DE102017103670A1 - Eingabevorrichtung mit aktorisch bewegtem Eingabeteil mit Abstimmung der mechanischen Eigenfrequenzen zur Erzeugung einer verbesserten haptischen Rückmeldung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einer Eingabevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse und einem eine Bedienfläche definierenden Eingabeteil, welches beweglich am Gehäuse gelagert ist. Beispielsweise handelt es sich um ein Touchpad, also ein eine berührempfindliche Bedienfläche definierendes, anzeigeloses Eingabeteil oder um einen Touchscreen, also eine Kombination aus berührempfindlicher Bedienfläche und Anzeigefläche.
- Ein Touchscreen ist z.B. aus der
DE 201 02 197 U1 mit haptischem Feedback bekannt. - Aus der
DE 201 80 024 U1 bzw. der korrespondierendenWO 01/54109 A1 WO 01/54109 A1 - Haptische Rückmeldung ist zudem aus der
US 6 429 846 , derWO 03/038800 A1 WO 03/41046 A1 - Aus der
DE 197 31 285 A1 ist ein Bedienelement für eine Einrichtung mit mehreren wählbaren Menüs, Funktionen und/oder Funktionswerten bekannt, das eine Eingabefläche besitzt, die durch den Bediener erfassbar ist und über die die Auswahl durch eine lokale Bewegung bzw. Berührung der Eingabefläche vernehmbar ist. Die Eingabefläche ist in ihrer Gestalt entsprechend dem/der gewählten und/oder auswählbaren Menü, Funktion und/oder Funktionswert veränderbar. - Die
DE 10 2014 019 196 A1 offenbart eine Eingabevorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse und einem eine Bedienfläche definierenden Eingabeteil, welches beweglich am Gehäuse gelagert ist. Die Eingabevorrichtung weist ferner mechanische Rückstellmittel zur Rückstellung des Eingabeteils in eine Ruhestellung sowie einen elektromechanischen Aktor auf, wobei der Aktor ausgelegt ist, das Eingabeteil motorisch bewegend anzutreiben, um eine haptische Rückmeldung für den Bediener zu erzeugen. Die Rückstellmittel umfassen eine Feder, die eine ausgeprägte elastische Nachgiebigkeit in einer der Anregungsrichtung des Aktors entsprechenden Richtung aufweist und betreffend die verbleibenden Freiheitsgrade vergleichsweise biegesteif ausgebildet ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Bewegungs- bzw. Schwingungsanregung in eine der Freiheitsgrade außerhalb der Schwingungsanregung, deren Freiheitsgrad durch die Wirkrichtung des Aktors vorgegeben ist und nachfolgend als intendierte Schwingungsanregung bezeichnet wird, nicht vollständig und nur unter vergleichsweise hohem konstruktiven Aufwand unterbunden werden kann. Darüber hinaus hat sich nach vielen Versuchen überraschend gezeigt, dass eine solche nicht intendierte Schwingungsanregung nur dann als störend empfunden wird, wenn deren Periodizität sich in gewissem Maße von der intendierten Schwingungsanregung unterscheidet und vielmehr die Wahrnehmbarkeit des haptischen Feedbacks durch diese zusätzlichen Schwingungsanregungen in einer den ursprünglich nicht-intendierten Freiheitsgraden entsprechenden Richtung verbessert werden kann. - Es besteht daher Bedarf nach einer gattungsgemäßen Eingabevorrichtung mit verbessertem haptischen Feedback, welche insbesondere vergleichsweise einfach konstruktiv ausgelegt werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Eingabevorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine entsprechend vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des Verwendungsanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
- Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung. Diese weist ein Gehäuse und ein eine Bedienfläche definierendes Eingabeteil auf. Der Begriff Gehäuse ist weit auszulegen und setzt nicht zwingend eine das Eingabeteil umhüllende Ausgestaltung des Gehäuses voraus. Beispielsweise ist das Gehäuse als Rahmen ausgebildet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Gehäuse ausgebildet, das Eingabeteil beweglich an einer Fahrzeugkomponente, wie einem Armaturenbrett, einer Innenverkleidung oder Dergleichen festzulegen.
- Erfindungsgemäß ist das Eingabeteil unter Bereitstellung wenigstens zweier Freiheitsgrade und zugehöriger mechanischer Eigenfrequenzen beweglich am Gehäuse gelagert. Beispielsweise ist das Eingabeteil entlang zwei orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen transversal frei beweglich am Gehäuse gelagert. Bevorzugt sind ein erster Freiheitgrad durch eine translatorische Bewegung entlang einer zur Bedienfläche parallelen Richtung und ein zweiter Freiheitsgrad durch eine rotatorische Bewegung um eine zur Bedienfläche parallelen Achse definiert.
