DE102016013382A1

DE102016013382A1 - Eingabebaugruppe mit Fluiddruckerfassung

Info

Publication number: DE102016013382A1
Application number: DE102016013382.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Joos; Thomas Füssinger; Thomas Franke; Stefan Christmann
Original assignee: eSolutions GmbH
Current assignee: eSolutions GmbH
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17
Also published as: DE102016013382A8

Abstract

Es wird eine Eingabebaugruppe beschrieben, die ein Kraftaufnahme-Element, ein Trägerelement und ein elastisches Element umfasst. Das elastische Element ist zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement vorgesehen und erzeugt bei einer Kraftwirkung auf das Kraftaufnahme-Element eine rückstellende Kraft. Ferner umfasst die Eingabebaugruppe eine Kammer mit einem veränderbaren Volumen, welche zumindest bereichsweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement vorgesehen ist und mit einem Fluid gefüllt ist. Zudem umfasst die Eingabebaugruppe einen Drucksensor in fluider Kommunikation mit der Kammer, um eine Druckänderung in der Kammer zu erfassen, die aus der Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahme-Element resultiert. Ferner wird ein Eingabesystem beschrieben, das eine Eingabebaugruppe und eine Steuereinheit umfasst. Zudem wird ein Kraftfahrzeug beschrieben, das ein Eingabesystem umfasst. Schließlich wird ein Verfahren zum Erfassen einer Benutzereingabe beschrieben.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Baugruppen zur Erfassung von Benutzereingaben.
Hintergrund
Eingabebaugruppen finden in vielen technischen Systemen Verwendung, wie beispielsweise in Bildschirmen, Mobilfunktelefonen, Kraftfahrzeugen und Tablet-Computern, usw. Die Eingabebaugruppen können Teil einer Anzeigebaugruppe des entsprechenden Systems sein.
Bei einer berührungssensitiven Anzeigebaugruppe kann ein Benutzer über eine Berührung einer in der Anzeigebaugruppe verbauten Anzeige-Einheit Eingaben tätigen. Informationen über die vom Benutzer auf die Anzeige-Einheit dabei ausgeübte Kraft können zu verschiedenen Zwecken verwendet werden. So kann die Krafteinwirkung als ein Eingabeparameter verwendet werden. Ferner können entsprechende Informationen für die Ansteuerung eines mit der Anzeige-Einheit gekoppelten Aktuators verwendet werden.
Die Druckschrift US 2010/0245254 A1 beschreibt eine Lagerung für eine berührungsempfindliche Anzeige-Einheit. Die Lagerung umfasst einen Schaumstoff, der entlang eines Randes der Anzeige-Einheit verläuft.
Kurzer Abriss
Der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eingabebaugruppe bereitzustellen, die eine effiziente Erfassung einer auf ein Kraftaufnahme-Element der Eingabebaugruppe wirkenden Kraft gestattet.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Eingabebaugruppe angegeben, die ein Kraftaufnahme-Element, ein Trägerelement und ein elastisches Element umfasst. Das elastische Element ist zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement vorgesehen und erzeugt bei einer Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahme-Element eine rückstellende Kraft. Ferner umfasst die Eingabebaugruppe eine Kammer mit einem veränderbaren Volumen, welche zumindest bereichsweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement vorgesehen ist und mit einem Fluid gefüllt ist. Zudem umfasst die Eingabebaugruppe einen Drucksensor in fluider Kommunikation mit der Kammer, um eine Druckänderung in der Kammer zu erfassen, die aus der Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahme-Element resultiert.
Die Kammer kann mit einem Gas, wie beispielsweise Luft, Stickstoff oder Argon gefüllt sein. Die Kammer kann alternativ hierzu mit einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl gefüllt sein.
Eine Oberfläche des Kraftaufnahme-Elements kann parallel zu einer x-y-Ebene angeordnet sein, wobei eine z-Achse senkrecht zur Oberfläche des Kraftaufnahme-Elements verläuft. Die Krafteinwirkung kann im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Kraftaufnahme-Elements (also in z-Richtung) erfolgen.
Das Trägerelement kann eine Leiterplatte (Printed Circuit Board, PCB) sein oder umfassen. Das Kraftaufnahme-Element kann aktiv ansteuerbar sein (z. B. um eine haptische oder visuelle Rückmeldung zu geben). In diesem Fall kann die Leiterplatte eine Ansteuerelektronik für das Kraftaufnahme-Element aufweisen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Leiterplatte eine Auswertelektronik für den vom Drucksensor erfassten Druck aufweisen. Die Auswerteelektronik kann auch in den Drucksensor integriert sein.
Das elastische Element kann zumindest einen Teil einer Begrenzung der Kammer bilden. Das elastische Element kann die Kammer auch vollständig begrenzen. Die Kammer kann im elastischen Element ausgebildet sein. Das elastische Element kann in einem die Kammer begrenzenden Bereich eine fluiddichte Ausrüstung aufweisen. Das elastische Element kann mit anderen Elementen, die die Kammer begrenzen, fluiddicht verbunden sein.
Das Kraftaufnahme-Element und/oder das Trägerelement können/kann einen Teil einer Begrenzung der Kammer bilden. Das Kraftaufnahme-Element und/oder das Trägerelement können/kann mit anderen Elementen, die die Kammer begrenzen, fluiddicht verbunden sein.
