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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement mit einem bewegbar gelagerten Betätigungsteil und einem Aktor, um das Betätigungsteil zum Zweck der Erzeugung eines haptischen Feedbacks anzutreiben. Bei den bekannten Bedienelementen erfolgt in der Regel zwar die Auslenkung durch elektromagnetische Kräfte, die Rückstellung in die Ausgangsstellung wird aber in der Regel rein durch mechanische Rückstellkräfte, wie Federn und dergleichen bewirkt. Dies hat aber den Nachteil. dass der Bewegungsablauf nur eingeschränkt durch die Ansteuerung der Anregung variiert werden kann. Ferner unterliegt die mechanische Rückstellung einem gewissen Verschleiß. Gleichzeitig soll das Bedienelement kompakt und damit bauraum- und gewichtssparend ausgelegt sein und eine hohe Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Dies gilt insbesondere für die Anwendung im Fahrzeugbau.
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Ein Bedienelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist aus der
US 2005/0017947 A1 bekannt.
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Ein Prinzip für den linearen Schwingantriebs gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 ist bekannt aus der
DE 1 613 161 A .
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Die haptische Rückmeldung für ein Betätigungselement mittels eines meandrierenden zwischen Polschuhen geführten elektrischen Leiters ist gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 bekannt aus der
DE 10 2011 111 543 A1 .
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Es besteht daher Bedarf nach einem Bedienelement mit hoher Integrationsdichte. geringem Verschleiß, geringem Gewicht und bei ausgeprägter individualisierbarer Haptik, was insbesondere eine zuverlässige, reproduzierbare Rückstellung in die zugehörige Ruhestellung beinhaltet. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen 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 einen Träger und ein Betätigungsteil umfasst. Das Betätigungsteil weist eine berührempfindliche Eingabefläche auf. die Eingabefläche kann eine gekrümmte Flache sein. Bevorzugt ist die Eingabefläche eben. Das Betätigungsteil ist im Wesentlichen parallel zu der von der Eingabefläche aufgespannten Ebene schiebebeweglich in einer Bewegungsrichtung am Träger gelagert. Bei einer gekrümmten Eingabefläche wird beispielsweise die besagte die Bewegungsrichtung definierende Ebene durch den Außenumfang der Eingabefläche definiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem Betätigungsteil mit berührempfindlicher Eingabefläche um ein Touchpad oder ein Touchdisplay. Durch die Formulierung „im Wesentlichen parallel” im Sinne der Erfindung soll sichergestellt werden, dass auch eine schwenkbewegliche, wie pendelnd aufgehängte Lagerung des Betätigungsteils am Träger erfindungsgemäß umfasst sein soll. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine rein translatorische Bewegung des Betätigungsteils gegenier dem Träger vorgesehen, wie es beispielsweise bei einer schwimmenden Lagerung vorgesehen ist. Es können ferner erfindungsgemäß mechanische Rückstellkräfte, wie auf der Gravitation oder durch Magnetkräfte beruhende oder durch elastische Verformung hervorgerufene Kräfte wirksam sein, um die selbstständige, d. h. ohne Aktivierung des nachfolgend beschriebenen Aktors bewirkte Rückstellung in eine der Auslenkung zeitlich vorhergehende Ruhestellung zu bewirken. Erfindungsgemäß kann aber auch eine freie und damit sich nicht selbstständig in eine Ruhestellung zurückstellende Beweglichkeit des Betätigungsteils erfindungsgemäß vorgesehen sein.
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Um eine elektromotorische Bewegung des Betätigungsteils in Richtung seines Freiheitsgrads zu bewirken ist erfindungsgemäß ein Aktor zur Bewirkung einer Bewegung in Bewegungsrichtung des Betätigungsteils relativ zum Träger vorgesehen. Die motorische Bewegung dient der Bereitstellung eines haptischen Feedbacks, beispielsweise durch einen Bewegungsimpuls in einer ersten Bewegungsrichtung gefolgt durch eine Rückbewegung in umgekehrte Bewegungsrichtung. Der zur Eingabefläche parallele Antrieb hat den Vorteil, dass bei Anregung durch den Aktor die vergleichsweise große Eingabefläche nicht als eine einer Lautsprechermembran entsprechende schallabstrahlende Fläche in Erscheinung tritt.
