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Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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In der Veröffentlichung von Carter et al. ist eine Bedieneinheit für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei welcher eine haptische Rückmeldung in der Luft erzeugt wird, während ein Nutzer die Bedieneinheit mittels Gesten steuert. Dabei ist ein Ultraschall-Transducer-Array dazu ausgebildet, ein Ultraschallsignal zu der Hand des Nutzers zu übertragen, mittels welcher der Nutzer Gesten ausführt und dadurch taktiles oder haptisches Feedback bei einer Funktionsausführung erhält.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bedienvorrichtungen mit haptischem Feedback werden Medien oder Oberflächen zu haptischer Schwingung angeregt. Diese sind im Falle von Luft (Ultrahaptics) oder Flüssigkeiten (Tactus) in der Regel vibrotaktil. Dabei hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass die anhaltenden Schwingungen ein starkes jedoch qualitativ unangenehmes Feedback verursachen.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Bedienvorrichtung zum Erfassen von Nutzereingaben zu schaffen, mit denen eine bessere und komfortablere Nutzereingabe insbesondere im Hinblick auf eine Vermittlung eines haptischen Feedbacks möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bedienvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese Aufgabe wird auch durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
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Entsprechend ist durch die Erfindung eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Bedienvorrichtung ein von einem Benutzer mit einem Körperteil des Benutzers, beispielsweise einem Finger, für eine Bedienhandlung nutzbares Objekt. Mit einer Erfassungseinrichtung wird eine Bewegung des Körperteils des Benutzers erfasst. Die Erfassungseinrichtung kann bevorzugt eine Kamera umfassen. Die Bewegung eines Körperteils des Benutzers kann beispielsweise eine Annäherung an das Objekt oder eine Geste sein. Ferner umfasst die Bedienvorrichtung eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, Sensorsignale der Erfassungseinrichtung zu empfangen und bei einer anhand der Sensorsignale erkannten Bewegung ein Detektionssignal auszusenden.
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Um die Nutzung der Bedienvorrichtung zu verbessern und komfortabler zu gestalten, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bedienvorrichtung einen Aktor umfasst. Der Aktor ist dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal ein haptisch wahrnehmbares Signal bereitzustellen, das mittels eines Ultraschallsignals erzeugt ist. Das haptisch wahrnehmbare Signal wir beispielsweise an dem Körperteil des Benutzers wahrgenommen. Das haptisch wahrnehmbare Signal kann bevorzugt in einem Frequenzbereich zwischen 0,4 Hertz und 500 Hertz liegen und wird durch eine Modulation des Ultraschallsignals erzeugt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders gute haptische Rückmeldung erfolgt. Des Weiteren kann eine haptische Rückmeldung durch einen Nutzer schneller erfasst werden als ein akustisches oder visuelles Signal oder Rückmeldung, wenn der Nutzer beispielsweise auf das zu bedienende Objekt blickt. Haptische Signale sind ebenso störunempfindlicher als akustische oder visuelle Signale.
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Das haptisch wahrnehmbare Signal ist in vorteilhafter Weise als Kurzzeitimpuls ausgebildet. Dieser Kurzzeitimpuls erzeugt sogenannte Druckschwankungen. Durch die Druckschwankungen kann ein Druckverlauf an der Haut des Körperteils des Benutzers erzeugt werden. Mit anderen Worten kann die Erzeugung der haptischen Rückmeldung durch eine kurze, impulshafte Anregung erfolgen. Die Anregung erfolgt insbesondere nicht periodisch, was sie von den aus dem Stand der Technik bekannten haptischen Rückmeldungssystemen unterscheidet. Die Anregung erfolgt durch einen Kurzzeitimpuls. Dadurch kann ein sehr präzises Schaltverhalten vermittelt werden.
