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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 elastisch verformbare Rückstellmittel, 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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Es besteht daher Bedarf nach einem Bedienelement mit hoher Integrationsdichte, geringem Verschleiß, geringem Gewicht und das eine zuverlässige, reproduzierbare Rückstellung in die zugehörige Ruhestellung beinhaltet, die insbesondere konstruktiv nahezu beliebig variiert werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Verwendungsanspruchs. 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 zusätzl ich.
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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 Fläche 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. Der Begriff Träger ist erfindungsgemäß weit auszulegen, so dass der Tröger eine beliebige äußere Gestalt aufweisen kann. Der Träger ist beispielsweise vorgesehen, das Bedienelement an einer Innenverkleidung oder einer Blende der Fahrgastzelle festzulegen. 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.
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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 gegenüber dem Träger vorgesehen, wie es beispielsweise bei einer schwimmenden Lagerung vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist ferner wenigstens ein Permanentmagnetpaar zwischen Träger und Betätigungsteil zur Führung, insbesondere Stabilisierung, der Bewegung des Betätigungsteils und/oder Rückstellung des Betätigungsteils in die Ruhestellung angeordnet. Eine derartige magnetische Wechselwirkung ist verschleißarm und durch die Verwendung von Permanentmagneten wird eine bauraumsparende Lösung für ein gattungsgemäßes Bedienelement erreicht. Mittels des Permanentmagnetpaares sind aufgrund der Anordnungsvielfalt und Abmessungsvariabilität nahezu beliebige Kraft-Weg-Kennlinien, auch Rückstellverhalten genannt, realisierbar, die sich von dem linearen Verlauf, wie er sich bei einer idealelastischen Rückstellung durch Federn ergibt, unterscheiden. Zudem lassen sich bezüglich der zwei diametral entgegengesetzten Auslenkrichtungen aus der Ruhestellung vergleichsweise konstruktiv einfach ein asymmetrisches Rückstellverhalten einstellen.
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Als Führung wird eine durch das Permanentmagnetpaar erzeugte magnetische Wechselwirkung zwischen Träger und Betätigungsteil verstanden, die das Betätigungsteil auf einer vorgegebenen Bewegungsbahn führt. Als Stabilisierung wird eine durch das Permanentmagnetpaar erzeugte magnetische Führung zwischen Träger und Betätigungsteil verstanden, die die Bewegung des Betätigungsteils auf die durch den nachfolgend beschriebenen Aktor vorgegebene Bewegungsrichtung ausrichtet und einen Beibehalt dieser Bewegungsrichtung sicherstellt. Somit ist Stabilisierung eine geführte Bewegung, bei der beispielsweise eine ursprüngliche, möglichst transversale Bewegung angestrebt wird und davon abweichende Bewegungsrichtungen wie zur Bewegungsrichtung orthogonale Schwingungsmoden oder Rotationsbewegungen minimiert bzw. unterdrückt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat ferner den Vorteil, dass das Bedienelement leicht und lediglich mittels der Auslegung des Permanentmagnetpaares an bestimmte Einbausituationen angepasst werden kann. Beispielsweise kann die Anforderung sein, das zur Auslenkung notwenige Spaltmaß zwischen Betätigungsteil und einer das Betätigungsteil umgebenden Blende zu minimieren, wobei aber eine möglichst maximale Schnelle bei der Auslenkung angestrebt werden soll. Diese Abstimmung ist mit herkömmlichen Federn aufgrund deren im Allgemeinen linearen Kraft-Weg-Kennlinie nur eingeschränkt möglich.
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Erfindungsgemäß muss nicht zwingend auf zusätzliche Rückstell- und Führungsmittel verzichtet werden, beispielsweise können ferner weitere Rückstellmittel und/oder Führungsmittel vorgesehen sein. Beispielsweise sind ferner durch elastische Verformung hervorgerufene Rückstell- und Führungskräfte wirksam, um die selbstständige, d.h. ohne Aktivierung des nachfolgend beschriebenen Aktors bewirkte Rückstellung in eine der Auslenkung zeitlich vorhergehende Ruhestellung zu bewirken.