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Der erfindungsgemäße Aktor weist wenigstens einen bestromten, d. h. mit einem elektrischen Strom beaufschlagten Leiter auf, bevorzugt genau einen bestromten Leiter auf. Der Verlauf des Leiters definiert eine elektrische Stromrichtung. Der Aktor umfasst ferner Magnetfeld erzeugende Mittel. Leiter und Magnetfeld erzeugende Mittel sind nächstbenachbart beabstandet, wenigstens abschnittsweise parallel zueinander verlaufend, beispielsweise über einen Isolator oder Luftspalt beabstandet, jeweils am Betätigungsteil und am Träger oder umgekehrt angeordnet. Beispielsweise ist der Leiter starr am Träger und die Magnetfeld erzeugenden Mittel, wie ein oder mehrere Permanentmagneten starr am Betätigungsteil befestigt. Die Hauptfeldrichtung des Magnetfeldes verläuft erfindungsgemäß senkrecht zur Bewegungsrichtung und senkrecht zur Stromrichtung. Die Stromrichtung ist ferner senkrecht zur Bewegungsrichtung. Durch Stromrichtungsumkehr ist die Bewegungsrichtung des Betätigungsteils umkehrbar. Dadurch wird wenigsten die Umkehr in die Ausgangsstellung durch die Beaufschlagung mit einem geeigneten Stromverlauf einstellbar. Es gibt somit aufgrund der erfindungsgemäß weitgehenden Unabhängigkeit von einer rein mechanischen Rückstellung eine deutlich größere Variantenvielfalt des haptischen Erlebnisses. Beispielsweise besteht so die Möglichkeit die Rückstellung gegenüber einer vorhandenen rein mechanisch bewirkten Rückstellung zu beschleunigen oder die erste Auslenkung des Betätigungsteils durch eine umgekehrte Bestromung zu bremsen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat ferner gegenüber herkömmlichen Aktoren, die im Allgemeinen eine Spule und einen zugehörigem Anker umfassen, den Vorteil, dass Bauraum eingespart werden kann. Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Aktor in dem durch die Anordnung von Träger und Betätigungsteil definierten Zwischenraum angeordnet.
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Die Magnetfeld erzeugenden Mittel umfassen in einer Ausgestaltung einen Elektromagneten, beispielsweise handelt es sich in einer einfachen Ausgestaltung des Elektromagneten um einen am Betätigungsteil befestigten weiteren Leiter, der dem Verlauf des vorgenannten Leiters folgend ausgestaltet ist, aber im Auslenkungsfall bezüglich der Stromrichtung des vorgenannten Leiters in entgegengesetzter Richtung bestromt wird. Gemäß einer bevorzugten Variante umfassen die Magnetfeld erzeugenden Mittel jedoch einen oder mehrere Permanentmagnete.
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Zur Vereinfachung der Herstellung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Magnetfeld erzeugenden Mittel in eine Folie oder einen Folienschichtaufbau eingebettet sind. Beispielsweise handelt es sich um eine Folie aus Kunststoff, bevorzugt eine Folie aus thermoplastischem Kunststoff.