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Durch das Ultraschallsignal kann beispielsweise eine Kantensignalisierung und/oder eine Eventsignalisierung erzeugt werden. Mit Kantensignalisierung ist hier gemeint, dass durch die haptische Rückmeldung der Benutzer eine Kante, beispielsweise in der Luft in einem Bereich vor dem Touchscreen, spürt, ohne das Objekt zu berühren. Möchte ein Benutzer beispielsweise auf dem Touchscreen ein Bedienmenü auswählen, welches beispielsweise an einem rechten Rand des Touchscreens angeordnet ist, so kann sich der Benutzer durch die Kantensignalisierung, welche einen Rand des Touchscreens signalisieren soll, an dem Rand orientieren, ohne seinen Blick auf den Touchscreen richten zu müssen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Kantensignalisierung eine besonders effektive Orientierungshilfe bereitgestellt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das haptische wahrnehmbare Signal (H) als Kurzzeitimpuls modellierte Schwingung ausgebildet, wobei eine die Dämpfung des Schwingungsverlaufs beschreibende Zeitspanne_Td ≤ 150 ms Millisekunden, vorzugsweise ≤ 120 ms, bevorzugt ≤ 90 ms beträgt. Die Zeitspanne_Td ist durch einen Startpunkt_Tan und einen Endpunkt_Tab definiert. Der Startpunkt_Tan ist durch einen Zeitpunkt des erstmaligen Auftretens einer Schwingungsauslenkung_S1 definiert, die einem vorgebbaren Prozentwert des Wertes einer im Schwingungsverlauf auftretenden Maximalamplitude_Smax entspricht. Der Endpunkt_Tab ist durch einen Zeitpunkt definiert, an dem eine Schwingungsamplitude_S2 erstmalig auf einen weiteren vorgebbaren Prozentwert der im Schwingungsverlauf auftretenden Maximalamplitude_Smax abgeklungen ist. Die Darstellung des haptisch wahrnehmbaren Signals (H) in dieser Form ermöglicht eine Erzeugung einer durch einen Nutzer prägnant wahrnehmbaren Rückmeldung, die gleichzeitig als angenehm empfunden wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt der vorgebbare Prozentwert in einem Bereich von 0% bis 30%, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 20%, bevorzugt in einem Bereich von 5% bis 15% liegt. Der Prozentwert zur Bestimmung der Schwingungsauslenkung_S1 kann dabei von dem weiteren Prozentwert zur Bestimmung der abklingenden Schwingungsamplitude_S2 verschieden sein. Die Schwingungsauslenkung_S1 definiert den Zeitpunkt_Tan, an dem die Auslenkung erstmalig den vorgebbaren Prozentwert der Maximalamplitude_Smax erreicht bzw. durchfährt. Die Schwingungsamplitude_S2 definiert den Zeitpunkt_Tab, an dem die Schwingung nach einer erreichten Maximalamplitude_Smax wieder auf einen Wert abgeklungen ist, der dem weiteren vorgebbaren Prozentwert der Maximalamplitude_Smax entspricht. Unter Amplitude ist hierbei eine Auslenkung immer an einem Hoch- oder Tiefpunkt d. h. einem Umkehrpunkt einer Schwingung zu verstehen, wobei demgegenüber eine Auslenkung lediglich eine beliebige Auslenkung gegenüber einer Nulllage beschreibt. In vorteilhafter Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Vorgabe der Prozentwerte die Darstellung einer prägnant wahrnehmbaren, als qualitativ hochwertig empfundenen Rückmeldung.
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Da der Aktor ein haptisch wahrnehmbares Signal bereitstellen kann, das mittels eines Ultraschallsignals erzeugt ist, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das haptisch wahrnehmbare Signal an dem Körperteil des Benutzers in einem vorbestimmten Abstand von dem Objekt wahrnehmbar ist. Somit nimmt ein Benutzer beispielsweise ein haptisches Signal an seinem Finger wahr, ohne das zu bedienende Objekt zu berühren. Das Objekt kann dabei bevorzugt als Scheibe in einem Touchscreen oder einem Touchpad bereitgestellt sein. Nähert sich beispielsweise ein Benutzer mit seinem Finger der Scheibe eines Touchscreens, so kann diese Annäherung durch die Erfassungseinrichtung, erfasst werden. Befindet sich der Benutzer nun mit seinem Finger in einem vorbestimmten Abstand, beispielsweise in einem Abstand von 3 Zentimeter, zu der Scheibe des Touchscreens, so kann dieser an seinem Finger ein haptisches oder taktiles Feedback, verursacht durch das Ultraschallsignal des Aktors, erhalten oder spüren.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung besteht darin, dass der Aktor im montierten Zustand der Scheibe hinter der Scheibe angeordnet ist, wobei die Scheibe eine Öffnung oder einen Spalt aufweist, durch welche das haptisch wahrnehmbare Signal hindurch tritt. Die Öffnung ist beispielsweise als Durchgangskanal für das haptische Signal ausgebildet. Dabei kann das haptische Signal bevorzugt an einer Wand des Durchgangskanals reflektiert beziehungsweise umgelenkt werden, bevor das haptische Signal auf ein Körperteil des Benutzers gerichtet wird. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Bedienvorrichtung einen weiteren Aktor aufweist, wobei der weitere Aktor dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal ein akustisches Signal bereitzustellen. Der weitere Aktor kann dabei bevorzugt als Lautsprecher ausgebildet sein. Somit kann ein Benutzer sowohl durch ein haptisches Signal, als auch durch ein akustisches Signal direkt am Ort der Berührung im Raum, ein Feedback erhalten, was ein realistisches Verhalten einer Bedienhandlung unterstützt.
