-
Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welches ein Trägerteil, ein Bedienteil mit einer Bedienoberfläche aufweist. Das Bedienteil ist bei Einwirken einer Betätigungskraft auf die Bedienoberfläche aus einer Ruhestellung in eine Betätigungsstellung verlagerbar am Trägerteil gelagert. Es ist ferner ein Rückstellelement zur Erzeugung einer der Betätigungskraft entgegengerichteten Rückstellkraft auf das Bedienteil und eine Auswerteinheit vorgesehen.
-
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise ein Bedienelement für ein Kraftfahrzeug bekannt, welches als berührempfindliches Eingabeteil ausgebildet ist und ein Bedienteil zur Anordnung mindestens einer ein Bedienfeld aufweisenden berührungssensitive Bedienoberfläche, insbesondere ein Touchpad oder einen Touchscreen aufweist. Das Bedienteil ist mit mindestens einem als Federelement ausgebildeten Rückstellelement verbunden, wobei das Rückstellelement zur bewegbaren Lagerung des Bedienteils gegenüber einem Trägerteil ausgebildet ist. Das berührempfindliche Bedienelement umfasst weiter eine Aktuatoreinheit, welche zur Schwingungsanregung des Bedienteils ausgebildet ist und in der Regel durch das Überschreiten einer vorgegebenen Betätigungskraft getriggert aktiviert wird. Bei bekannten gattungsgemäßen Bedienelementen ist zur Messung der Betätigungskraft ein kapazitiver Kraftsensor vorgesehen. Bei diesen wird üblicherweise durch betätigungskraftabhängige Annäherung zweier Elektroden und der daraus resultierenden Kapazitätsänderung die Betätigungskraft bestimmt. Nachteilig bei allen kapazitiven eingesetzten Kraftsensoren ist, dass diese aufgrund der Produktion mechanische Toleranzen aufweisen können, die das Messergebnis verfälschen können. Im Ergebnis führt dies zu hohen Ausschussraten des Bedienelements und sorgt damit für erhöhte Produktionskosten.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Bedienelement bereitzustellen, bei welchem einerseits die Produktionskosten verringert werden können gleichzeitig die Zuverlässigkeit und/oder Präzision der Betätigungskrafterkennung verbessert werden. Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Eine gleichermaßen vorteilhafte Verwendung ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. 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 zusätzlich.
-
Das erfindungsgemäße Bedienelement, welches insbesondere für ein Kraftfahrzeug Verwendung findet, weist ein Trägerteil, sowie ein Bedienteil mit einer Bedienoberfläche auf. Das Bedienteil ist bei Einwirken einer Betätigungskraft auf die Bedienoberfläche aus einer Ruhestellung in eine Betätigungsstellung entlang einer Verlagerungsrichtung verlagerbar am Trägerteil gelagert. Der Begriff Bedienteil ist weit auszulegen und meint beispielsweise eine Handhabe oder ein eine berührempfindliche Eingabefläche aufweisendes Bedienteil, wie einen Touchscreen oder ein Touchpad.
-
Erfindungsgemäß ist ein Rückstellelement zur Erzeugung einer der Betätigungskraft entgegengerichteten Rückstellkraft auf das Bedienteil vorgesehen. Beispielsweise ist das Bedienelement über ein oder mehrere elastische Elemente, wie Blattfedern, am Trägerteil gelagert. Erfindungsgemäß ist ferner eine Auswerteinheit vorgesehen.
Das Bedienelement weist erfindungsgemäß ferner einen kapazitiven Linearencoder auf, der ausgebildet ist, einen relativen Abstand zwischen Ruhestellung und Betätigungsstellung zu detektieren und an die Auswerteinheit auszugeben, wobei die Auswerteinheit ausgebildet ist, aus dem relativen Abstand eine der Betätigungskraft entsprechende Größe zu ermitteln. Beispielsweise wird diese Größe mit einem vorgegebenen Wert verglichen, wobei der vorgegebene Wert eine Betätigungskraftschwelle definiert. Bei Überschreiten der Betätigungskraftschwelle wird beispielsweise eine Steuer- oder Schaltfunktion getriggert oder das Auslösen eines akustischen, optischen oder haptischen Feedbacks getriggert.