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Erfindungsgemäß sind die Magnetfeld erzeugenden Mittel aus einem hartmagnetischen Magnetwerkstoffe auf der Basis von Kobalt-Samarium, Hartferriten, wie Ba-Ferrite oder Sr-Ferrite, oder Neodym-Eisen-Bor (NdFeB). Bevorzugt liegt der hartmagnetische Werkstoff in Partikelform vor und ist in wenigstens eine Schicht der Folie oder des Folienschichtaufbaus eingebettet.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Leiter auf einer Leiterplatte aufgebracht. Beispielsweise handelt es sich um eine äußere metallische Beschichtung einer Leiterplatte. Es handelt sich beispielsweise um eine einseitig oder zweiseitig bestückte Leiterplatte. Die Leiterplatte ist ferner ein- oder zweiseitig mit Leiterbahnen versehen oder es handelt sich um eine Multilayer-Leiterplatte.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bedienteils weisen die Magnetfeld erzeugenden Mittel mehrere senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende streifenförmige Magnetfelder mit in Bewegungsrichtung alternierender Polarisationsrichtung auf und der Leiter ist mäanderförmig im Wesentlichen den Streifen folgend ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich um streifenförmige Permanentmagnete oder streifenförmige Bereiche mit eingebetteten Permanentmagneten. wobei im jeweiligen Streifen oder Bereich die Polarisationsrichtung, weiche senkrecht zum Leiter und senkrecht zur Bewegungsrichtung ist, entweder auf den Leiter hin oder zum Leiter weg gerichtet ist. Durch die alternierende Anordnung ist im jeweils benachbarten Bereich die umgekehrte Polarisationsrichtung vorgesehen. Durch die benachbart zu den Streifen angeordnete, mäanderförmige Anordnung des Leiters in Form einer ebenen Wicklung wird eine bauraumsparende aber eine effektiver Antrieb des Betätigungsteils erreicht. In einer Ausgestaltung ist ein Luftspalt zwischen Betätigungsteil und dem Träger, insbesondere im Bereich zwischen den Magnetfeld erzeugenden Mitteln und dem Träger vorgesehen. Beispielsweise definiert der Luftspalt einen lichten Abstand von einigen wenigen Zehntelmillimetern zwischen den Magnetfeld erzeugenden Mitteln und dem Träger.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist aufgrund Gleitberührung eine Relativbewegung zwischen den Magnetfeld erzeugenden Mitteln und dem Leiter ermöglicht. Zu diesem Zweck kann wenigstens eine aus trägerseitiger oder betätigungsteilseitiger Oberflächen mit einer gegenüber der ursprünglichen Oberfläche reibungsmindernden Schicht versehen sein. Beispielsweise ist eine Polytetrafluorethylen-Schicht als reibungsmindernde Schicht vorgesehen. Beispielsweise ist diese reibungsmindernde Schicht eine äußere Schicht des die Magnetfeld erzeugenden Mittel bereitstellenden Folienschichtaufbaus.
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Bevorzugt weist der Leiter einen geringeren Durchmesser in der zur Bewegungsrichtung parallelen Richtung als die jeweilig nächstbenachbarten Magnetfeld erzeugenden Mittel. Beispielsweise ist der Durchmesser des Leiters geringer als die Abmessung des nächstbenachbarten Poles des jeweilig nächstbenachbarten Permanentmagneten. Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Leiters in besagter Richtung 2/3 oder weniger der der Bewegungsrichtung folgenden Querabmessung des nächstbenachbarten Poles des zugehörigen Permanentmagneten.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Magnetfeld erzeugenden Mittel eine für den Magnetrückschluss angeordnete ferromagnetische oder ferromagnetische Partikel enthaltende Schicht. Beispielsweise ist die Schicht Teil des die Magnetfeld erzeugenden Mittel beinhaltenden Schichtaufbaus. Beispielsweise handelt es sich um eine äußere unmittelbar an das Betätigungsteil angrenzende, den Folienschichtaufbau zum Betätigungsteil hin abschließende Schicht. Dies sorgt für eine geringere magnetische Belastung der betätigungsteilseitigen Elektronik die beispielsweise vorgesehen ist, um die Berührdetektion im Bereich der berührempfindlichen Eingabefläche durchzuführen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung eines haptischen Feedbacks unter Verwendung des Bedienelements in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei nach Bewegung des Betätigungsteils aus seiner Ruhestellung aufgrund einer ersten Stromrichtung im Leiter die Rückstellung ausschließlich oder unter anderem durch eine zweite, gegenüber der ersten umgekehrte Stromrichtung bewirkt wird.
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Bevorzugt wird durch die zweite Stromrichtung bewirkte Rückstellkraft eine mechanisch bewirkte gleichgerichtete Rückstellkraft verstärkt, bevorzugt mindestens verdoppelt. Eine mechanische bewirkte Rückstellkraft ist beispielsweise eine Federkraft.
