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Bei Bedienelementen besteht generell der Bedarf, eine vergleichsweise große Anzahl von Schaltfunktionen durch ein einziges Betätigungsteil durchführen zu können. Andererseits muss eine hohe Bediensicherheit gewährleistet werden, was eine genaue Stellungsdetektion des Betätigungsteils erforderlich macht. Dies wird oft durch einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand realisiert, was mit einem vergleichsweise großen Bauraum gegebenenfalls auch hohem Gewicht des entsprechenden Bedienelements einhergeht. Solche Lösungen sind insbesondere im Kraftfahrzeugbau unerwünscht.
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Aus der
US 7 705 612 B2 ist ein Bedienelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Gattungsgemäße Bedienelemente sind ferner aus der
WO 2013/020236 A1 , der
US 2005 / 0 093 822 A1 und der
US 2006 / 0 267 598 A1 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Bedienelement mit hoher Integrationsdichte bereitzustellen und insbesondere ein solches zu schaffen, das bei geringem Bauvolumen eine Vielzahl von Schaltfunktionaltäten bereitstellt. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Verwendungsanspruchs.
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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Bedienelement weist ein bewegbar gelagertes, beispielsweise in wenigstens zwei, beispielsweise vier Schwenkrichtungen verschwenkbar gelagertes, Betätigungsteil auf. Gemäß einer Ausgestaltung beträgt der Schwenkweg gemessen zwischen der Ruhestellung und der jeweiligen Maximalstellung für alle Schwenkrichtungen weniger als 5,0 mm, bevorzugt weniger als 3,0 mm, noch bevorzugter weniger als 1,0 mm, meist bevorzugt weniger als 0,5 mm.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Matrix von Kraftsensoren vorgesehen, auf die das Betätigungsteil einwirkt. Die Kraftsensoren dienen der Messung einer Krafteinwirkungsmatrix, die der Krafteinwirkung auf das Betätigungsteil zugeordnet ist. Die Matrix ist beispielsweise eine Reihe aus zwei Kraftsensoren oder eine dreieckförmige Anordnung von drei Kraftsensoren, bevorzugt eine Anordnung von vier Kraftsensoren. Erfindungsgemäß ist eine Auswerteinheit zum Vergleich der gemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit einer vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix vorgesehen, um bei einer Mindestübereinstimmung dergemessenen Krafteinwirkungsmatrix mit der vorgegebenen Krafteinwirkungsmatrix dem Bedienelement eine elektrische Schaltfunktion zuzuordnen. Beispielsweise handelt es sich bei den Kraftsensoren um Piezokraftaufnehmer. Bevorzugt werden kapazitiv messende Kraftsensoren verwendet.
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Erfindungsgemäß sind wenigstens zwei vorgegebene Krafteinwirkungsmatrizen mit unterschiedlichen elektrischen Schaltfunktionen vorgesehen, denen zwei entgegengesetzte Krafteinwirkungsrichtungen bei der jeweiligen Betätigung und/oder zwei diametral gegenüberliegende Einwirkorte der Krafteinwirkung am Betätigungsteil bei der jeweiligen Betätigung zugeordnet sind. Dadurch lassen sich erfindungsgemäß mehrere Schaltfunktionen durch genau ein Betätigungsteil realisieren.
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Bevorzugt sind vier Krafteinwirkungsmatrizen, denen vier Schaltfunktionen zugeordnet sind, vorgesehen, denen vier orthogonale Betätigungsrichtungen des Betätigungsteils zugeordnet sind. Die Zuordnung basiert beispielsweise darauf, dass ein spezifisch vorgegebener Bereich für einen der Matrixwerte, durch den vom zugehörigen Kraftsensor gemessenen Wert erreicht worden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Auslegung wird ein kompaktes und damit bauraum- und gewichtsparendes Bedienelement mit gleichzeitig vielfältiger Schaltfunktionalität bereitgestellt. Ferner sorgt die erfindungsgemäße Zuordnung zweier entgegengesetzter Krafteinwirkungsrichtungen und/oder zweier unterschiedlicher Krafteinwirkungsorte pro Schaltfunktion für eine Multifunktionalität des Bedienelements mit hoher Schaltzuverlässigkeit. Ferner ist das erfindungsgemäße Bedienelement aufgrund der matrixbezogen Kraftmessung nahezu beliebig ausgestaltbar und skalierbar (Baukastenprinzip). Der Kraft- / Wegverlauf ist durch die Ausgestaltung des Betätigungsteils, dessen Lagerung und Anordnung der Kraftsensoren frei einstellbar.