Das elastische Element kann das Kraftaufnahme-Element und das Trägerelement miteinander verbinden (z. B. durch Verklebung). Das elastische Element kann einen Schaumstoff und/oder ein elastisches Polymermaterial, beispielsweise Gummi, enthalten. Der Schaumstoff kann zumindest bereichsweise geschlossenporig sein. Der Schaumstoff kann ein geschäumtes Silikon sein oder umfassen. Zusätzlich oder alternative hierzu kann der Schaumstoff klebende Eingeschaften aufweisen. Das elastische Element kann Spiralfedern oder Blattfedern umfassen.
Ein Material des elastischen Elements kann in zumindest eine Richtung einen im Wesentlichen konstanten Elastizitätsmodul aufweisen. Das elastische Element kann in eine Richtung (beispielsweise in z-Richtung) eine definierte Federkonstante aufweisen. Das elastische Element kann sich durch eine Scherbewegung zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement elastisch verformen. Das elastische Element kann so ausgebildet sein, dass die von einem Benutzer bewirkten Auslenkungen des Kraftaufnahme-Elements in einem im Wesentlichen Hookeschen Bereich des elastischen Elements liegen.
Die Eingabebaugruppe kann einen elektrischen Leiter umfassen, der den Drucksensor mit einem elektrischen Kontakt des Kraftaufnahme-Elements oder des Trägerelements elektrisch verbindet. Der elektrische Leiter kann zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet sein. Der elektrische Leiter kann beispielsweise eine flexible elektrische Leiterbahn umfassen. Der elektrische Leiter kann eine elektrische Verbindung zwischen einer Kammerinnenseite und einer Kammeraußenseite bereitstellen. Der elektrische Leiter kann räumlich zumindest teilweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element oder dem Trägerelement und dem elastischen Element angeordnet sein. Der elektrische Leiter kann räumlich zumindest teilweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element oder dem Trägerelement und einer weiteren Begrenzung der Kammer vorgesehen sein. Ferner kann der Drucksensor auf dem elektrischen Leiter angebracht sein.
Der Drucksensor kann zumindest bereichsweise in der Kammer angeordnet sein. Der Drucksensor kann an dem Kraftaufnahme-Element angebracht sein (z. B. elektrisch und/oder mechanisch). Der Drucksensor kann an dem Trägerelement angebracht sein (z. B. elektrisch und/oder mechanisch).
Ein Bereich des Drucksensors, der für eine Druckerfassung mit dem Fluid in fluider Kommunikation steht, kann zumindest teilweise einen Teil einer Begrenzung der Kammer bilden. Der Drucksensor kann in einer Aussparung des Kraftaufnahme-Elements oder des Trägerelements vorgesehen sein. Der Drucksensor kann gegen die Aussparung abgedichtet sein.
Die Kammer kann zumindest einen Kanal umfassen. Der Kanal kann einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt umfassen. Ferner kann der Kanal im Wesentlichen einen ringförmigen oder mäandernden Verlauf aufweisen. Der Kanal kann entlang seines Verlaufes Fortsätze und/oder Verästelungen aufweisen. Es können mehrere (z. B. parallel zueinander verlaufende) Kanalabschnitte untereinander verbunden sein. Der Kanal kann einen Schlauch umfassen. Der Schlauch kann ein elastisches Material umfassen.
Die Eingabebaugruppe kann ferner einen Aktuator umfassen. Der Aktuator kann ausgebildet sein, das Kraftaufnahme-Element (z. B. relativ zum Trägerelement) auszulenken. Eine Krafteinwirkung des Aktuators auf das Kraftaufnahme-Element kann im Wesentlichen in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Kraftaufnahme-Elements (z. B. in x- und y-Richtung oder nur in eine dieser Richtungen) erfolgen. Der Aktuator kann zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement angeordnet sein. Der Aktuator kann mit dem Kraftaufnahme-Element oder dem Trägerelement und ferner einem separaten Element (wie beispielsweise einem Gehäuse) verbunden sein.
Das Kraftaufnahme-Element kann eine Anzeige-Einheit umfassen. Die Krafteinwirkung kann auf die Anzeige-Einheit wirken. Die Anzeige-Einheit kann beispielsweise auf Flüssigkristall-, Plasma-, Leuchtdioden- oder auch organischer Leuchtdiodentechnologie basieren. Eine Anzeigefläche der Anzeige-Einheit kann im Wesentlichen senkrecht zur Krafteinwirkung orientiert sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Eingabesystem angegeben, das eine Eingabebaugruppe und eine Steuereinheit umfasst, die mit dem Drucksensor gekoppelt ist. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der Druckänderung ein Steuersignal zu erzeugen.