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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 naher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht der wesentlichen Bestandteile einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1;
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2 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Das Bedienelement umfasst einen Träger 9 und ein Betätigungsteil 6. Das Betätigungsteil 6 ist ein Touchpad, welches eine ebene berührempfindliche Eingabefläche 7 definiert. Das Betätigungsteil 6 liegt schiebebeweglich auf dem Träger 9 auf, wobei die sich aus dem Freiheitsgrad ergebende Bewegungsrichtung 8 parallel zur Eingabefläche 7 ist. Die „lose” Auflage ergibt sich dadurch, dass das Betätigungsteil 6 über eine Schicht 2e mit im Vergleich zu dem Kunststoffmaterial des Touchpads geringerem Reibungskoeffizienten, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, auf dem Träger aufliegt. Die Lagerungsmechanik kann ferner einen nicht dargestellten Verlierschutz und/oder Mittel zur Rückstellung des Betätigungsteils und/oder Mittel zu mechanischen Beanschlagung des Verschiebeweges umfassen, die jeweils nicht dargestellt sind. Der Träger 9 umfasst eine Leiterplatte 4. Diese Leiterplatte 4 weist unten, d. h. auf ihrer dem Betätigungsteil 6 abgewandten Seite, eine metallische Schicht 5 zur elektromagnetischen Abschirmung auf. Auf ihrer oberen, d. h. dem Betätigungsteil 6 zugewandten Seite ist eine metallischen Beschichtung als mäanderförmig über die Oberfläche der Leiterplatte 4 geführter Leiter 3 aufgebracht. Der Leiter 3 ist Teil des erfindungsgemäßen Aktors 2, 3 zum motorischen Antrieb des Betätigungsteils 6 in der Bewegungsrichtung 8. Der Leiter 3 weist parallel verlaufende Abschnitte auf, die senkrecht zur Bildebene der 1 verlaufen. Bei Anlegung eines elektrischen Stromes an den Leiter 3 ist die Stromrichtung ebenfalls senkrecht zur Bildebene, wobei aufgrund der mäanderförmigen Führung des Leiters 3 in Form einer ebenen Wicklung auf der Leiterplatte 4, sich die Stromrichtung beglich zwischen zwei benachbarten parallelen Abschnitten des Leiters 3 alternierend umkehrt, jeweils in Richtung des Betrachters bzw. weg vom Betrachter. Angrenzend an die Leiter 3 liegt der betätigungsteilseitige Folienschichtaufbau 2 auf dem Träger 9 auf. Der Folienschichtaufbau 2 ist Teil des erfindungsgemäßen Aktors 2, 3 und entspricht einem Laufer eines elektromotorischen Antriebs. Der Folienschichtaufbau 2 weist eine Schicht 2b auf, in die permanentmagnetische Partikel derart eingebettet sind, dass diese Schicht mehrere den Leiterabschnitten parallel folgende Streifen ausbilden, wobei jeder ein Magnetfeld erzeugende Streifen eine, in der Bildebene liegende und senkrecht zur Bewegungsrichtung 8 stehende Polarisationsrichtung 2c aufweist und die jeweils nächstbenachbarten Streifen die umgekehrte, in der Bildebene liegende und senkrecht zur Bewegungsrichtung 8 stehende Polarisationsrichtung 2c aufweist. Der Mittelpunktabstand von zwei unmittelbar benachbarten, ungleichnamiger magnetischer Pole, die jeweils durch einen Streifen 2d definiert werden entspricht dem Mittelpunktsabstand von zwei unmittelbar benachbarten Leiterabschnitten. Der Folienschichtaufbau 2 umfasst ferner eine ferromagnetische, die magnetische Schicht 2c bedeckende Schicht 2a, die dem Magnetrückfluss der Schicht 2c dient. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Strom im Leiterabschnitt 3 und dem durch die Schicht 2b definierten alternierenden Magnetfeld sorgt für einen Bewegungsimpuls des Betätigungsteils 6 in Bewegungsrichtung 8. Eine Rückbewegung in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung wird beispielsweise durch eine umgekehrte Stromrichtung des an den Leiter 3 angelegten elektrischen Stromes und/oder durch mechanische, nicht dargestellte Rückstellmittel bewirkt. In 2 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1 gezeigt, welches sich insoweit von der in 1 gezeigten Variante unterscheidet, dass die Magnetfeld erzeugenden Mittel 2 nicht durch einen Folienschichtaufbau gebildet ist, sondern die Schicht 2c durch eine Aneinanderreihung von Permanentmagneten 2c ausgebildet ist. Ferner ist das Betätigungsteil 6 über einen Luftspalt beabstandet zum Träger 9 angeordnet, wobei sich eine solche frei über dem Träger 9 schwebende Lagerung beispielsweise aufgrund einer nicht dargestellten pendelnden Lagerung des Betätigungsteils 6 ergibt.