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Das Bedienelement ist aufgrund der erfindungsgemäßen Zuordnung zwischen einer Schaltfunktionalität und einer Kraftdetektion gegenüber Verschmutzung unempfindlich sowie besonders EMV- und ESD-fest. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass einer solchen Krafteinwirkungsmatrix durch die Auswerteinheit eine Schaltfunktion zugeordnet ist, bei der die Krafteinwirkungsrichtung diametral gegenüberliegender Kraftsensoren entgegengesetzt ist, beispielsweise eine detektierbare Druckeinwirkung auf einen Kraftsensor mit einer detektierbaren Zugeinwirkung oder detektierbaren Entlastung auf einen diametral gegenüberliegenden Sensor einhergeht, und jeweils über einem vorgegebenen Wert liegt. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Schaltfunktion des erfindungsgemäßen Bedienelements gesteigert werden, da zur Zuordnung zwischen Betätigung und Schaltfunktion eine Kraftänderung an zwei Kraftsensoren erforderlich ist.
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Bevorzugt weist das Betätigungsteil eine dreidimensionale Erhebung auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Betätigungsteil um einen Knopf. Bevorzugt handelt es sich um einen Drehknopf eines Drehstellers, wobei dem Drehsteller eine weitere Schalt- oder Steuerfunktion zugeordnet ist.
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Bevorzugt weist das Bedienelement einen Träger auf und die Matrix der Kraftsensoren ist zwischen dem Betätigungsteil und dem Träger angeordnet. Beispielsweise ist das Betätigungsteil „schwimmend“ gelagert, stützt sich über die Kraftsensoren auf dem Träger ab. Beispielsweise ist der Träger eine Platine.
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Erfindungsgemäß sind die Kraftsensoren ausgelegt, Zug- und Druckeinwirkung zu messen. Dabei ist in einer Ausgestaltung eine zug- und druckfeste Verbindung zwischen dem Betätigungsteil und den Kraftsensoren vorgesehen, Beispielsweise ist das Betätigungsteil kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Kraftsensor verbunden, beispielsweise über eine Klebeschicht. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist die Einwirkung zwischen Betätigungsteil und Kraftsensor in der Ruhestellung vorgespannt, wodurch sich ein Arbeitspunkt für jeden Kraftsensor ergibt, dass dieser jeweils in der Lage ist, Entlastung und Belastung und somit Zug- und Druck zumindest in einem Bereich um die Ruhestellung zu messen.
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Bevorzugt ist die Auswerteinheit ausgelegt, einer solchen Krafteinwirkungsmatrix keine Schaltfunktion zuzuordnen, bei der die Krafteinwirkung sämtlicher Kraftsensoren gleichgerichtet ist, beispielsweise entweder einer Druckeinwirkung oder einer Zugeinwirkung entspricht, und jeweils über einem vorgegebenen Wert liegt.
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Bevorzugt sind vier vorgegebene Krafteinwirkungsmatrizen mit unterschiedlichen elektrischen Schaltfunktionen 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.
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Erfindungsgemäß ist die Auswerteinheit ausgelegt, dann einer Krafteinwirkungsmatrix eine Schaltfunktion zuzuordnen, wenn die Krafteinwirkung diametral gegenüberliegender Kraftsensoren entgegengesetzt ist, beispielsweise wenn eine Druckeinwirkung auf einen Kraftsensor mit einer Zugeinwirkung auf einen diametral gegenüberliegenden Kraftsensor einhergeht, und jeweils über einem vorgegebenen Wert liegt.
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Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Auswerteinheit dann keine Schaltfunktion zuordnet, wenn ausschließlich eine Druckeinwirkung oder ausschließlich eine Zugeinwirkung an allen Kraftsensoren vorliegt, sofern jeweils ein vorgegebener Wert überschritten wird.