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Zu der Erfindung gehört ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Bedienvorrichtung. Die Bedienvorrichtung ist insbesondere eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung. Das Kraftfahrzeug kann bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug;
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2 eine schematische Darstellung einer Bewegung eines Benutzers mit haptischem Feedback;
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3 eine schematische Darstellung einer Scheibe und eines Aktors der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung; und
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4 eine Darstellung eines als Schwingung ausgebildeten haptischen Signals.
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In 1 ist schematisch eine Bedienvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug 28 dargestellt. Die Funktionsweise der Bedienvorrichtung 10 soll nun im Weiteren in Zusammenschau mit den 2, 3 und 4 erläutert werden.
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Die Bedienvorrichtung 10 umfasst dabei ein von einem Benutzer 12 mit einem Körperteil, beispielsweise einem Finger 14, für eine Bedienhandlung nutzbares Objekt. Dieses Objekt kann als Scheibe 16 in einem Touchscreen oder einem Touchpad bereitgestellt sein. Das Objekt kann ferner auch als liquid-basiertes System, insbesondere als Touchscreen, ausgebildet sein. In 1 stellt der Touchscreen eine Ausführungsform des Objekts dar.
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Der Touchscreen weist, wie bereits erwähnt, eine Scheibe 16 mit einer Sensormatrix auf. Die Sensormatrix kann in bekannter Weise eine Vielzahl von einzelnen Sensoren aufweisen. Ferner umfasst die Bedienvorrichtung 10 eine Erfassungseinrichtung 18, welche beispielsweise als Kamera ausgebildet sein kann. Die Erfassungseinrichtung 18 ist dazu ausgelegt, eine Bewegung eines Körperteils, beispielsweise eines Fingers 14, des Benutzers 12 zu erfassen. Die Bewegung kann Beispielsweise eine Annäherung des Fingers 14 des Benutzers 12 an die Scheibe 16 oder eine Geste der Hand des Benutzers 12 sein.
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Die Erfassungseinrichtung 18 ist mit einer Steuereinrichtung 20 gekoppelt, bei der es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller oder ein Steuergerät handeln kann. Die Steuereinrichtung 20, ist dazu ausgelegt, Sensorsignale der Erfassungseinrichtung 18 zu empfangen und bei einer anhand der Sensorsignale erkannten Bewegung ein Detektionssignal D auszusenden. Das Detektionssignal D wird an die Steuereinrichtung 20 übermittelt. Die Steuereinrichtung 20 erkennt anhand der Sensorsignale der Erfassungseinrichtung 18, d. h. des Detektionssignals D, wenn sich ein Benutzer 12 mit seinem Finger 14 der Scheibe 16 nähert.