Das Steuersignal kann ein Eingabesignal sein. Das Steuersignal kann das Kraftaufnahme-Element, sofern dieses als aktives Element ausgebildet ist, ansteuern. Das Kraftaufnahme-Element kann insbesondere eine Anzeige-Einheit umfassen, wobei das Steuersignal ausgebildet ist, die Anzeige-Einheit anzusteuern. Das Eingabesystem kann alternativ oder zusätzlich hierzu einen Aktuator umfassen, der ausgebildet ist, das Kraftaufnahme-Element auszulenken, wobei das Steuersignal ausgebildet ist, den Aktuator ansteuern. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann das Steuersignal eine Kraftfahrzeugfunktion anzusteuern.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Kraftfahrzeug angegeben, das die hier vorgestellte Eingabebaugruppe oder das hier beschriebene Eingabesystem umfasst. Die Eingabebaugruppe oder das Eingabesystem können Teil eines Infotainmentsystems, Navigationssystems, Telefonsystems oder Bordcomputers des Kraftfahrzeugs sein.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren zum Erfassen einer Benutzereingabe angegeben. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer Eingabebaugruppe, wobei die Eingabebaugruppe ein Kraftaufnahme-Element, ein Trägerelement und ein elastisches Element umfasst, das zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement vorgesehen ist und das bei einer Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahme-Element eine rückstellende Kraft erzeugt. Ferner umfasst die Eingabebaugruppe eine Kammer mit einem veränderbaren Volumen, welche zumindest bereichsweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element und dem Trägerelement vorgesehen ist und mit einem Fluid gefüllt ist. Zudem umfasst die Eingabebaugruppe einen Drucksensor in fluider Kommunikation mit der Kammer. Das Verfahren umfasst ferner ein Erfassen einer Druckänderung in der Kammer, die aus der Krafteinwirkung auf das Kraftaufnahme-Element resultiert.
Ferner kann das Verfahren ein Auswerten der Druckänderung durch eine Steuereinheit umfassen. In diesem Fall umfasst das Verfahren ein Erzeugen eines Steuersignals basierend auf dem ausgewerteten Drucksignal. Außerdem kann ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt werden, welches die Funktionalität(en) der Steuereinheit bereitstellt.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den Figuren. Es zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe;
2 eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels ohne Krafteinwirkung;
3 eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels mit Krafteinwirkung;
4 eine Aufsicht eines Trägerelements mit elastischen Elementen eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe;
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang einer gestrichelten Linie A-A aus 4 des zweiten Ausführungsbeispiels ohne Krafteinwirkung;
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der gestrichelten Linie A-A aus 4 des zweiten Ausführungsbeispiels mit Krafteinwirkung;
7 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe;
8 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe;
9 eine perspektivische Darstellung einer Innenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs mit einer Eingabebaugruppe; und
10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen einer Druckänderung in einer Eingabebaugruppe.

Ausführliche Beschreibung
1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe 10 umfassend ein im Ausführungsbeispiel als Anzeige-Einheit 12 ausgebildetes Element zur Kraftaufnahme, ein elastisches Element 14 und ein Trägerelement 16. Anstatt eines als Anzeige-Einheit 12 ausgebildeten Kraftaufnahme-Elements können auch Kraftaufnahme-Elemente Verwendung finden, die keine Anzeigefunktionalität aufweisen (z. B. nach Art eines Tastschalters).
Die Anzeige-Einheit 12 kann beispielsweise auf Flüssigkristall-, Plasma-, Leuchtdioden- oder auch organischer Leuchtdiodentechnologie basieren. Die Anzeige-Einheit 12 kann ferner eine berührungssensitive Einrichtung (z. B. eine resistive oder oberflächen-kapazitative berührungssensitive Einrichtung) umfassen. Die Anzeige-Einheit 12 kann aus einer oder aus mehreren Komponenten bestehen.
Auf einer der Vorderseite der Anzeige-Einheit 12 abgewandten Seite ist das elastische Element 14 vorgesehen. Das elastische Element 14 umfasst im Ausführungsbeispiel einen Schaumstoffblock. Der Schaumstoffblock kann klebende Eigenschaften aufweisen oder mit klebenden Oberflächen ausgerüstet sein, um die Anzeige-Einheit 12 mit dem Trägerelement 16 zu verkleben. Auch andere elastische Materialien wie Schaumstoff, welche verklebende Eigenschaften aufweisen oder entsprechend ausgerüstet werden können (z. B. durch Beschichtung) können hierbei Verwendung finden. Das Material des elastischen Elements 14 weist einen im Wesentlichen konstanten Elastizitätsmodul auf. In einer Variante besitzt das elastische Element 14 wenigstens in z-Richtung einen Hookeschen Bereich mit einer Federkonstante.
Das elastische Element 14 weist eine der Anzeige-Einheit 12 zugewandte Oberseite 18 und eine der Oberseite 18 gegenüberliegende Unterseite 20 auf. Die Oberseite 18 ist mit einer dem elastischen Element 14 zugewandten Seite der Anzeige-Einheit 12 im Wesentlichen fluiddichtend verbunden. Die Oberseite 18 und die Unterseite 20 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Das elastische Element 14 weist mittig eine durchgängige Aussparung 22 auf. Die Aussparung 22 ist im Wesentlichen kreiszylinderförmig und verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Oberseite 18 (also in z-Richtung).
An der Unterseite 20 des elastischen Elements 14 ist das Trägerelement 16 vorgesehen. Das Trägerelement 16 ist mit der Unterseite 20 des elastischen Elements 14 im Wesentlichen fluiddichtend verbunden. Das Trägerelement 16 nimmt einen Drucksensor 24 auf. Der Drucksensor 24 kann beispielsweise piezoresistive oder piezoelektrische Bauteile beinhalten. Der Drucksensor 24 ist weitestgehend in das Trägerelement 16 eingelassen und weist einen in die Aussparung 22 gerichteten Messbereich 26 zur Erfassung einer Druckänderung auf. Das Trägerelement 16 ist so zum elastischen Element 14 ausgerichtet, dass die Aussparung 22 über dem Messbereich 26 angeordnet ist. Das Trägerelement 16 kann eine Leiterplatte sein oder enthalten. Die Leiterplatte kann den Drucksensor 24 elektrisch kontaktieren.