-
Kapazitive Linearencoder sind unter anderem aus der
DE3727440A1 bekannt, in welcher beispielsweise ein Wirkungsprinzip des kapazitiven Linearencoders beschrieben ist. Der kapazitive Linearencoder weist den Vorteil auf, dass im Vergleich zu den bekannten kapazitiven Kraftsensoren dieser eine erhöhte Messgenauigkeit aufweist. Linearencoder erfassen berührungslos lineare Positionsänderungen aber auch absolute Positionswerte. Der Linearencoder dient daher sehr gut zu Abstandsmessung und zur Messung von Relativbewegungen zwischen zwei Stellungen. Die kapazitiven Linearencoder weisen dabei einen geringen Leistungsbedarf auf. Mittels der Erfassung und Auswertung des Abstands zwischen der Ruhestellung und der Betätigungsstellung kann somit auf die bei einer Betätigung durch einen Benutzer wirkende Betätigungskraft des Bedienelements, insbesondere des Bedienteils rückgeschlossen werden.
Des Weiteren kann der Linearencoder platzsparend in dem Bedienelement oder mit dem Bedienelement in einem Kraftfahrzeugbauteil, insbesondere an einer Lenkvorrichtung, an einer Mittelkonsole oder an einem Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs angeordnet werden.
-
Bevorzugt weist der kapazitive Linearencoder wenigstens eine am Trägerteil festgelegte Messelektrode und wenigstens eine am Bedienteil festgelegte, beabstandet zur Messelektrode angeordnete Gegenelektrode auf, wobei mit einer Verlagerung des Bedienteils aus der Ruhestellung in die Betätigungsstellung das Maß der Überdeckung zwischen Messelektrode und Gegenelektrode variiert, bevorzugt im Wesentlichen nur die Überdeckung, noch bevorzugter ausschließlich die Überdeckung variiert. Dabei wird erfindungsgemäß der Abstand anhand einer Variation einer Kapazität zwischen Messelektrode und Gegenelektrode detektiert. Bevorzugt ist, dass die Gegenelektrode und die Messelektrode einen lichten Abstand von vorzugsweise kleiner/gleich 1mm zueinander haben. Als Überdeckung wird beispielsweise die zur Verlagerungsrichtung senkrechte Projektion der durch die Messelektrode beschriebenen Fläche auf die durch die Gegenelektrode beschriebenen Fläche verstanden.
-
Zur Steigerung des Auflösungsvermögens des kapazitiven Linearencoders ist vorgesehen, dass die Messelektrode und/oder die Gegenelektrode jeweils eine zur Verlagerungsrichtung parallele Fläche mit zur Verlagerungsrichtung schräger Begrenzungslinie beschreiben. Beispielsweise weisen Messelektrode und/oder Gegenelektrode einen Abschnitt mit streifenförmiger Fläche auf, wobei die Hauptausdehnungsrichtung des Streifens geneigt zur Verlagerungsrichtung angeordnet ist, beispielsweise einen Winkel zwischen 80° und 30°, wie 45° einschließt.
-
In einer Ausgestaltung sind Messelektrode und Gegenelektrode elektrisch leitend kontaktiert. Bevorzugt wird wenigstens eine der beiden kapazitiv über eine Einkoppelelektrode gekoppelt. Noch bevorzugter ist vorgesehen, dass der kapazitive Linearencoder ferner pro Gegenelektrode wenigstens eine mit der Gegenelektrode kapazitiv koppelnde Einkoppelelektrode aufweist.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die wenigstens eine Messelektrode oder die wenigstens eine Messelektrode und die wenigstens eine Einkoppelelektrode auf einer am Trägerteil befestigten Leiterplatte oder einer am Trägerteil befestigten Leiterfolie angeordnet sind.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Messelektrode oder die Kombination aus der Messelektrode und der Einkoppelelektrode auf einer Stirnfläche der Leiterplatte oder angrenzend an eine Stirnfläche der Leiterplatte angeordnet sind. Als Stirnfläche wird eine in der Regel im Vergleich zu den Hauptflächen der Leiterplatte schmale Seite angesehen, wobei mindestens eine der Hauptflächen oder beide mit elektronischen Bauelementen bestückt ist. Die Stirnfläche muss nicht zwingend an einer äußeren Berandung der Leiterplatte angeordnet sein, sondern kann auch eine innenliegende Stirnfläche sein, die von einem Durchbruch oder einer Aussparung in der Leiterplatte ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Hauptfläche orthogonal zur Verlagerungsrichtung orientiert. Beispielsweise beträgt die Stärke der Leiterplatte 1 bis 3 mm.
-
Bevorzugt ist die Leiterplatte als sogenannter Multilayer, also mehrlagig ausgebildet, wobei zwischen zwei angrenzenden Lagen mindestens eine Messelektrode vorzugsweise jeweils genau eine Messelektrode vorgesehen ist. Bevorzugt weist die Gegenelektrode jeweils in Verlagerungsrichtung ein sich wiederholendes Strukturmuster, beispielsweise eine Kammstruktur auf.