- Erfindungsgemäß ist die Eingabevorrichtung ausgelegt, einem Berühren der Bedienfläche durch einen Bediener und/oder einem Drücken der Bedienfläche durch einen Bediener, d.h. einem Einwirken einer Betätigungskraft auf die Bedienfläche, jeweils eine Schalt- oder Steuerfunktion zuzuordnen.
- Erfindungsgemäß weist die Eingabevorrichtung ferner mechanische Rückstellmittel zur Rückstellung des Eingabeteils in eine bezogen auf die wenigstens zwei Freiheitsgrade vorgesehene Ruhestellung auf. Erfindungsgemäß weist die Eingabevorrichtung einen elektromechanischen Aktor auf. Der Aktor ist erfindungsgemäß ausgelegt, das Eingabeteil motorisch entlang der wenigstens zwei Freiheitsgrade bewegend anzutreiben und einer durch die mechanischen Rückstellmittel bewirkten Rückstellkraft entgegenwirkend das Eingabeteil unter Aufbringung einer Bremswirkung abzubremsen, um durch das Antreiben und optionale Abbremsen eine haptische Rückmeldung für den Bediener zu erzeugen. Als Bremswirkung wird bezogen auf den jeweiligen Freiheitsgrad eine zeitliche Abnahme der zugehörigen Schwingungsamplitude verstanden, die über die Abnahme hinausgeht, die sich durch Dämpfung beim freischwingenden Eingabeteil ergibt. Typischerweise wird eine Amplitudenabnahme von mehr als 70% von der vorhergehenden Schwingungsamplitude als Bremswirkung verstanden.
- Erfindungsgemäß sind die mechanischen Eigenfrequenzen der wenigstens zwei Freiheitsgrade, beispielsweise eines Rotationsfreiheitsgrades und eines Translationsfreiheitsgrades, so gewählt, dass sich eine Bremswirkung bezüglich beider Freiheitsgrade einstellt, bevorzugt sich phasensynchrone Schwingungen bezüglich der beiden Freiheitsgrade einstellen.
- Erfindungsgemäß weisen die mechanischen Eigenfrequenzen der wenigstens zwei Freiheitsgrade eine Maximalabweichung von weniger als 100 Hz auf. Es hat sich gezeigt, dass dadurch das Eingabeteil ein bezüglich der wenigstens zwei Freiheitsgrade ein ausreichend angeglichenes Schwingungsverhalten, wie Periodizität, aufweist, dass der verbleibende Unterschied im besagten Schwingungsverhalten seitens des Bedieners nicht als störend empfunden wird. Bei der optionalen Abbremsung des Eingabeteils besteht durch die angeglichene Abstimmung der mechanischen Eigenfrequenzen und das sich daraus ergebende angeglichene Schwingungsverhalten ferner die Möglichkeit, ein effektives Abbremsen in Bezug auf beide Freiheitsgrade zu erreichen.
- Bevorzugt beträgt die Maximalabweichung weniger als 50 Hz, noch bevorzugter beträgt die Maximalabweichung weniger als 25 Hz, meist bevorzugt weniger als 10 Hz, beträgt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung sind ein erster Freiheitgrad durch eine translatorische Bewegung entlang einer zur Bedienfläche parallelen Richtung und ein zweiter Freiheitsgrad durch eine rotatorische Bewegung um eine zur Bedienfläche parallelen Achse definiert.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Eingabeteil eine Detektionseinrichtung zur ortsauflösenden Detektion einer Berührung auf der Bedienfläche auf. Beispielsweise ist die Detektionseinrichtung ausgelegt, die Berührung kapazitiv, resistiv, optisch oder induktiv zu detektieren.
- Bevorzugt ist der elektromotorische Aktor ausgelegt, das Eingabeteil durch einen Beschleunigungsimpuls entlang der wenigstens zwei Freiheitsgrade aus der Ruhestellung zu bewegen und durch einen Bremsimpuls vor einer Rückkehr in die Ruhestellung abzubremsen. Noch bevorzugter ist der elektromotorische Aktor ein elektromagnetischer Aktor. Beispielsweise weist er eine elektrische Spule und einen mit der Spule zusammenwirkenden Anker, bevorzugt einen Flachanker, auf.
- Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor so angeordnet, dass dessen Wirkrichtung versetzt zu einem Schwerpunkt des Eingabeteils verläuft. Beispielsweise ist der Angriffspunkt des Aktors, d.h. der Anker versetzt zum Schwerpunkt des Eingabeteils angeordnet. Dadurch wird neben der translatorischen, der Wirkrichtung entsprechenden Bewegungsanregung des Eingabeteils durch den Aktor auch eine rotatorische Bewegungsanregung des Eingabeteils bewirkt.
- Bevorzugt umfassen die mechanischen Rückstellmittel eine oder mehrere Federn. Beispielsweise sind die Federn aus Federstahl ausgebildet.