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Erfindungsgemäß ist die Auswerteinheit ferner ausgelegt, einer Krafteinwirkungsmatrix eine weitere Schaltfunktion zuzuordnen, wenn die Krafteinwirkung sämtlicher Kraftsensoren gleichgerichtet ist, beispielsweise entweder einer Druckeinwirkung oder einer Zugeinwirkung entspricht, und jeweils über einem vorgegebenen Wert liegt. Durch die Zuordnung einer Schaltfunktion einer gleichgerichteten Krafteinwirkung auf sämtliche Sensoren wird beispielsweise eine „Push“-Funktionalität realisiert, wobei sich die zugehörige Schaltfunktion bevorzugt von denen unterscheidet, die der Schwenkbetätigung zugeordnet sind. Zur Vermeidung von Fehlfunktion werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung einer Krafteinwirkungsmatrix nur dann eine Schaltfunktion zugeordnet, wenn entweder die Krafteinwirkung diametral gegenüberliegender Kraftsensoren entgegengesetzt ist oder diese gleichgerichtet ist, sofern die Krafteinwirkungsbetrag für die betreffenden Kraftsensoren jeweils über einem vorgegebenen Wert liegt.
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In einer Ausgestaltung des Bedienelements ist die Matrix von Kraftsensoren in einer gemeinsamen Fläche angeordnet, bevorzugt ist die Fläche eben.
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Zur Verringerung des Bauvolumens wird die Matrix bevorzugt und wenigstens teilweise durch einen Folienschichtaufbau oder eine Anordnung von kapazitiven Foliensensoren ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich um einen Folienschichtaufbau, der eine leitfähige Schicht aufweist, die eine flächige gemeinsame Elektrode für alle Kraftsensoren ausbildet. Beispielsweise liegt jeweils an einer der Elektroden eines Paares von Elektroden für jeden Sensoren ein Massepotenzial an (sogenannte single-ended-Messung). Die leitfähige Schicht ist beispielsweise eine metallische Schicht. In einer Ausgestaltung wird jeder Sensor durch eine der Matrix entsprechende Anordnung von metallischen, individuell kontaktierten Beschichtungen auf einer Leiterplatte, sowie eine darüber angeordnete durchgehende metallische Schicht und eine dazwischen angeordnete und über den Beschichtungen Durchbrüche aufweisende Isolationsschicht definiert. Zur Sicherstellung einer elastischen Rückstellung der metallischen Schicht sind in einer Ausgestaltung Abstandshalter aus vergleichsweise starrem Material, wie Kunststoff in die Isolationsschicht eingebracht, beispielsweise als die vorgenannten Durchbrüche definierende Ringe.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist an oder auf dem Betätigungsteil wenigstens eine oder eine weitere Elektrode zur Annäherungs- und/oder Berührdetektion, bevorzugt zur kapazitiven Annäherung- und/oder Berührdetektion, ausgebildet und die Auswertelektronik ist ausgelegt, der Annäherung und/oder Berührung eine weitere Schaltfunkton, beispielsweise eine Vorschau auf die durch Krafteinwirkungsmatrix definierte Schaltfunktion auf einer Anzeige oder eine Aufwachfunktionalität bereitzustellen. Beispielsweise ist das Betätigungsteil mit einer metallischen Oberflächenschicht, beispielsweise durch galvanische Beschichtung, oder einer oberflächennahen Schicht versehen. Diese zusätzliche Detektionsmöglichkeit dient damit der Funktionsvorschau.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die durch die eine oder mehrere Elektroden realisierte, bevorzugt kapazitive, Berührdetektion zur Plausibilitätsüberprüfung der Druckfunktion des Bedienelements verwendet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind mehrere in einem Array angeordnete Elektroden zur Bereitstellung einer berührempfindlichen Eingabefläche vorgesehen, um mittels einer ortsauflösenden Berührdetektion eine Plausibilitätsüberprüfung zu erreichen. Beispielsweise wird nur dann eine Schaltfunktion zugeordnet, wenn der sich aus der Krafteinwirkungsmatrix ergebene Ort der Krafteinwirkung am Betätigungsteil der ortsauflösenden Berührdetektion am Betätigungsteil zugeordnet warden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bedienelements in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur elektrischen Sitzverstellung oder Spiegelverstellung, Türverriegelung und/oder Fensterverstellung.
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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:
- 1 eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
- 2 eine Schnittansicht durch die Ausführungsform der erfindungsmäßen Anordnung aus 1;
- 3 eine Detailansicht der Schnittansicht der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung aus 2.
- 4 eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bedienelements aus 1.
