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Die Erfindung betrifft eine Tastenanordnung und ein Lenkrad mit einer solchen Tastenanordnung.
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Die
DE 10 2012 112 628 A1 zeigt eine Tastatur, bei der die Tastenkappe an einem X-förmigen Halter befestigt ist, wobei die Bedienkraft durch magnetische Elemente beeinflusst wird. In der unteren Position kontaktiert ein Kontaktpfosten eine Schaltung.
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Die
US 3,644,856 zeigt einen elektrischen Schaltkontakt, bei dem durch Permanentmagneten eine Rückstellkraft erzeugt wird.
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Die
WO 2007/069026 A1 zeigt eine Tastatur, bei der die Tastenkappe über sich abstoßende Magneten in der oberen Position gehalten wird, solange die Tastenkappe nicht vom Nutzer nach unten gedrückt wird.
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Die
WO 2014/175565 A1 zeigt eine Schalteranordnung für eine Hupe, bei der ein bewegliches Teil durch Permanentmagneten eine Rückstellkraft erfährt.
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Die
US 2011/0093526 A1 zeigt einen tragbaren Cloud-Computing-Rechner mit einer Tastatur, bei der Permanentmagneten zur Rückstellung der Tasten verwendet werden.
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Die
DE 20 2015 103 208 U1 zeigt eine Schaltvorrichtung für einen elektrischen Antrieb, bei der ein Betätigungselement durch ein Magnetelement angezogen wird, um eine Rückstellkraft auf das Betätigungselement auszuüben.
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Die
US 6,670,873 B2 zeigt eine Taste, bei der die Rückstellkraft über Permanentmagneten erzeugt und die Bewegung der Taste über ein Hallelement erfasst wird.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Tastenanordnung und ein neues Lenkrad bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine Tastenanordnung weist ein Betätigungselement, einen Schalter, eine mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung und eine Permanentmagnetanordnung auf, welcher Schalter mindestens einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, welches Betätigungselement einen Grundzustand und einen Betätigungszustand aufweist und dazu ausgebildet ist, bei einer Betätigung durch einen Nutzer eine Bewegung vom Grundzustand in den Betätigungszustand zu ermöglichen und bei der Bewegung in den Betätigungszustand eine Änderung des Zustands des Schalters zu ermöglichen, welche mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, bei einer Betätigung des Betätigungselements zumindest bereichsweise eine erste Gegenkraft zu erzeugen, und welche Permanentmagnetanordnung dazu ausgebildet ist, bei einer Betätigung des Betätigungselements zumindest bereichsweise eine zweite Gegenkraft zu erzeugen.
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Durch das Vorsehen von zwei Vorrichtungen zur Erzeugung einer Gegenkraft wird einerseits die Sicherheit erhöht, und insbesondere bei einer Fehlfunktion der Permanentmagnetanordnung ist die Tastenanordnung weiter funktionsfähig. Zudem kann durch die Kombination ein positives Kraft-Weg-Verhalten erzielt werden. Die Permanentmagnetanordnung ermöglicht eine hohe Gegenkraft bei kleinem Bauraum. Ein weiterer Vorteil der Permanentmagnetanordnung ist, dass diese nicht oder nur gering zu zusätzlicher Reibung führt, die in bestimmten Anwendungsfällen vom Nutzer als negativ empfunden wird. Zudem kann die Permanentmagnetanordnung geräuschlos arbeiten. Es entstehen also bevorzugt keine zusätzlichen Störgeräusche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet, die erste Gegenkraft mindestens so stark zu erzeugen, dass das Betätigungselement auch ohne die zweite Gegenkraft bei Nichtbetätigung in den Grundzustand bewegt wird. Hierdurch ist eine sichere Funktion der Tastenanordnung gewährleistet, auch wenn keine Gegenkraft durch die Permanentmagnetanordnung erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung dazu ausgebildet, die erste Gegenkraft derart zu erzeugen, dass sie über den Bewegungsverlauf vom Grundzustand des Betätigungselements zum Betätigungszustand nichtlinear ist. Das Vorsehen einer nichtlinearen Gegenkraft hat sich als gut einsetzbar und haptisch vorteilhaft erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Permanentmagnetanordnung einen ersten Permanentmagneten und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, welcher erste Permanentmagnet mit dem Betätigungselement verbunden ist, und welcher zweite Permanentmagnet derart angeordnet ist, dass er mit dem ersten Permanentmagneten zusammenwirkt und bei der Bewegung des Betätigungselements eine Bewegung des ersten Permanentmagneten relativ zum zweiten Permanentmagneten stattfindet. Durch die beiden Permanentmagneten kann in vorteilhafter Weise die zweite Gegenkraft erzeugt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Permanentmagnet relativ zum zweiten Permanentmagneten derart angeordnet, dass sich der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet anziehen und dass sich der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet bei einer Bewegung des Betätigungselements vom Grundzustand in den Betätigungszustand zumindest bereichsweise voneinander entfernen. Durch diese Anordnung kann eine bei der Betätigung mit dem Weg abnehmende zweite Gegenkraft erzeugt werden, und insbesondere zu Beginn der Betätigung kann eine Erhöhung der erforderlichen Kraft erzielt werden. Dies verringert auch die Gefahr einer versehentlichen Betätigung der Tastenanordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Permanentmagnet relativ zum zweiten Permanentmagneten derart angeordnet, dass sich der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet abstoßen, und dass sich der erste Permanentmagnet und der zweite Permanentmagnet bei einer Bewegung des Betätigungselements vom Grundzustand in den Betätigungszustand zumindest bereichsweise einander