- Bevorzugt weist die Feder jeweils pro Freiheitsgrad eine zugehörige Federkonstante auf, die jeweils derart auf das zugehörige, d.h. dem Freiheitsgrad entsprechenden Trägheitsmoment des Eingabeteils abgestimmt ist, dass sich die vorgegebene Maximalabweichung der zugehörigen Eigenfrequenzen ergibt. Während beispielsweise beim Stand der Technik die Federn lediglich eine elastische Nachgiebigkeit bezüglich eines Freiheitsgrades aufweisen und betreffend die verbleibenden Freiheitsgrade vergleichswiese biegesteif ausgebildet sind, weisen die erfindungsgemäßen Federkonstanten bezüglich der beiden Freiheitsgrade einen annähernd gleichen Betrag, beispielsweise eine Abweichung von einigen Dekaden N/m, auf.
- Bevorzugt liegen die mechanischen Eigenfrequenzen jeweils im Bereich von 5 Hz bis 150 Hz, bevorzugt im Bereich von 30 Hz bis 75 Hz. Es obliegt dem Fachmann durch Modalanalyse die entsprechenden Eigenfrequenzen mittels konstruktiver Auslegung der Rückstellmittel und durch die Masseverteilung des Eingabeteils entsprechend festzulegen.
- Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der Eingabevorrichtung in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
- 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 die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung in der Ruhestellung; -
2 die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung unmittelbar nach Bewegungsanregung durch einen Beschleunigungsimpuls; -
3 die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung unmittelbar nach Abbremsung durch einen Bremsimpuls. - Die in
1 gezeigte, erfindungsgemäße Eingabevorrichtung1 weist ein Gehäuse3 und ein eine Bedienfläche7 definierendes Eingabeteil6 , welches unter Bereitstellung wenigstens zweier Freiheitsgrade und zugehöriger mechanischer Eigenfrequenzen beweglich am Gehäuse3 gelagert ist. Die Eingabevorrichtung1 ist ausgelegt, einem Berühren der Bedienfläche7 durch einen Bediener und/oder einem Drücken der Bedienfläche7 durch einen Bediener unter Aufbringung einer Betätigungskraft F jeweils eine Schalt- oder Steuerfunktion zuzuordnen. Die Eingabevorrichtung1 weist ferner mechanische Rückstellmittel2 in Form von Federn zur Rückstellung des Eingabeteils6 in die in1 gezeigte Ruhestellung auf. S definiert den Schwerpunkt des Eingabeteils 6. Die Eingabevorrichtung1 weist einen elektromechanischen Aktor4 ,5 auf, der eine elektromagnetische Spule4 und einen mit dem bei der Bestromung der Spule erzeugten Magnetfeld zusammenwirkenden Anker5 umfasst, wobei der Anker5 starr am Eingabeteil6 befestigt ist. Die Wirkrichtung des Aktors4 ,5 ist im Wesentlichen parallel zur Eingabefläche7 . Der Aktor4 ,5 ist ausgelegt, das Eingabeteil6 motorisch entlang der wenigstens zwei Freiheitsgrade bewegend anzutreiben und der durch die mechanischen Rückstellmittel2 bewirkten Rückstellkraft entgegenwirkend das Eingabeteil6 abzubremsen, um eine haptische Rückmeldung für den Bediener zu erzeugen, wie nachfolgend an den2 und3 erläutert wird. Erfindungsgemäß weisen die mechanischen Eigenfrequenzen, die jeweils durch die zugehörige Trägheitsmasse und die zugehörige Federkonstante der Rückstellmittel2 für den jeweiligen Freiheitsgrad bestimmt ist, eine vorgegebene Abweichung nicht überschreitenden Unterschied auf, so dass sich die Perioden, d.h. Periodendauern, der den entsprechenden Freiheitsgraden entsprechenden Schwingungen annähernd gleich sind. -
2 zeigt, wie mittels des Aktors4 ,5 eine Anziehung zwischen Spule4 und Anker5 mit einer dem Pfeil W entsprechenden Wirkrichtung hervorgerufen wird, was einerseits zu einer translatorischen, dem Pfeil8 entsprechenden Bewegung des Eingabeteils6 aber auch aufgrund der zur Wirkrichtung W versetzten Lage des Schwerpunkts S zu einer rotatorischen, durch den Pfeil9 angedeuteten Anregungsbewegung des Eingabeteils6 führt, die beide der rückstellenden Wirkung der Rückstellmittel2 unterliegen. Die Pfeile8 ,9 repräsentieren somit die möglichen und durch den Aktor4 ,5 angeregten Freiheitsgrade. Aufgrund der sich annähernd entsprechenden Eigenfrequenzen wird eine translatorische Schwingung8 und eine dazu phasengleiche Rotationsschwingung9 erreicht. Nach Erreichen der jeweiligen Maximalauslenkung der Transversalbewegung bzw. der Rotationsbewegung