Die Aussparung 22, die Anzeige-Einheit 12, das Trägerelement 16 und der Messbereich 26 begrenzen eine Kammer 28. Mittels des Messbereichs 26 des Drucksensors 24 kann der Luftdruck in der Kammer 28 gemessen werden. Die Kammer 28 ist im Ausführungsbeispiel mit Luft gefüllt. Die Kammer 28 ist weitestgehend fluiddicht. Die Kammer 28 ist so fluiddicht ausgebildet, dass die Menge an durch Undichtigkeiten verlorenem Fluid die Funktionalität der Baugruppe 10 über einen vorbestimmten Zeitraum nicht einschränkt.
2 zeigt eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels ohne äußere Krafteinwirkung. Es ist ein senkrechter Querschnitt durch die Eingabebaugruppe 10 dargestellt, der die Kammer 28 schneidet. 3 zeigt eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels unter äußerer Krafteinwirkung.
Das elastische Element 14 ist unter Krafteinwirkung komprimierbar. Da das elastische Element 14 zwischen der Anzeige-Einheit 12 und dem Trägerelement 16 angeordnet ist, wird durch eine externe Krafteinwirkung 30 auf die Anzeige-Einheit 12 das elastische Element 14 komprimiert (vgl. 3). Aufgrund der Komprimierung ist der Abstand zwischen der Anzeige-Einheit 12 und dem Trägerelement 16 gegenüber einem unkomprimierten Zustand (vgl. 2) reduziert. Dabei wirkt eine von dem elastischen Element 14 ausgehende, der Krafteinwirkung 30 entgegenwirkende, rückstellende Kraft 32.
Aufgrund des reduzierten Abstands zwischen der Anzeige-Einheit 12 und dem Trägerelement 16 wird dazwischen eine Höhe der Kammer 28 senkrecht zum Trägerelement 16 (also in z-Richtung) verringert. Ferner wird aufgrund der Komprimierung ein Teil des elastischen Elements 14 in Richtung der Kammer 28 verformt. Hierdurch wölbt sich die Mantelfläche der zylinderförmigen Kammer 28 in Richtung Kammermitte. Die Höhenverringerung und Mantelwölbung führen zu einer Volumenverringerung der Kammer 28 und einer entsprechenden Erhöhung des Luftdrucks in der Kammer 28.
Die Luft in der Kammer 28 lässt sich annäherungsweise über die thermische Zustandsgleichung idealer Gase beschreiben: $p \cdot V = n \cdot R_{m} \cdot T$
mit dem Druck p, dem Volumen V, der Stoffmenge n, der Gaskonstante R_m, und der Temperatur T.
Die Fluiddichtigkeit der Kammer 28 ist so ausgebildet, dass für die Zeitdauer der Krafteinwirkung 30 auf die Anzeige-Einheit 12 die aus der Kammer 28 entweichende Luftmenge nicht signifikant ist. Ferner ist die Zustandsänderung während dieser Zeitdauer weitestgehend isotherm, so dass die Temperatur weitestgehend unverändert bleibt. Die Gaskonstante R_m ändert sich bei Zustandsänderungen nicht. Somit ist der rechte Teil der Gleichung (I) annähernd konstant. Dieser Fall wird durch das Gesetz von Boyle-Mariotte beschrieben. Danach ist der Druck umgekehrt proportional zum Volumen eines Gases: $p \sim \frac{1}{V}$
Folglich führt eine Volumenänderung der Kammer 28 zu einer Druckänderung der Luft in der Kammer 28. Wird also das Volumen der Kammer 28 verringert, erhöht sich der Druck.
Der Messbereich 26 des Drucksensors 24 ist in fluider Kommunikation mit der Luft in der Kammer 28 ausgebildet. Der Drucksensor 24 kann somit den Druck und Druckänderungen in der Kammer 28 messen. Wie oben erläutert, führt eine Krafteinwirkung 30 auf die Anzeige-Einheit 12 zu einer Volumenänderung der Kammer 28 und somit zu einer vom Drucksensor 24 messbaren Druckänderung. Somit ist auch die Krafteinwirkung 30 auf die Anzeige-Einheit 12 mittels des Drucksensors 24 messbar.
Die gemessene Druckänderung kann Aufschluss über die Größe der Krafteinwirkung 30 geben und so eine Kraftmessung ermöglichen. Die Eingabebaugruppe 10 kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Druckänderung im Wesentlichen proportional oder in einem anderen bekannten funktionalen Zusammenhang mit der Krafteinwirkung 30 steigt.
Ein Benutzer kann über verschiedene Krafteinwirkungen verschiedene Drucksignale erzeugen und damit verschiedene Eingaben tätigen. Es kann beispielsweise über einen Schwellendruckwert eine binäre Eingabe getätigt werden. In einer weiteren Ausführung kann in Abhängigkeit von der Krafteinwirkung eine stufenlose Eingabe getätigt werden.
4 zeigt eine Aufsicht eines Trägerelements 16 mit elastischen Elementen 14 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe 10. Das Trägerelement 16 ist im Wesentlichen als rechteckiger Rahmen ausgebildet, der zudem einen zu einem Rahmeninneren weisenden Fortsatz 34 aufweist. Ferner sind zwei elastische Elemente 14, 14' vorgesehen, die auf dem Trägerelement 16 aufliegen und zusammen mit dem Trägerelement 16 eine als Kanal 36 ausgebildete Kammer bilden. Die elastischen Elemente 14, 14' umfassen einen Schaumstoff und weisen jeweils eine dem Trägerelement 16 zugewandte Unterseite (nicht dargestellt) und eine der Unterseite gegenüberliegende Oberseite 18, 18' auf. Die Unterseite und die Oberseite 18, 18' jedes der elastischen Elemente 14, 14' verlaufen im Wesentlichen parallel. Der Verlauf beider elastischen Elemente 14, 14' ist im Wesentlichen rechteckig, wobei der Verlauf des inneren elastischen Elements 14 ein kleineres Rechteck beschreibt und ferner den Fortsatz 34 umrandet.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang einer gestrichelten Linie A-A aus 4 des zweiten Ausführungsbeispiels (einschließlich Anzeige-Einheit 12) ohne Krafteinwirkung.