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Die 1 bis 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Das erfindungsgemäße Bedienelement 1 weist ein knopfförmiges Betätigungsteil 6 auf. Das Betätigungsteil 6 weist einen an einem Träger 2 verschwenkbar gelagerten, inneren Bereich 13 auf, der eine obere, nicht ebene Berühroberfläche definiert. Diese Oberfläche weist eine haptisch merkbare Kontur in Form eines Kreuzes auf. Das Betätigungsteil 6 weist ferner einen drehbeweglich an dem inneren Bereich 13 gelagerten Betätigungsring 8 auf, so dass mittels nicht dargestellter Detektionsmittel eine Schalt- oder Steuerfunktion durch Verdrehen des Betätigungsrings 8 ermöglicht ist. Das Betätigungsteil 6 umgebend ist eine Blende 14 vorgesehen. Unterhalb des Betätigungsteils 6 weist das Bedienelement 1 einen Folienschichtaufbau 5 zur Detektion der Schwenkbetätigung des Betätigungsteils 6 auf, durch welchen eine Kraftdetektion und damit eine Detektion der Schwenkbewegung des Betätigungsteils 6 erfolgt. Der diesbezügliche Aufbau des Bedienelements 1 wird anhand der 2 und 3 nachfolgend erläutert.
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Das Betätigungsteil 6 weist einen zentralen Druckstempel 10 auf. Der Druckstempel 10 dient der Abstützung und drehbeweglichen Widerlagerung des Betätigungsrings 8 über ein Kugellager 11 und stellt ferner eine Rastkontur 15 bereit, in die eine Rastfeder 9 eingreift, um bei der Drehbetätigung des Betätigungsrings 8 ein haptisches Feedback bereitzustellen. Der Druckstempel 10 wirkt bei der Verschwenkbetätigung in einer der vier Schwenkrichtungen des Betätigungsteils 6 mittels seiner in 4 dargestellten vier Dornfortsätze 16 auf jeweils einer der vier Ausleger 7a des Zwischenteils 7 ein. Zur Kraftdetektion ist eine Matrix 3 von vier kapazitiven Kraftsensoren 4 vorgesehen. Diese weisen einen Folienschichtaufbau 5 auf, der zwischen dem Träger 2 und dem Betätigungsteil 6, insbesondere dem Zwischenteil 7, angeordnet ist. Der Folienschichtaufbau 5 weist eine obere, metallische Schicht 5a auf. An diese angrenzend sind die Ausleger 7a angeordnet und bewirken in dieser mit ihren kugelförmigen Erhebungen eine elastische Verformung. Die metallische Schicht 5a bildet mit den Elektroden 5d jeweils eine Messkapazität, wobei jeweils ein kapazitiver Kraftsensor 4 ausgebildet ist. Die Elektroden 5d sind als bereichsweise metallische Beschichtung einer Leiterplatte 5c ausgebildet, wobei die Elektroden 5d jeweils benachbart zu einem Hohlraum 5e ausgebildet sind, der zwischen der metallischen Schicht 5a und der betreffenden Elektrode 5d vorgesehen ist. Der Hohlraum 5e wird jeweils durch den Durchbruch einer ringförmigen starren Kunststoffeinlage 5f definiert, die in eine isolierende, zwischen der metallischen Schicht 5a und der Leiterplatte 5c vorgesehene Isolierschicht 5b eingebracht sind. Die Betätigungskraft FB bei der Schwenkbetätigung des Betätigungsteils 6 bewirkt bei aufgrund der Kraft FS eine elastische Verformung der metallischen Schicht 5a, was wiederum eine Veränderung der Messkapazität bewirkt, welche durch die Auswerteinheit 17, die unter anderem mit den Elektroden Sd elektrisch leitend verbunden ist, detektierbar ist. Da bei der Ruhestellung des Betätigungsteils 6 die Einwirkung zwischen Betätigungsteil 6, insbesondere dem Ausleger 7a und Kraftsensor 4, insbesondere der metallischen Schicht Sa elastisch vorgespannt ist, wird bei einer Verschwenkbetätigung in den vier möglichen Richtungen jeweils eine Kraftänderung an zwei diametral gegenüberliegenden Kraftsensoren 4 detektiert, die sich in ihrer Krafteinwirkungsrichtung unterscheiden, wie anhand der 2 durch die Kräfte FS und -FS verdeutlicht werden soll, Sofern die Kraftänderung ein vorgegebenes Maß an den beiden, diametral gegenüberliegenden Kraftsensoren 4 übersteigt, ordnet die Auswerteinheit 17 der Betätigung eine Schaltfunktion zu. Durch die zwingende Zuordnung einer Schaltfunktion zu Kraftänderungen an zwei Kraftsensoren 4 wird eine hohe Schaltzuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Bedienelements 1 erreicht.