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Um eine elektromotorische Bewegung des Betätigungsteils in Richtung seines Freiheitsgrads zu bewirken, ist erfindungsgemäß ein Aktor, auch Aktuator genannt, 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 beispielsweise wenigstens eine im Falle einer haptischen Rückmeldung bestromte, d.h. mit einem elektrischen Strom beaufschlagte, und dabei ein Magnetfeld erzeugende Elektromagneten, mit wenigstens einer Spule auf, die mit einem betätigungsteilseitigen Anker über das Magnetfeld zusammenwirkt, um das Betätigungsteil relativ zum Träger aus der Ruhelage anzutreiben und auszulenken. Beispielsweise ist der erfindungsgemäße Aktor in dem durch die Anordnung von Träger und Betätigungsteil definierten Zwischenraum angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Permanentmagnetpaar durch zwei sich in Ruhestellung gegenpolig gegenüberliegende Permanentmagnete ausgebildet. Beispielsweise sind die Permanentmagnete so ausgerichtet, dass jeweils genau ein magnetischer Nordpol eines Permanentmagneten des Permanentmagnetpaares einem magnetischen Südpol des anderen Permanentmagneten des Permanentmagnetpaares gegenüberliegend angeordnet ist.
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Bevorzugt ist die Magnetausrichtung der das Permanentmagnetpaar bildenden Permanentmagnete derart, dass sich jeweils beide Pole jedes Permanentmagneten des Permanentmagnetpaares in der Ruhestellung gegenpolig gegenüberliegen. Als Magnetausrichtung ist die zentrale Verbindungslinie des jeweiligen Permanentmagneten zwischen seinem magnetischen Südpol zu seinem magnetischen Nordpol gemeint. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die rückstellende Kraft mit zunehmender Auslenkung ein lokales Maximum aufweist, welches sich dadurch ergibt, dass ein Zustand überfahren wird, bei dem gleichnamige Pole sich annähern und dabei ein Abstoßungszustand erreicht wird, welcher die Auslenkung begrenzt. Dies ist sowohl von Vorteil, wenn dabei die Magnetausrichtung parallel als auch orthogonal zur Bewegungsrichtung ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Magnetausrichtung wenigstens eines Permanentmagneten orthogonal oder parallel zur Bewegungsrichtung. Beispielsweise sind beide Permanentmagnete so angeordnet, dass beide Magnetausrichtung parallel zueinander sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist an wenigstens einem Permanentmagneten des Permanentmagnetpaares ein Polblech, auch Festigkeitsblech genannt, d.h. Blech aus weichmagnetischem Material, vorgesehen. Dadurch wird eine Magnetfeldformung und -Bündelung erreicht, um die rückstellende Wirkung gezielt einzustellen.
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Die einander gegenüberliegenden Polflächen der ein Permanentmagnetpaar definierenden Permanentmagnete sind bevorzugt deckungsgleich und dabei noch bevorzugter in der Ruhestellung zur Deckung gebracht angeordnet, um beispielsweise bezüglich der Auslenkung ein lineare Kraft-Weg-Kennlinie zu erreichen.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung sind die einander gegenüberliegenden Polflächen der ein Permanentmagnetpaar definierenden Permanentmagnete nicht deckungsgleich und/oder in der Ruhestellung in Bewegungsrichtung versetzt zueinander angeordnet, um das Rückstellverhalten zu variieren. Beispielsweise wird durch unterschiedliche große, sich gegenüberliegende Polflächen der beiden das Permanentmagnetpaar definierenden Permanentmagnete ein vergleichsweise ausgedehnter Bereich erreicht, indem die Rückstellkraft im Wesentlichen linear von der Auslenkung abhängig ist. Durch eine versetzte Anordnung wird beispielsweise eine bezüglich der zwei diametral entgegengesetzten Auslenkungsausrichtungen aus der Ruhestellung ein asymmetrisches Rückstellverhalten erreicht.