-
Bevorzugt sind mehrere Gegenelektroden vorgesehen, deren sich wiederholende Strukturmuster alternierend angeordnet sind. Beispielsweise sind jeweils zwei Gegenelektroden so angeordnet, dass deren Kammstrukturen miteinander kämmend, d.h. zueinander versetzt und wechselseitig ineinandergreifend, angeordnet sind.
-
Bevorzugt werden die mehreren Gegenelektroden von der Auswerteinheit über die kapazitive Kopplung mittels der zugehörigen Einkoppelelektrode jeweils unterschiedlich, beispielsweise phasenverschoben, mit elektrischem Potenzial beaufschlagt. Dadurch ist der Linearencoder in der Lage eine Richtung der Verlagerung zu detektieren.
-
Um die Genauigkeit der Detektion zu steigern, insbesondere um Messungenauigkeiten im Detektionsfenster zu vermeiden, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Gegenelektroden und alle Messelektroden so angeordnet sind, dass während der Verlagerung von der Ruhestellung in die Betätigungsstellung mindestens Teilüberdeckung der Messelektrode beziehungsweise der Messelektroden mit mindestens einer der Gegenelektroden gewährleistet ist.
-
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bedienelement in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
-
Der Begriff Elektrode im Sinne der Erfindung impliziert deren Ausbildung aus elektrisch leitfähigem Material. Die Messelektroden und/oder die Gegenelektroden können beispielsweise jeweils als Stanzteil aus leitfähigem Blech oder jeweils als leitfähige Beschichtung ausgebildet sein. Es kann sich daher anbieten, die Gegenelektrode aus einer leitfähigen Druckschicht oder als eine leitfähige Folie auszubilden. Denkbar ist es auch, dass die Mess- bzw. Gegenelektroden jeweils als ein IMD-Bauteil ausgebildet sind. Die In-Mold-Decoration (IMD) ist ein Fertigungsverfahren, bei dem eine Heißprägefolie vorzugsweise von oben nach unten durch das Spritzgießwerkzeug geführt wird. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die vorliegend erwähnten Elektroden, insbesondere die Gegenelektrode, beispielsweise isolierend beschichtet sind oder mit einer Isolierfolie gegenüber einem elektrischen Kontakt mit der Leiterplatte oder Leiterfolie versehen sind. Ferner kann mindestens eine am Bedienelement verwendete vorzugsweise als Gegenelektrode fungierende Elektrode durch eine leitfähige Beschichtung aus Kohle oder Chrom ausgebildet sein. Auch ist es denkbar, wenn mindestens eine Gegenelektrode des Bedienelements aus einem leitfähigen Material, insbesondere aus einem leitfähigen Polymer ausgebildet ist.
-
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Bedienelement in einer schematischen Seitenansicht,
- 2 die Anordnung der Elektroden und Gegenelektroden eines kapazitiven Linearencoders des Bedienelements gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Seitenansicht, und
- 3 die Anordnung der Elektroden und Gegenelektroden eines kapazitiven Linearencoders des Bedienelements gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht.
-
In der 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Bedienelement 1 für ein Kraftfahrzeug dargestellt, welches eine Auswerteinheit 20, ein Trägerteil 5 und ein Bedienteil 2 mit einer Bedienoberfläche 21 aufweist, wobei das Bedienteil 2 bei Einwirken einer Betätigungskraft F auf die Bedienoberfläche 21 aus einer Ruhestellung in eine Betätigungsstellung entlang der Verlagerungsrichtung V verlagerbar am Trägerteil 5 gelagert ist. Das Bedienteil 2 weist einen Fortsatz 3 auf. Der Fortsatz 3 stützt das Bedienteil 2 über eine Blattfeder als Rückstellelement 4 am Trägerteil 5 ab. Dieses dient der Erzeugung einer der Betätigungskraft F entgegengerichteten Rückstellkraft auf das Bedienteil 2 auf. Das Trägerteil 5 kann als Gehäuse des Bedienelements 1 ausgebildet sein oder alternativ kann das