In 5 gut zu erkennen ist eine flexible elektrische Leiterbahn 38. Ein Ende der flexiblen elektrischen Leiterbahn 38 ist mit einer der Anzeige-Einheit 12 abgewandten Seite des Trägerelements 16 mechanisch und elektrisch verbunden. Das andere Ende der Leiterbahn 38 ist mit der dem Trägerelement 16 zugewandten Seite der Anzeige-Einheit 12 mechanisch verbunden. Ein mittlerer Bereich der Leiterbahn 38 liegt seitlich an dem Trägerelement 16 und dem elastischen Element 14 an. Außerhalb des Bereichs der Leiterbahn 38 sind die elastischen Elemente 14, 14' mit der Anzeige-Einheit 12 verbunden. Somit begrenzen das Trägerelement 16, die elastischen Elemente 14, 14', die Anzeige-Einheit 12 und die Leiterbahn 38 einen Kanalabschnitt. Der Kanalabschnitt verläuft im Wesentlichen entlang des rechteckigen Trägerelements 16 und des Fortsatzes 34. Der Kanalabschnitt bildet einen Teil der Kammer 28 der Eingabebaugruppe 10.
Der Fortsatz 34 weist innerhalb der Kammer 28 einen Drucksensor 24 auf, der auf der Leiterbahn 38 angebracht ist. Der Messbereich 26 des Drucksensors 24 ist zur Kammer 28 hin gerichtet. Die Leiterbahn 38 verbindet den Drucksensor 24 mit einem elektrischen Kontakt 42 einer Leiterplatte 40. Die Leiterplatte 40 ist im Ausführungsbeispiel separat vom Trägerelement 16 ausgebildet. So können Messdaten des Drucksensors 24 beispielsweise einer Steuereinheit 44 zugeführt werden. Die Steuereinheit 44 kann auf der Leiterplatte 40 angeordnet sein oder - wie in 5 dargestellt - separat hiervon ausgebildet sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts entlang der gestrichelten Linie A-A aus 4 des zweiten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe 10. Im Wesentlichen unterscheidet sich 6 von 5 durch eine auf die Anzeige-Einheit 12 ausgeübte Krafteinwirkung 30 und eine daraus resultierende Komprimierung der elastischen Elemente 14, 14'.
Wie schon für das erste Ausführungsbeispiel erläutert, führt die Krafteinwirkung 30 zu einer Kompression der elastischen Elemente 14, 14' und zu einer Verringerung des Volumens der Kammer 28. Entsprechend führt die Volumenverringerung zu einer Druckerhöhung innerhalb der Kammer 28, die durch den in der Kammer 28 angebrachten Drucksensor 24 gemessen werden kann. Bei der Kompression der elastischen Elemente 14, 14' wölbt sich die flexible elektrische Leiterbahn 38, um sich der Abstandsverringerung zwischen der Anzeige-Einheit 12 und dem Trägerelement 16 anzupassen. Die Leiterbahn 38 kann sich beispielsweise von einer Seite des benachbarten elastischen Elements 14 und des Trägerelements 16 wegwölben.
Der Drucksensor 24 misst den Druck im Fortsatz 34. Da der Fortsatz 34 in fluider Kommunikation mit dem Rest der Kammer 28 steht, weisen alle Bereiche der Kammer 28 im Wesentlichen den gleichen Luftdruck auf. Somit entspricht ein am Drucksensor 24 gemessener Druck im Wesentlichen auch einem Druck an anderen Bereichen der Kammer 28. Somit kann auch eine Krafteinwirkung 30 auf Bereiche der Anzeige-Einheit 12, die nicht in unmittelbarer Nähe zum Drucksensor 24 erfolgt, aufgrund der fluiden Kommunikation der Kanalabschnitte am Drucksensor 24 gemessen werden.
Dies hat unter anderem den Vorteil, dass eine erforderliche Anzahl an Drucksensoren reduziert und eine Interpretation eines Drucksignals erleichtert werden kann. Eine Krafteinwirkung auf die Anzeige-Einheit sollte unabhängig von der Position der Krafteinwirkung durch einen Sensor zuverlässig detektierbar sein. Unterschiedliche Abstände zwischen der Krafteinwirkung und dem Sensor können bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik unterschiedliche Sensorsignale erzeugen, was eine Interpretierung der Krafteinwirkung erschwert. In der hier erörterten Ausführung kann die Anzahl an Sensoren und eine Abhängigkeit des Sensorsignals von der Position der Krafteinwirkung reduziert werden.
Eine vom Drucksensor 24 erfasste oder gemessene Druckänderung wird an die Steuereinheit 44 übermittelt. Die übermittelte Druckänderung kann zu einem Steuersignal verarbeitet werden. So kann ein Steuersignal erzeugt werden, falls eine Druckänderung eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Alternativ hierzu kann ein Steuersignal erzeugt werden, sobald eine Druckänderung über eine vorbestimmte Zeitdauer eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Das Steuersignal kann abhängig von der Größe der Druckänderung erzeugt werden.