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Beispielsweise ist zwischen den Permanentmagneten des Permanentmagnetpaares ein Luftspalt, d.h. ein lichter Abstand von einigen wenigen Zehntelmillimetern vorgesehen. Bevorzugt stehen die Permanentmagnete des Permanentmagnetpaares jedoch in Berührkontakt miteinander. Beispielsweise sind zur Gleitreibungsminderung wenigstens die Berühroberflächen der Permanentmagnete mit einem Polytetrafluorethylen-haltigen Material beschichtet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Permanentmagnete des Permanentmagnetpaares bezüglicher ihrer Außenabmessungen in der Ruhestellung symmetrisch zueinander ausgebildet und angeordnet und unterscheiden sich dabei beispielsweise lediglich in ihrer Magnetausrichtung.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Magnetausrichtung der Permanentmagnete des Permanentmagnetpaares orthogonal zueinander. Beispielsweise ist die Magnetausrichtung eines Permanentmagneten dabei parallel zur Bewegungsrichtung, während die Magnetausrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung ist.
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Eine weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Permanentmagnete des Permanentmagnetpaares so angeordnet und ausgebildet sind, dass die Führung, insbesondere die Stabilisierung, in einer zur Bewegungsrichtung orthogonalen Richtung betragsmäßig stärker ist als eine Rückstellung in die Ruhestellung. Anders ausgedrückt die orthogonal zur Bewegungsrichtung wirkende, durch das Permanentmagnetpaar bewirkte Führungskraft, insbesondere die stabilisierend wirkende Kraft, ist bei gleicher Auslenkung im Betrag größer als die in Bewegungsrichtung wirkende und durch das Permanentmagnetpaar hervorgerufene Rückstellkraft.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bedienelements in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich bevorzugte Ausführungsvarianten dar. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
- 2 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
- 3 eine Schnittansicht durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements;
- 4a und 4b schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnungsverhältnisse der Permanentmagnetpaare;
- 5 eine schematische Kraft-Weg-Kennlinie
- 6a bis 6e weitere schematische Darstellungen der erfindungsgemäßen Anordnungsverhältnisse der Permanentmagnetpaare.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Dieses weist einen Träger 3 zur Befestigung an einer nicht dargestellten Mittelkonsole oder einer Innenraumverkleidung eines Kraftfahrzeugs auf. An dem Träger 3 ist ein Betätigungsteil 2 gelagert, welches eine berührempfindliche, einem Bediener zugewandte Eingabefläche 10 definiert. Beispielsweise handelt es sich bei dem Betätigungsteil 2 um einen Touchscreen, d.h. um eine Kombination aus berührempfindliche Eingabefläche und elektronischer Pixelmatrixanzeige, oder ein anzeigeloses Touchpad. Das Betätigungsteil 2 wird mittels eines Aktors, 7, 8 in einer zur berührempfindlichen Eingabefläche 10 parallelen Richtung 9 in Bewegung, d.h. aus eine Ruhelage ausgelenkt, um ein haptisches Feedback, beispielsweise im Falle einer detektierten Berührung der berührempfindlichen Eingabefläche, zu erzeugen. Der in einem Zwischenraum 11 zwischen Träger 3 und Betätigungsteil 2 aufgenommene Aktor 7, 8 weist dazu einen trägerseitigen Elektromagneten 7 und einen betätigungsteilseitigen Anker 8 auf, die magnetisch miteinander wechselwirken. Zur Führung des Betätigungsteils 2 während der Auslenkung und zur Rückstellung des Betätigungsteils 2 in eine monostabile Ruhestellung sind mehrere Permanentmagnetpaare 20 vorgesehen, die jeweils durch einen ersten Permanentmagnet 4 und einen zweiten Permanentmagnet 5 definiert sind.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform stehen die beiden Permanentmagnete 4, 5 in Berührkontakt miteinander, wobei die Berühroberfläche wenigstens eines der Permanentmagnete 4, 5d des Permanentmagnetpaares 20 mit einer reibungsmindernden Beschichtung 6, beispielsweise einer Polytetrafluorethylen-haltigen Schicht, versehen ist. Die Permanentmagnete 4, 5 sind beispielsweise mittels einer nicht näher dargestellten Klebeschicht mit dem Betätigungsteil 2 beziehungsweise dem Träger 3 verbunden und in der in 1 gezeigten Ruhestellung einander gegenüberliegend angeordnet.