Trägerteil 5 innerhalb eines zusätzlichen Gehäuses des Bedienelements 1 angeordnet sein. Das Trägerteil 5 kann aber auch ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs sein, welches dann mit dem Bedienelement 1 verbunden wird. Das Bedienelement 1 kann beispielsweise an einer Lenkvorrichtung, an einer Mittelkonsole oder an einem Armaturenbrett des Kraftfahrzeugs angeordnet werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Bedienoberfläche des Bedienteils 2 als berührungssensitive Bedienoberfläche ausgebildet ein. Das Bedienelement 1 kann beispielsweise als berührempfindliches Eingabeteil, wie in Touchscreen oder Touchpad ausgebildet sein. Erfindungsgemäß weist das Bedienelement ferner einen kapazitiven Linearencoder 6 auf, der ausgebildet ist, einen relativen Abstand zwischen Ruhestellung und Betätigungsstellung zu detektieren und an die Auswerteinheit 20 auszugeben, wobei die Auswerteinheit 20 des Bedienelements 1 ausgebildet ist, aus dem relativen Abstand zwischen den Stellungen des Bedienteils 2 eine der Betätigungskraft entsprechende Größe zu ermitteln. Der kapazitive Linearencoder 6 weist Messelektroden 7 und Gegenelektroden 8 auf. Die Messelektroden 7 sind am Trägerteil 5 wohingegen die Gegenelektroden 8 am Fortsatz 3 des Bedienteils 2 angeordnet sind. Am Trägerteil 5 ist eine Leiterplatte 9 befestigt, welche die Messelektroden 7 und die Auswerteinheit 20 trägt. Dabei sind an einer Stirnfläche 10 der Leiterplatte 9 die Messelektroden angeordnet. Es ist sichergestellt, dass die Gegenelektroden 8 zu den Messelektroden 7 einen lichten Abstand bei der Verlagerung einhaltend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den Messelektroden 7 und den Gegenelektroden 8 vorzugsweise höchstens 1mm betragen sollte. Ferner weist das Trägerteil 5 eine Ausnehmung 12 oder alternativ eine Öffnung auf, welche beim Betätigen des Bedienelements 1 zum Eintauchen des Fortsatzes 3 ausgebildet ist. Das Maß der Relativverlagerung bzw. der Abstand zwischen Ruhestellung und Betätigungsstellung wird kapazitiv über die Messelektroden 7 und Gegenelektroden 8 mittels der Auswerteinheit 20 als mit dem Abstand variierende Kapazität zwischen den Gegenelektroden 8 und den Messelektroden 7 detektiert. Dabei variiert im Wesentlichen das Maß der Überdeckung zwischen Messelektrode 7 und benachbarter Gegenelektrode 8.
-
In der 2 sind Elektroden 7 und Gegenelektroden 8 eines kapazitiven Linearencoders 6 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Dabei sind die Messelektroden 7 auf der Stirnfläche 10 der Leiterplatte 9 angeordnet, um ein kompaktes Bedienelement 1 bereitstellen zu können. Die Elektroden 7 umfassen im vorliegenden Fall drei Messelektroden 7a, 7b, 7c. Es sind ferner zwei Einkoppelelektroden 17d, 17e vorgesehen, die ebenfalls auf der Stirnfläche 10 angeordnet sind und der kapazitiven Kopplung mit einer zugehörigen Gegenelektrode 8a bzw. 8b dienen, so dass diese mittels der Auswerteinheit 20 mit einem Potenzial beaufschlagt werden können. Die Gegenelektroden 8 sind an dem Fortsatz 3 des Bedienteils 2 festgelegt, wobei die Gegenelektroden 8 jeweils ein sich in Verlagerungsrichtung V wiederholendes Strukturmuster in Form einer Kammstruktur aufweisen. Dabei umfassen die Gegenelektroden 8 eine erste Gegenelektrode 8a und eine zweite, zur ersten Gegenelektrode elektrisch isolierte Gegenelektrode 8b mit jeweils einer Kammstruktur auf, die einander zugewandt miteinander kämmend angeordnet sind. Sie zeichnen sich jeweils durch einen Hauptabschnitt 14a, 14b und zueinander beabstandet angeordneten, als Streifen ausgestalteten Verbindungsabschnitten 15a, 15b aus. Die Gegenelektroden 8, insbesondere die erste Gegenelektrode 8a und die zweite Gegenelektrode 8b sind jeweils aus einem leitfähigen Material ausgebildet.