Der Benutzer kann eine Bestätigung über eine Eingabe aufgrund der Druckänderung erhalten. Dies kann beispielsweise ein akustisches Signal, wie ein Klickgeräusch sein. Eine weitere Möglichkeit ist eine haptisch erfassbare Bestätigung über einen eingebauten Aktuator. Der Benutzer kann auch eine zusätzliche Bestätigung am Ende einer Eingabe erhalten (d. h. bei Abfall des einmal aufgebauten Drucks). Das erste und das zweite Bestätigungssignal können unterschiedliche Schwellwerte zur Erzeugung haben. So kann beispielsweise das erste Bestätigungssignal einen höheren Schwellwert als das zweite Bestätigungssignal aufweisen.
Mittels eines Aktuators (nicht dargestellt) kann ein Impuls auf wenigstens einen Teil der Eingabebaugruppe 10 übertragen werden. Die durch den Drucksensor 24 gemessene Druckänderung kann der Steuereinheit 44 zur Ansteuerung des Aktuators zugeführt werden. Die Krafteinwirkung des Aktuators kann so als haptische Rückmeldung für eine Benutzereingabe gedacht sein, welche zu der gemessenen Druckänderung geführt hat. Auf diese Weise lässt sich die haptische Antwort eines herkömmlichen Druckschalters simulieren.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe 10. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen im Wesentlichen durch von der Kammer 28 räumlich und funktional getrennte elastische Elemente 14 und die Tatsache, dass die Kammer 28 zwei unelastische Kammerbegrenzungen 46a, 46b umfasst.
Die Kammer 28 ist zwischen der Anzeige-Einheit 12 und dem Trägerelement 16 vorgesehen. Die Kammerbegrenzung 46a ist mit der Anzeige-Einheit 12 verbunden und die Kammerbegrenzung 46b ist mit dem Trägerelement 16 verbunden. Die Kammerbegrenzungen 46a, 46b können (beispielsweise über eine Krafteinwirkung auf die Anzeige-Einheit 12) ineinander geschoben werden. Dabei verringert sich ein von den Kammerbegrenzungen 46a, 46b begrenztes Volumen. Wie bereits im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erläutert, führt eine Volumenänderung zu einer Druckänderung in der Kammer 28. An der Kammerbegrenzung 46a ist ein Drucksensor 24 angebracht. Ein Messbereich 26 des Drucksensors 26 ist in fluider Kommunikation mit der Kammer 28 angeordnet und kann die Druckänderung messen.
Ferner sind beabstandet zur Kammer 28 elastische Elemente 14 vorgesehen. Die elastischen Elemente 14 umfassen beispielsweise Schraubenfedern oder Polymerelemente. Die elastischen Elemente 14 erzeugen bei einer Krafteinwirkung auf die Anzeige-Einheit 12 eine rückstellende Kraft. Die rückstellende Kraft bewegt die Anzeige-Einheit 12 nach Betätigung wieder in ihre ursprüngliche Position. Dabei werden die Kammerbegrenzungen 46a, 46b wieder auseinander gezogen.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Eingabebaugruppe 10. Die Eingabebaugruppe 10 umfasst eine Anzeige-Einheit 12, ein Trägerelement 16 und räumlich dazwischen angeordnete elastische Elemente 14. Die elastischen Elemente 14 umfassen einen Schaumstoff und erzeugen bei einer Krafteinwirkung auf die Anzeige-Einheit 12 eine rückstellende Kraft. Zwischen der Anzeige-Einheit 12 und dem Trägerelement 16 ist ferner ein elastischer Schlauch 27 vorgesehen, der eine Kammer 28 begrenzt. Der Schlauch 27 verläuft im Wesentlichen ringförmig oder mäandernd entlang oder auf dem Trägerelement 16. In der Kammer 28 ist ein Drucksensor 24 vorgesehen, dessen Messbereich 26 in fluider Kommunikation mit dem Volumen der Kammer 28 steht. Wie bereits im Zusammenhang mit vorhergehenden Ausführungsbeispielen erläutert, führt eine Krafteinwirkung auf die Anzeige-Einheit 12 zu einer Kompression der elastischen Elemente 14 und einer Volumenänderung des Schlauchs 27 (und damit der Kammer 28). Die damit einhergehende Druckänderung kann über den Drucksensor 24 gemessen werden. Über den Drucksensor 24 kann somit eine Krafteinwirkung im Wesentlichen parallel zur z-Richtung gemessen werden.
Ferner umfasst die Eingabebaugruppe einen Aktuator 48. Der Aktuator 48 ist über ein erstes Übertragungselement 50a mit einer ersten Befestigung 52a und über ein zweites Übertragungselement 50b mit einer zweiten Befestigung 52b verbunden. Die erste Befestigung 52a ist an der Anzeige-Einheit 12 und die zweite Befestigung 52b an dem Trägerelement 16 angeordnet. Der Aktuator 48 kann somit über eine Aktuatorkrafteinwirkung auf die Übertragungselemente 50a, 50b die Anzeige-Einheit 12 und das Trägerelement 16 gegeneinander bewegen. In anderen Ausführungsbeispielen könnte sich der Aktuator 24, anstatt über die Befestigung 52b am Trägerelement 16 auch direkt oder über die Befestigung 52b an einer Komponente außerhalb der Baugruppe 10 abstützen (z. B. an einem in 8 nicht gezeigten Gehäuse).