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Die Permanentmagnetpaare 20 sind bezogen auf den auf die Eingabefläche 10 blickenden Bediener unterhalb des Betätigungsteils 2 genauer unterhalb des Randbereichs der Eingabefläche 10 angeordnet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Dieses unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform, dass die Permanentmagnete 4, 5 der mehreren Permanentmagnetpaare 20 nicht in Berührkontakt stehen, sondern jeweils über einen Luftspalt beabstandet zueinander sind. Ferner ist eine Lagerung 12 vorgesehen. Diese Lagerung 12 kann beispielsweis so ausgebildet sein, dass von ihr keine Rückstellungswirkung ausgeht und beispielsweise als Wälzlager ausgebildet ist, oder kann die durch das Permanentmagnetpaar 20 oder die mehreren Permanentmagnetpaare 20 bewirkte Rückstellung ergänzen oder modulieren. Beispielsweise handelt es sich bei der Lagerung um eine Feder oder ein Elastomerelement, die zwischen Träger 3 und Betätigungsteil 2 angeordnet sind.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Dieses unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen, ersten Ausführungsform, dass die Permanentmagnete 4, 5 der mehreren Permanentmagnetpaare 20 auch hier nicht in Berührkontakt stehen und ferner eine Lagerung 12 vorgesehen ist. Diese Lagerung 12 kann keine Rückstellungswirkung aufweisen und beispielsweise als Wälzlager ausgebildet sein, oder kann die durch das Permanentmagnetpaar 20 bewirkte Rückstellung ergänzen oder modulieren. Beispielsweise handelt es sich bei der Lagerung um eine Feder oder ein Elastomerelement, welche zwischen Träger 3 und Betätigungsteil 2 angeordnet sind. Darüber hinaus sind hier die Permanentmagnetpaare 20 bezogen auf den auf die Eingabefläche 10 blickenden Bediener nicht unterhalb des Betätigungsteils 2 angeordnet, wie bei den Ausführungsformen der 1 und 2 sondern auf Höhe des Betätigungsteils 2 und übernehmen hier im Wesentlichen eine das Betätigungsteil 2 auf die ursprünglich durch den Aktor vorgegebene Bewegungsrichtung 9 stabilisierend führende Funktion bei der Auslenkung durch den Aktor 7, 8.
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Die 4a und 4b zeigen mögliche erfindungsgemäße Anordnungen und Ausgestaltungen des aus den Permanentmagneten 4, 5 gebildeten Permanentmagnetpaares 20. Dabei sind die Permanentmagnete 4, 5 des Permanentmagnetpaares 20 abgesehen von ihrer Polanordnung und damit abgesehen von ihrer Magnetausrichtung 21 spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Somit sind die sich gegenüberliegenden Polflächen der sich gegenüberstehenden Permanentmagnete 4, 5 des Permanentmagnetpaares 20 nicht nur deckungsgleich ausgebildet, sondern auch in der gezeigten Ruhestellung zur Deckung gebracht angeordnet. Beispielsweise ist die Magnetausrichtung 21 im Falle der Ausführungsform der 4a für die beiden Permanentmagnete 4, 5 parallel zur Bewegungsrichtung 9 aber entgegengesetzt, so dass in der gezeigten Ruhestellung sich jeweils ungleichnamige Pole gegenüberstehen.