-
Der Hauptabschnitt 14a der ersten Gegenelektrode 8a und der Hauptabschnitt 14b der zweiten Gegenelektrode 8b erstrecken sich in Verlagerungsrichtung V gleichförmig und beabstandet zueinander und sind der zugehörigen Einkoppelelektrode 17d bzw. 17e gegenüberliegend angeordnet. Die Verbindungsabschnitte 15a, 15b des jeweiligen Hauptabschnitts 14a, 14b sind vorzugsweise in einem Winkel von etwa 45 Grad zur Verlagerungsrichtung V angeordnet. Es sind drei Messelektroden 7a, 7b, 7c zur Messung der durch die kapazitive Kopplung detektierbaren Kapazität zwischen den Messelektroden 7a, 7b, 7c und den Gegenelektroden 8 vorgesehen. Um eine genaue Messung zu erhalten, sind folglich die jeweiligen Hauptabschnitte 14a, 14b beabstandet und gegenüber der jeweiligen Einkoppelelektrode 7d, 7e mit während der Verlagerung gleichbleibender Überdeckung angeordnet, während die Überdeckung zwischen den Verbindungsabschnitten 15a, 15b und den Messelektroden 7a, 7b, 7c mit der Verlagerung variiert. Dabei ist letztere Überdeckung so gewählt, dass während der Verlagerung alle Messelektroden 7a, 7b, 7c mit wenigstens einer der Gegenelektroden 8a, 8b wenigstens Teilüberdeckung aufweisen.
-
In der 3 sind Elektroden 7 und Gegenelektroden 8 eines kapazitiven Linearencoders 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Die Elektroden 7 umfassen im vorliegenden Fall vier Messelektroden 7a, 7b, 7c, 7f. Ferner sind wiederum zwei Einkoppelelektroden 17d, 17e vorgesehen sind. Wie man gut in der 3 erkennen kann, sind die jeweiligen Hauptabschnitte 14a, 14b der Gegenelektrode 8a bzw. 8b beabstandet und gegenüber der jeweiligen Einkoppelelektrode 7d, 7e bei mit der Verlagerung gleichbleibender angeordnet, wohingegen die Verbindungsabschnitte 15a, 15b mit der Verlagerung variierende Überdeckung mit der jeweiligen Messelektrode 7a, 7b, 7c, 7f aufweisen.
Die Verbindungsabschnitte 15a, 15b des jeweiligen Hauptabschnitts 14a, 14b sind senkrecht, vorzugsweise in einem Winkel von ca. 90 Grad zu dem jeweiligen Hauptabschnitt 14a, 14b und der Verlagerungsrichtung V angeordnet. Die Leiterplatte 9 ist mehrlagig ausgebildet, wobei zwischen zwei angrenzenden Lagen jeweils einer Messelektroden 7a, 7b, 7c, 7f angeordnet ist, so dass mehrere metallische Randbeschichtungen angrenzend an eine Stirnfläche 10 der Leiterplatte 9 entstehen.
-
Der Winkel zwischen der Verlagerungsrichtung
14a,
14b und den jeweiligen streifenförmigen Verbindungsabschnitten
15a,
15b kann variiert werden, um das Auflösungsvermögen zu steigern. Ebenso kann die Anzahl der Messelektroden erhöht werden um eine bessere Auflösung und Messung der Signale zu ermöglichen. Es ist auch denkbar, dass mit Hilfe einer größeren Anzahl von Messelektroden eine Art Noniusprinzip realisiert werden kann.
Um die Position des Bedienteils
2, insbesondere die Relativbewegung zwischen dem Bedienteil
2 und dem Trägerteil
5 zu messen, werden über die kapazitive Kopplung mittels der zwei Einkoppelelektroden
17d,
17e, dargestellt in den
2 und
3, die Gegenelektroden
8a,
8b mit unterschiedlichem Potenzial, beispielsweise phasenverschoben mit Potenzial beaufschlagt. Dabei übernimmt die Einkoppelelektrode
17d die kapazitive Kopplung zur Gegenelektrode
8a sowie die Einkoppelelektrode
17e die kapazitive Kopplung zur Gegenelektrode
8b. Die jeweils sich einstellende Messkapazität wird mit Hilfe der Messelektroden
7a,
7b,
7c (
2) bzw.
7a,
7b,
7c,
7f (
3) gemessen. Anhand der Stärke der gemessenen Signale kann nun die relative Position der Gegenelektroden
8a,
8b zur Leiterplatte
9 bestimmt werden. Bezüglich der speziellen Funktionsweise des kapazitiven Linearencoders wird beispielsweise auf die
DE3727440A1 verwiesen.
-
Die Auswerteinheit 20 ist ausgebildet, aus dem relativen Abstand zwischen der Betätigungsstellung und der Ruhestellung eine der Betätigungskraft entsprechende Größe zu ermitteln. Beispielsweise wird diese Größe mit einem vorgegebenen Wert verglichen, wobei der vorgegebene Wert eine Betätigungskraftschwelle definiert. Bei Überschreiten der Betätigungskraftschwelle wird beispielsweise eine Steuer- oder Schaltfunktion getriggert oder das Auslösen eines akustischen, optischen oder haptischen Feedbacks getriggert.
-
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 3727440 A1 [0005, 0023]