Die Aktuatorkrafteinwirkung verläuft im Wesentlichen in einer Ebene parallel zu einer Anzeigeoberfläche (also parallel zur x-y-Ebene). Die elastischen Elemente 14 verformen sich elastisch gemäß der durch die Aktuatorkrafteinwirkung bewirkten Scherung. Die elastische Verformung der Scherung erzeugt eine der Aktuatorkrafteinwirkung entgegen gerichtete rückstellende Kraft in x- und/oder y-Richtung. Der Aktuator 48 kann die Anzeige-Einheit 12 somit in eine Richtung im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene bewegen. Der Aktuator 48 kann die Anzeige-Einheit 12 beispielsweise zu einer Bestätigung einer Eingabe bewegen. Ferner kann der Aktuator 48 Vibrationen zur Signalerzeugung (beispielsweise für einen eingehenden Anruf) verwendet wernden. Der Aktuator 48 kann auch zu einer Bildstabilisation in einer bewegten Umgebung, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, angewendet werden.
9 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Innenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Kraftfahrzeugs 54 mit einem ersten Eingabesystem 56 und einem zweiten Eingabesystem 57. Funktional gleiche Komponenten sind wiederum mit denselben Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen versehen.
Das Eingabesystem 56 umfasst die hier vorgestellte erste Eingabebaugruppe 10 und eine elektrisch mit der Eingabebaugruppe 10 gekoppelte Steuereinheit 44. Das entsprechende Kraftaufnahme-Element 12 ist als Anzeige-Einheit ausgebildet.
Das erste Eingabesystem 56 ist zur Steuerung einer Kraftfahreug- (Kfz-) Funktion 58 ausgebildet. Die Kfz-Funktion 58 kann beispielsweise ein Fensterheber, ein Radio, ein Bordcomputer oder ein Infotainmentsystem sein. So kann das erste Eingabesystem 52 eine grafische Schnittstelle des Infotainmensystems darstellen. Ein Fahrer oder Beifahrer, der auf die Anzeige-Einheit drückt, erzeugt eine durch den Drucksensor (nicht dargestellt) messbare Druckänderung. Das sensorisch erfasste Drucksignal wird der Steuereinheit 44 zugeführt. Die Steuereinheit wertet das Drucksignal aus und erzeugt entsprechend dem Drucksignal ein Steuersignal, das an die Kfz-Funktion 58 weitergeleitet wird.
Als weiteres Bedienelement ist ein zweites Eingabesystem 57 vorgesehen, das einen Tastschalter 59 als Teil einer hier vorgestellten Eingabebaugruppe (Bezugszeichen 10 in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen) umfasst und ebenfalls zur Steuerung einer Kfz-Funktion 58 ausgebildet ist. Der Tastschalter 59 umfasst ebenfalls eine Steuereinheit (nicht dargestellt) wie vorstehend dargelegt. Eine Betätigung des Tastschalters 59 führt zu einer Erzeugung eines Steuersignals, welches die Kfz-Funktion 58 ansteuert. Der zweite Eingabesystem 57 weist verglichen zum ersten Eingabesystem 56 einen ähnlichen Aufbau aber keine Anzeige-Einheit auf. Vielmehr kann anstelle der Anzeige-Einheit ein kostengünstigeres Element, z. B. ein planares Kunststoffelement, zum Einsatz kommen.
In anderen Realisierungen können die Steuersignale, die mittels der Krafteinwirkung auf die Anzeige-Einheit des ersten Eingabesystems 56 oder den Tastschalter 59 des zweiten Eingabesystems 57 erzeugt wurden, auch zur Ansteuerung eines in den Eingabesystemen 56, 57 jeweils verbauten Aktuators (vgl. Bezugszeichen 48 in 8) verwendet werden. Mittels des Aktuators lässt sich ein haptisches Feedback haptisches Feedback für den Fahrer oder den Beifahrer erzeugen.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 60 zum Erfassen einer Druckänderung in der hier vorgestellten Eingabebaugruppe 10. Im ersten Schritt erfolgt ein Bereitstellen einer Eingabebaugruppe 10. Die Eingabebaugruppe 10 umfasst hierbei eine Anzeige-Einheit 12, ein Trägerelement 16, ein elastisches Element 14, eine Kammer 28 mit veränderbaren Volumen und einen Drucksensor 24 in fluider Kommunikation mit der Kammer 28. Der zweite Schritt umfasst ein Erfassen 64 einer Druckänderung in der Kammer 28, die aus der Krafteinwirkung 30 auf die Anzeige-Einheit 12 resultiert.
Anschließend folgt ein optionales Auswerten der erfassten Druckänderung durch eine Steuereinheit 44. Die Auswertung berücksichtigt beispielsweise eine Betätigungsdauer oder eine Druckänderung in einer bestimmten Zeitdauer.
In einem optionalen weiteren Schritt folgt ein Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der Auswertung der Druckänderung, die mittels der Anzeige-Einheit 12 oder des Tastschalters 59 erzeugt wird. Das Steuersignal kann beispielsweise fortlaufend gesendet werden, solange ein Benutzer die Krafteinwirkung 30 auf das entsprechende Kraftaufnahme-Element 12 ausübt. Der erfasste Druck kann ebenfalls ein Parameter bei der Erzeugung des Steuersignals sein. Wird über die Steuereinheit 44 beispielsweise ein Fensterheber als beispielhafte Kfz-Funktion 58 angesteuert, so kann der Benutzer über die aufgebrachte Krafteinwirkung 30 eine Geschwindigkeit steuern, mit der der Fensterheber das Fenster bewegt. In einem weiteren Beispiel kann über eine vom Benutzer aufgebrachte Krafteinwirkung 30 eine Geschwindigkeit einer Zoomfunktion in einer Kartendarstellung eines Infotainmentsystems gesteuert werden. Mit steigender Krafteinwirkung 30 kann eine Zoomgeschwindigkeit ansteigen.
