung des haptischen Feedbacks, um beide mechanisch zu entkoppeln. Noch bevorzugter ist vorgesehen, dass die Schwenkbeweglichkeit des Trägers um eine Achse erfolgt, die senkrecht zu der Richtung ist, in der die Bewegung des haptischen Feedbacks erfolgt, um die Kraftdetektion von der haptischen Anregung zu entkoppeln.
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Bevorzugt ist das Betätigungsteil mittels parallel zur Betätigungsrichtung verlaufender Blattfedern beweglich am Träger befestigt ist. Dies hat den Vorteil, dass bei alleiniger und senkrechter Betätigungsbeanspruch die Blattfedern aufgrund der erfolgenden Zug- oder Schubbeanspruchung in ihrer Verlaufsrichtung wenig nachgebend sind, so dass die Betätigungskraft effizient und verlustfrei auf den Träger übertragen werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Träger spielfreistellend gegen die Kraftsensoren vorgespannt. Beispielsweise sind dazu auf Zug oder Druck beanspruchte Federn vorgesehen. Dadurch werden Übertragungsverluste durch spielbedingten Totgang vermieden. Dazu lässt sich der Arbeitspunkt der Kraftsensoren festlegen.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bedienelements in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
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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:
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1 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1;
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2 eine Schnittansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1;
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3 eine Aufsicht auf das Bedienelement der 1 und 2 bei entferntem Betätigungsteil;
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4 eine Detailansicht der Lagerung des trägerseitigen Hebels 6 am basisseitigen Achszapfen 7.
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1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. In der in 1 wiedergegebenen Aufsicht ist das Betätigungsteil 4 mit der zugehörigen für die Berühreingabe vorgesehenen Betätigungsfläche 2 zu sehen. Die Betätigungsfläche 2 ist von einem Blendenrahmen 3 umgeben. Das Betätigungsteil 4 und damit die Betätigungsfläche 2 sind in der Zeichenebene beweglich gegenüber der Blende 3 gelagert. Durch die Bereiche 2l, 2m, 2r sollen die gegebenenfalls für den Bediener nicht sichtbaren Zonen angedeutet werden, anhand derer eine ortsauflösende Berührdetektion auf der Betätigungsfläche 2 durch Kraftmessung erfolgen soll.
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Die Auflösung erfolgt hier in rein horizontaler Richtung auf drei Zonen, je nach Auflösungsvermögen sind mehr sich in allen Richtungen auf der Betätigungsfläche 2 verteilende Zonen denkbar. Die Betätigungsfläche 2 wird durch eine äußere Mineralglasschicht des Betätigungsteils 4 definiert, wodurch das Betätigungsteil 4 vergleichsweise biegesteif ausfällt. Wie aus 2 zu erkennen ist, soll mit dem Bedienelement 1 auf die Zonen 2l, 2m und 2r aufgelöst die auf die Betätigungsfläche 2 wirkende und durch einen oder mehrere Finger eines Bedieners erfolgende Betätigungskraft F detektiert werden, um zonen- oder berühbereichsabhängig unterschiedliche elektronische Ausgangssignale zu erzeugen und letztlich damit Funktionen mit dem Bedienelement 1 betätigen zu können.