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Des Weiteren umfasst die Bedienvorrichtung 10 einen Aktor 22, der dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal D ein haptisch wahrnehmbares Signal H bereitzustellen, das mittels eines Ultraschallsignals erzeugt wird. Nähert sich beispielsweise ein Benutzer 12, wie dies in 2 verdeutlicht wird, der Scheibe 16 des Touchscreens, so erhält der Benutzer 12 an seinem Finger 14 ein haptisches Feedback durch das haptisch wahrnehmbare Signal H. Bei einer Betätigung des Touchscreens wird sichergestellt, dass der Benutzer 12 den als in der Regel hochwertig empfundenen haptischen Eindruck, den er beim Betätigen aufgrund des Klick-Effekts empfindet, auch bei dem Touchscreen empfindet. Der Benutzer 12 spürt an der Fingerspitze des Fingers 14 beim Annähern an die Scheibe 16 ein haptisches Feedback, wie er es auch beim Berühren des Touchscreens spürt. Nähert sich der Benutzer 12 mit dem Finger 14 der Scheibe 16, so wirkt auf den Finger 14 ein Kurzzeitimpuls.
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In 3 ist die Scheibe 16 des Touchscreens aus 1 in einer Vergrößerung dargestellt. Dabei sind hinter der Scheibe 16 zwei Aktoren 22, welche ein haptisch wahrnehmbares Signal H bereitstellen, angeordnet. Ferner weist die Scheibe 16 eine Öffnung oder einen Spalt 24 auf, durch welche das haptische Signal H hindurch tritt.
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Nähert sich also beispielsweise ein Benutzer 12 mit seinem Finger 14 der Scheibe 16 des Touchscreens, um ein Bedienfeld, welches auf dem Touchscreen angezeigt wird zu betätigen, so wird die Annäherung des Fingers 14 durch die Erfassungseinrichtung 18 erkannt. Die Erfassungseinrichtung 18 sendet daraufhin ein Detektionssignal D an die Steuereinrichtung 20. In Abhängigkeit von dem Detektionssignal D steuert die Steuereinrichtung 20 den Aktor 22. Ist der Benutzer 12 beispielsweise in einem Abstand zwischen 1 cm und 3 cm von der Scheibe 16 des Touchscreens entfernt, so wird durch den Aktor 22 ein haptisch wahrnehmbares Signal H bereitgestellt, welches an dem Finger 14 des Benutzers 12 wahrgenommen wird. Durch das Spüren des haptischen Signals H weiß der Benutzer 12, dass er das Bedienfeld betätigt. Das haptisch wahrnehmbare Signal H kann bevorzugt in einem Frequenzbereich zwischen 0,4 Hertz und 500 Hertz liegen und wird durch eine Modulation des Ultraschallsignals erzeugt. Je geringer der Abstand beispielsweise zwischen dem Finger 14 und der Scheibe 16 bei einer Annäherung wird, desto stärker kann das haptische Signal H werden. Bei einem Abstand von 3 cm ist das haptische Signal H schwächer als bei einem Abstand von 1 cm.
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Neben der Bereitstellung eines haptisch wahrnehmbaren Signals kann ein akustisches Signal A durch einen weiteren Aktor 26 in Abhängigkeit von dem Detektionssignal D bereitgestellt werden. Mit anderen Worten ist der weitere Aktor 26 dazu ausgelegt, in Abhängigkeit von dem Detektionssignal D ein akustisches Signal A bereitzustellen. Der weitere Aktor 26 kann dabei beispielsweise als Lautsprecher ausgebildet sein.
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Beispielsweise kann das haptisch wahrnehmbare Signal H durch das akustische Signal A unterstützt werden. Betätigt der Benutzer 12, wie oben bereits beschrieben, durch seine Annäherung an die Scheibe 16 das Bedienelement, welches auf dem Touchscreen angezeigt wird, so kann seine Bedienhandlung durch ein akustisches Signal A bestätigt werden. Also erhält der Benutzer 12 bei einer Betätigung des Bedienelements eine haptische Rückmeldung durch das haptische Signal H und gleichzeitig ein akustisches Signal A. Das akustische Signal H kann beispielsweise ein Klicken sein.