aber vor dem Wiedererreichen der in1 gezeigten Ruhestellung des Eingabeteils6 wird mittels des Aktors4 ,5 das Eingabeteil6 einem Bremsimpuls ausgesetzt, welcher dazu führt, dass die jeweilige Rückbewegung des Transversalfreiheitsgrades8 bzw. des Rotationsfreiheitsgrades9 in die Ruhestellung verlangsamt und möglichst ohne Überschwingen des Eingabeteils6 erreicht wird. Somit wird durch die Abstimmung der mechanischen Eigenfrequenzen ein annähend synchrones Schwingungsverhalten des Eingabeteils6 bezüglich seiner durch den Aktor4 ,5 angeregten Eigenfrequenzen erreicht, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, das Eingabeteil6 durch einen einzigen Bremsimpuls effektiv, weil annähernd synchron, abzubremsen. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 20102197 U1 [0002]
- DE 20180024 U1 [0003]
- WO 0154109 A1 [0003]
- US 6429846 [0004]
- WO 03/038800 A1 [0004]
- WO 0341046 A1 [0004]
- DE 19731285 A1 [0005]
- DE 102014019196 A1 [0006]
Claims (11)
- Eingabevorrichtung (1), aufweisend ein Gehäuse (3) und ein eine Bedienfläche (7) definierendes Eingabeteil (6), welches unter Bereitstellung wenigstens zweier Freiheitsgrade (8, 9), und zugehöriger mechanischer Eigenfrequenzen beweglich am Gehäuse (3) gelagert ist, und wobei die Eingabevorrichtung (1) ausgelegt ist, einem Berühren der Bedienfläche (7) durch einen Bediener und/oder einem Drücken der Bedienfläche (7) durch einen Bediener jeweils eine Schalt- oder Steuerfunktion zuzuordnen, wobei die Eingabevorrichtung (1) ferner mechanische Rückstellmittel (2) zur Rückstellung des Eingabeteils (6) in eine Ruhestellung sowie einen elektromechanischen Aktor (4, 5) aufweist, wobei der Aktor (4, 5) ausgelegt ist, das Eingabeteil (6) motorisch entlang der wenigstens zwei Freiheitsgrade (8, 9) bewegend anzutreiben und einer durch die mechanischen Rückstellmittel (2) bewirkten Rückstellkraft entgegenwirkend das Eingabeteil (6) unter Aufbringung einer Bremswirkung abzubremsen, um eine haptische Rückmeldung für den Bediener zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenfrequenzen der wenigstens zwei Freiheitsgrade (8, 9) so gewählt sind, dass sich eine Bremswirkung bezüglich beider Freiheitsgrade einstellt.
- Eingabevorrichtung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalabweichung der wenigstens zwei Freiheitsgrade (8, 9) weniger als 100 Hz, bevorzugt weniger als 50 Hz, bevorzugter weniger als 25 Hz, meist bevorzugt weniger als 10 Hz, beträgt. - Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Freiheitgrad (8) durch eine translatorische Bewegung entlang einer zur Bedienfläche (7) parallelen Richtung und ein zweiter Freiheitsgrad (9) durch eine rotatorische Bewegung um eine zur Bedienfläche (7) parallelen Achse definiert sind.
- Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabeteil (6) eine Detektionseinrichtung zur ortsauflösenden Detektion einer Berührung auf der Bedienfläche (7) aufweist.
- Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Aktor (4, 5) ausgelegt ist, das Eingabeteil (6) durch einen Beschleunigungsimpuls entlang der wenigstens zwei Freiheitsgrade (8, 9) aus der Ruhestellung zu bewegen und durch einen Bremsimpuls vor einer Rückkehr in die Ruhestellung abzubremsen.
- Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Aktor (4, 5) ein elektromagnetischer Aktor ist.
- Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Aktor (4, 5) so angeordnet ist, dass dessen Wirkrichtung (W) versetzt zu einem Schwerpunkt (S) des Eingabeteils (6) verläuft.
- Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Rückstellmittel (2) eine oder mehrere Federn umfassen.
- Eingabevorrichtung (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (2) jeweils pro Freiheitsgrad (8, 9) eine zugehörige Federkonstante aufweist, die jeweils derart auf das zugehörige Trägheitsmoment des Eingabeteils (6) abgestimmt ist, dass sich die vorgegebene Maximalabweichung der zugehörigen Eigenfrequenzen ergibt.
- Eingabevorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Eigenfrequenzen im Bereich von 5 Hz bis 150 Hz, bevorzugt im Bereich von 30 Hz bis 75 Hz, liegen.
- Verwendung der Eingabevorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug.
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