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Gleichzeitig soll dem Bediener ein haptisches Feedback bereitgestellt werden. Dieses wird beispielsweise bei Überschreiten eines vorgegebenen Kraftwertes erzeugt. Erfindungsgemäß ist dazu ein Aktor 13 vorgesehen, der das Betätigungsteil 4 relativ zu seiner Basis 8 in schwingende oder impulsartige Bewegung in einer zur Betätigungskraft F senkrechten und in der Zeichenebene liegenden Richtung H antreibt. Dazu ist das Betätigungsteil 2 sich über Blattfedern 12 abstützend an einem Träger 5 schwenkbeweglich gelagert. In einer alternativen Ausführungsform ist eine hängende Lagerung über Blattfedern vorgesehen. Die Blattfedern 12 sind in der Bewegungsrichtung H elastisch nachgebend, so dass darüber eine Rückstellung bewirkt wird. Der für die Kraftmessung schwenkbeweglich an der Basis gelagerte Träger 5 ist in der für die Haptik vorgesehenen Beweglichkeitsrichtung des Betätigungsteils 2 gegenüber der Basis 8 durch die Zapfenlagerung 7 festgelegt, so dass sich die durch den Aktor 13 erzeugte Bewegung nicht auf den Träger 5 überträgt. Dabei bleibt die durch die Hebelarm 6 geführte Verschwenkbeweglichkeit des Trägers 5 erhalten. Der Träger 5 weist zu seiner Schwenkbeweglichkeit zwei beabstandete, parallele Hebelarme 6 auf, die an basisseitigen eine gemeinsame Drehachse definierenden Achszapfen 7 schwenkbeweglich gelagert sind. Dabei wird durch elastische Vorspannung der Lagermittel eine Spielfreistellung erreicht, wie in Bezug auf 4 später erläutert werden wird. Die Betätigungskraft F wirkt somit über die in ihrer Erstreckungsrichtung vergleichsweise steifen Blattfedern 12 über das Betätigungsteil 4 auf den Träger 5, der wiederum aufgrund seiner Verschwenkbarkeit über seine stößelartigen Fortsätze 11 auf die sich zwischen dem Träger 5 und der Basis 8 befindlichen Kraftsensoren 10 einwirkt. Die Kraftsensoren 10 befinden sich auf einer Platine 9, die an der Basis 8 befestigt ist. Zur Spielfreistellung des Wirkeingriffs zwischen dem Träger 5 und den Kraftsensoren 10 ist der Träger mehrfach mittels Druckfedern 14 in Richtung der Kraftsensoren 10 vorgespannt.
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Um eine den in 1 gezeigten Berührbereichen oder Berührzonen 2l, 2m, 2r entsprechende berührbereichsabhängige Detektion zu ermöglichen, ist der Träger 5 zwischen den durch den Eingriff mit dem Betätigungsteil 4 über die Bleche 12 definierten Einwirkstellen 12l und 12r vergleichsweise biegeweich ausgebildet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Träger 5 durch zwei plattenförmige, jeweils einen Hebelarm 6 ausbildende Segmente 5a, 5b und einen vergleichsweise dünnen, die Segmente 5a, 5b verbindenden Steg 15 ausgebildet wird, der bei einseitiger Belastung der Betätigungsfläche 2, beispielsweise bei einer nicht mittigen Berührbelastung dieser, eine Torsion und Verbiegung erfährt, so dass im Falle einer einseitigen Belastung beispielweise einer ausschließlichen Betätigung in der Zone 2l oder 2m eine Relativbewegung zwischen den Trägersegmenten 5a und 5b erfolgt. Da diese Segmente 5a und 5b jeweils auf einen zugehörigen Kraftsensor 11 wirken, ergibt sich in diesem Fall ein unterschiedliches elektrisches Ausgangssignal an den beiden Kraftsensoren 11, so dass eine bezüglich der drei Bereiche 2l, 2m, 2r erfolgende Ortsauflösung der Berührung der Betätigungsfläche 2 ermöglicht ist. Der durch den Steg 15 freigestellte Hohlraum zwischen den Trägersegmenten 5a und 5b gib Freiraum für die Anordnung des Aktuators 13 frei.
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Anhand der 4 werden die Mittel verdeutlicht, die erfindungsgemäß vorgesehen sind, die schwenkbewegliche Lagerung des Trägers 5 bzw. dessen Hebel 6 an den basisseitigen Achszapfen 7 zu bewirken. Die Hebel 6 sind mit einer Bohrung 18 versehen, in die ein in radialer Richtung elastisch nachgebender Ring 17 über Stege gehalten ist. Die Bohrung des Ringes 17 dient der Aufnahme der basisseitigen Achszapfen 7. Die Bohrung des Ringes 17 weist ein Untermaß bezüglich des Durchmessers der Achszapfen 7 auf, da eine Rippe 16 in radialer Richtung von der Innenwandung der Bohrung vorsteht, so dass der Hebel 6 des Trägers 5 auf dem Achszapfen 7 spielmindernd klemmend gehalten wird.