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Insgesamt geht somit eine optimierte haptische Rückmeldung in dynamischen Systemen hervor. Darin regen Ansätze, Medien oder Oberflächen zu haptischer Schwingung an. Diese sind im Falle von Luft oder Flüssigkeit in der Regel vibrotaktil, das heißt charakteristisch durch Anhalten der Schwingungen geprägt und verursachen ein starkes, jedoch qualitativ unangenehmes Feedback. Die erzeugten Druckschwankungen werden als ein Kurzzeitimpuls zum Beispiel eines Mikroschalters, nachgebildet. Damit wird ein Druckverlauf dessen an der Haut erzeugt, welcher ein sehr präzises Schaltverhalten vermittelt. Mit dem Wechsel zu einer anderen Signalisierung (Kanten, Eventsignalisierung) im Fahrzeug können andere Effekte, sogenannte Kanteneffekte eingesetzt werden, welche qualitativ höheres Gefallen mit sich bringen. Kanten- oder Eventsignalisierung treten beim Erreichen eines Objekts auf. Dies ist ein rein dynamisch (gedämpfte Schwingung (PT2, d/DT, d/DT2)) Signal und kann mit einem dynamischen System realistisch nachgebildet werden. Die Kontaktsignalisierung entspricht einem statischen Signal (P), welches permanent an der Hautoberfläche anliegt. Bei dynamisch angeregten Systemen kommt es hierbei zu Problemen, da diese nur Schwingungen und keine konstanten Kräfte erzeugen können und somit die Flächenberührung durch Pulsen erzeugen können, das heißt ein Aus- und Einschalten des Signals. Das wiederum ist unnatürlich und im Sinne einer Wahrnehmungsinterpretation eher als unangenehm, da Warnsignal interpretiert oder wahrgenommen wird.
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Die Kantensignalisierung kann aufgrund einer hohen wahrnehmungsseitigen Priorisierung den Flächeneffekt überlagern und den Eindruck erster Näherung realistisch nachstellen. Durch Erzeugung eines Schwingungssignals angewandt mit zum Beispiel der Ultraschall-Array-Technik können sowohl haptische Signale, aber auch das akustische Verhalten direkt am Ort der Berührung im Raum, berührungslos erzeugt werden, was ein realistisches Verhalten massiv unterstützt.
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In 4 ist ein Schwingungsverlauf eines erfindungsgemäßen haptischen Signals H dargestellt. Der Schwingungsverlauf gibt gewissermaßen einen Kurzimpuls wieder, d. h. die Schwingungsamplitude steigt schnell stark an und klingt aufgrund hoher Dämpfung wieder schnell ab. Die Schwingungsauslenkung_S1 32 beschreibt die Auslenkung, die erstmalig einen vorgebbaren Prozentwert der Maximalamplitude_Smax erreicht. In vorliegendem Ausführungsbeispiel beträgt der vorgebbare Prozentwert 10% der Maximalamplitude_Smax 38. Der Zeitpunkt an dem die Schwingungsauslenkung_S1 30 erreicht wird bestimmt einen Startzeitpunkt_Tan 30. Nach Durchschreiten der Schwingungsauslenkung_S1 34 erreicht die Schwingung bei der Maximalamplitude_Smax 38 die maximale Amplitude von 100%. Im weiteren Verlauf klingt die Schwingung aufgrund Dämpfung ab, die Schwingungsamplitude_S2 36 weist wiederrum ein weiteren vorgebbaren Prozentwert, hier ebenfalls 10%, der maximalen Maximalamplitude_Smax 38 auf. Mit Auftreten der Schwingungsamplitude_S2 36 ist ein Endzeitpunkt_Tab 32 bestimmt. Eine die Dämpfung des Schwingungsverlaufs beschreibende Zeitspanne_Td 40 ist wiederum durch den Startzeitpunkt_Tan 30 und Endzeitpunkt_Tab 32 bestimmt. Zu Erzeugung einer hochwertigen haptischen Rückmeldung ist das haptische wahrnehmbare Signal H entsprechend dem beschriebenen Kurzzeitimpuls ausgeführt, wobei die Zeitspanne_Td ≤ 90 ms beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bedienvorrichtung
- 12
- Benutzer
- 14
- Finger
- 16
- Scheibe
- 18
- Erfassungseinrichtung
- 20
- Steuereinrichtung
- 22
- Aktor
- 24
- Spalt
- 26
- weiterer Aktor
- 28
- Kraftfahrzeug
- 30
- Startzeitpunkt_Tan
- 32
- Endzeitpunkt_Tab
- 34
- Schwingungsauslenkung_S1
- 36
- Schwingungsamplitude_S2
- 38
- maximale Schwingungsamplitude_Smax
- 40
- Zeitspanne_Td
- A
- akustisches Signal
- D
- Detektionssignal
- H
- haptisches Signal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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