In den vorgestellten Beispielen sind unterschiedliche Merkmale der vorliegenden Offenbarung getrennt voneinander sowie in bestimmten Kombinationen beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass viele dieser Merkmale, wo dies nicht explizit ausgeschlossen ist, miteinander frei kombinierbar sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2010/0245254 A1 [0004]

Claims

Eingabebaugruppe (10), umfassend: ein Kraftaufnahme-Element (12); ein Trägerelement (16); ein elastisches Element (14), das zwischen dem Kraftaufnahme-Element (12) und dem Trägerelement (16) vorgesehen ist und das bei einer Krafteinwirkung (30) auf das Kraftaufnahme-Element (12) eine rückstellende Kraft (32) erzeugt; eine Kammer (28) mit einem veränderbaren Volumen, welche zumindest bereichsweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element (12) und dem Trägerelement (16) vorgesehen ist und mit einem Fluid gefüllt ist; und einen Drucksensor (24) in fluider Kommunikation mit der Kammer (28), um eine Druckänderung in der Kammer (28) zu erfassen, die aus der Krafteinwirkung (30) auf das Kraftaufnahme-Element (12) resultiert.
Baugruppe (10) nach Anspruch 1, wobei das elastische Element (14) zumindest einen Teil einer Begrenzung der Kammer (28) bildet.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kraftaufnahme-Element (12) und/oder das Trägerelement (16) einen Teil einer Begrenzung der Kammer (28) bilden/bildet.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Element (14) einen Schaumstoff und/oder ein elastisches Polymermaterial, beispielsweise Gummi, umfasst.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen elektrischen Leiter (38), der den Drucksensor (24) mit einem elektrischen Kontakt (42) des Kraftaufnahme-Elements (12) oder des Trägerelements (16) elektrisch verbindet.
Baugruppe (10) nach Anspruch 5, wobei der Drucksensor (24) auf dem elektrischen Leiter (38), dem Kraftaufnahme-Element (12) oder dem Trägerelement (16) angebracht ist.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (24) zumindest bereichsweise in der Kammer (28) angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Bereich des Sensors, der für eine Druckerfassung mit dem Fluid in fluider Kommunikation steht, zumindest teilweise einen Teil einer Begrenzung der Kammer (28) bildet.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (28) zumindest einen Kanal (36) umfasst.
Baugruppe (10) nach Anspruch 9, wobei der Kanal (36) im Wesentlichen einen ringförmigen oder mäandernden Verlauf aufweist.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Aktuator (48), der ausgebildet ist, das Kraftaufnahme-Element (12) relativ zum Trägerelement (16) auszulenken.
Baugruppe (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kraftaufnahme-Element (12) eine Anzeige-Einheit (12) umfasst.
Eingabesystem (56), umfassend eine Eingabebaugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12; und eine Steuereinheit (44), die mit dem Drucksensor (24) gekoppelt ist, wobei die Steuereinheit (44) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Druckänderung ein Steuersignal zu erzeugen.
Eingabesystem (56) nach Anspruch 13, wobei das Kraftaufnahme-Element (12) eine Anzeige-Einheit (12) umfasst und das Steuersignal ausgebildet ist, die Anzeige-Einheit (12) anzusteuern.
Eingabesystem (56) nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Steuersignal ausgebildet ist, eine Kraftfahrzeugfunktion (58) anzusteuern.
Eingabesystem (56) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, ferner umfassend einen Aktuator (48), der ausgebildet ist, das Kraftaufnahme-Element (12) relativ zum Trägerelement (16) auszulenken, wobei das Steuersignal ausgebildet ist, den Aktuator anzusteuern.
Kraftfahrzeug (54), umfassend eine Eingabebaugruppe (10) oder ein Eingabesystem (56) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren (60) zum Erfassen einer Benutzereingabe, umfassend die Schritte: Bereitstellen (62) einer Baugruppe (10), umfassend ein Kraftaufnahme-Element (12); ein Trägerelement (16); ein elastisches Element (14), das zwischen dem Kraftaufnahme-Element (12) und dem Trägerelement (16) vorgesehen ist und das bei einer Krafteinwirkung (30) auf das Kraftaufnahme-Element (12) eine rückstellende Kraft (32) erzeugt; eine Kammer (28) mit einem veränderbaren Volumen, welche zumindest bereichsweise zwischen dem Kraftaufnahme-Element (12) und dem Trägerelement (16) vorgesehen ist und mit einem Fluid gefüllt ist; und einen Drucksensor (24) in fluider Kommunikation mit der Kammer (28); Erfassen (64) einer Druckänderung in der Kammer (28), die aus der Krafteinwirkung (30) auf das Kraftaufnahme-Element (12) resultiert.
Verfahren (60) nach Anspruch 18, ferner umfassend die Schritte: Auswerten der Druckänderung durch eine Steuereinheit (44); und Erzeugen eines Steuersignals basierend auf dem ausgewerteten Drucksignal.