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Die zuvor beschriebene Ausgestaltung ist durch eine Kraft-Weg-Kennlinie 8, hierin auch Rückstellverhalten genannt, charakterisiert, wie sie sich durch die Funktionsdarstellung der 5 ergibt, bei der die Rückstellkraft F in Abhängigkeit der Auslenkung x aufgetragen ist. Dabei wird bis zu einer 50 prozentigen Überdeckung der relativen Anordnung der beiden Permanentmagnete 4, 5 des Permanentmagnetpaares 20 eine lineare Rückstellung bewirkt, wobei nach Erreichen eines lokalen Maximums ein Abfall der Rückstellkraft F einsetzt. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bedienelements 1 wird dieser Bereich, bei dem die Rückstellungskraft F und die Auslenkung X in einem linearen Verhältnis stehen, als Arbeitsbereich W für die durch den Aktor 7, 8 bewirkte Auslenkung herangezogen, indem beispielsweise der Aktor 7, 8 entsprechend angesteuert wird.
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Die 6a bis 6e zeigen jeweils weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Permanentmagnetpaares 30. Beispielsweise ist in den Ausführungsformen der 6a bis 6c die Magnetausrichtung 21 beider Permanentmagnete 4, 5 des Permanentmagnetpaares 20 parallel zur Bewegungsrichtung 9. Hier wird die durch das Permanentmagnetpaar 20 bewirkte Rückstellung durch das Vorsehen von Polblechen 15 beeinflusst, um beispielsweise eine nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie zu erreichen und/oder ein bezüglich der unterschiedlichen diametral entgegengesetzten Auslenkungsrichtungen aus der Ruhestellung, wie durch den Doppelpfeil 9 gezeigt, ein asymmetrisches Verhalten der Rückstellungskraft in Abhängigkeit der Auslenkung zu erreichen. So ist bei der in 6a gezeigten Variante an beiden Polen lediglich eines Permanentmagnets 5 des Permanentmagnetpaares 20 jeweils ein Polblech 15 vorgesehen.
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Bei der in 6b gezeigten Ausführungsform ist lediglich an einem Pol lediglich eines Permanentmagneten 5 des Permanentmagnetpaares 20 ein Polblech 15 vorgesehen, um so ein unterschiedliches Rückstellverhalten betreffend die beiden möglichen, entgegengesetzten Auslenkungen aus der Ruhestellung zu bewirken.
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6d zeigt eine Ausführungsform des Permanentmagnetpaares 4, 5, bei der aufgrund des Größenunterschieds der sich in Ruhestellung gegenüberliegenden Polflächen und der mittigen Anordnung der kleineren Polfläche gegenüber der größeren Polfläche der beiden ein Permanentmagnetpaar 20 ausbildenden Permanentmagnete 4, 5 ein bezüglich der beiden Auslenkungsrichtungen symmetrisches Rückstellverhalten aber gleichzeitig ein vergleichsweise ausgedehnter Arbeitsbereich, in dem die Rückstellkraft linear abhängig von der der Auslenkung ist, erreicht werden.
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6e wiederum zeigt eine Ausführungsform, bei der die Magnetausrichtungen 21 der beiden Permanentmagnete 4, 5 des Permanentmagnetpaares 20 orthogonal zueinander sind und zudem in der Ruhestellung versetzt zueinander angeordnet sind, dass lediglich ein Pol des Permanentmagneten 5 einem ungleichnamigen Pol des Permanentmagneten 4 desselben Permanentmagnetpaares 20 gegenüberliegt. Auch bei dieser Ausführungsform wird bezüglich der Auslenkungsrichtungen 9 aus der Ruhestellung ein asymmetrisches Rückstellverhalten erreicht.