annähern. Durch eine solche Anordnung kann die erforderliche Kraft für die Betätigung insbesondere zum Ende der Betätigung hin erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Betätigungselement als Wipptaste ausgebildet. Wipptasten können für mechanisch stark beanspruchte Bedienelemente verwendet werden, beispielsweise für ein Lenkrad. Aufgrund ihrer Verwendung als Wipptasten für die Gangschaltung werden solche Wipptasten auch als Schaltwippen bezeichnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein mechanischer Anschlag vorgesehen, welcher die Bewegung des Betätigungselements vom Betätigungszustand zum Grundzustand im Grundzustand begrenzt. Durch das Vorsehen des Anschlags wird der Grundzustand sicher und genau definiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung ein elastisches Element auf, um die erste Gegenkraft zumindest teilweise zu erzeugen. Das Vorsehen des elastischen Element ermöglicht eine Rückstellung der Tastenanordnung ohne einen zusätzlichen Antrieb oder Aktor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das elastische Element ein Federelement auf. Federelemente funktionieren gut und sicher zur Rückstellung der Tastenanordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung ein Dämpfelement auf, um eine Bewegung des Betätigungselements vom Grundzustand in den Betätigungszustand zu dämpfen, wobei das Dämpfelement bevorzugt ein hydraulisches Dämpfelement, ein pneumatisches Dämpfelement oder ein Reibungs-Dämpfelement aufweist. Das Vorsehen eines Dämpfelements kann dazu erfolgen, bei einer sehr starken Betätigung der Tastenanordnung die Tastenanordnung mechanisch vor zu hohen Kräften zu schützen. Zudem ist es haptisch vorteilhaft, zumindest eine geringe Dämpfung vorzusehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schalter einen Mikroschalter, eine Silikonschaltmatte oder eine Knackscheibe auf Diese Schaltertypen können mit integrierter mechanischer Dämpfung vorgesehen werden und damit eine Doppelfunktion erfüllen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Schalter und die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung als bauliche Einheit ausgebildet. Diese Ausbildung erleichtert die Montage und führt zu einer Reduzierung der erforderlichen Montageschritte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung und die Permanentmagnetanordnung dazu ausgebildet, die erste Gegenkraft und die zweite Gegenkraft derart zu erzeugen, dass sie gemeinsam so groß sind, dass für eine Bewegung des Betätigungselements vom Grundzustand in den Betätigungszustand eine Mindestkraft erforderlich ist, die mindestens 6 N beträgt, bevorzugt mindestens 8 N. Insbesondere bei Sportwägen sind hohe Schaltkräfte für eine sichere Bedienung vorteilhaft, uns solch hohe Schaltkräfte können durch die Überlagerung der ersten Gegenkraft und der zweiten Gegenkraft erzielt werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 15.
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Ein Lenkrad für ein Fahrzeug weist eine Tastenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche auf. Insbesondere bei Lenkrädern für Sportfahrzeuge sind die Betriebssicherheit und die Haptik von großer Bedeutung. Daher ist die Verwendung der Tastenanordnung dort besonders vorteilhaft.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnung dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
- 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Tastenanordnung in einem Grundzustand G,
- 2 in schematischer Darstellung die Tastenanordnung von 1 in einem Betätigungszustand B,
- 3 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Tastenanordnung in einem Grundzustand G,
- 4 in schematischer Darstellung ein Kraft-Weg-Diagramm für die Ausführungsform von 1, und
- 5 in schematischer Darstellung ein Kraft-Weg-Diagramm für die Ausführungsform von 3.
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1 zeigt eine Tastenanordnung 20 mit einem Betätigungselement 22, einem Schalter 24, einer mechanischen Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 und einer Permanentmagnetanordnung 40. Der Schalter 24 hat mindestens einen ersten Zustand Z1 und einen zweiten Zustand Z2. Dargestellt ist der erste Zustand Z1, bei dem der Schalter 24 im Ausführungsbeispiel geöffnet (elektrisch nicht leitend) ist. Das Betätigungselement 22 ist in einem Grundzustand G dargestellt, und es kann durch einen Nutzer 11 vom Grundzustand G durch Betätigung mit einer Kraft F3 in einen Betätigungszustand B bewegt werden (vgl. 2). Durch Bewegung des Betätigungselements 22 in den Betätigungszustand B wird eine Änderung des Zustands des Schalters 24 ermöglicht, also bspw. das Schließen des Schalters 24. Die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 hat im Ausführungsbeispiel ein elastisches Element 31 in Form eines Federelements. Durch die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 wird bei einer Betätigung des Betätigungselements 22 zumindest bereichsweise eine erste Gegenkraft F1 erzeugt. Die Permanentmagnetanordnung 40 hat im Ausführungsbeispiel einen ersten Permanentmagneten 41 und einen zweiten Permanentmagneten 42, welche abstoßend zueinander angeordnet sind und bei einer Betätigung des Betätigungselements 22 durch den Nutzer 11 zumindest bereichsweise eine zweite Gegenkraft F2 erzeugen. Damit der Benutzer 11 das Betätigungselement 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B bewegen kann, muss er mit einer Betätigungskraft F3 auf das Betätigungselement 22 drücken, die mindestens so groß ist wie die Summe der ersten Gegenkraft F1 und der zweiten Gegenkraft F2.
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Das Betätigungselement 22 ist bevorzugt über ein Lager 26 gelagert. Das Lager 26 kann ein Festlager sein, und in diesem Fall kann die Bewegung des Betätigungselements 22 durch eine Verformung des Betätigungselements 22 erfolgen. Das Lager 26 kann auch als Drehlager ausgebildet sein, so dass das Betätigungselement 22 als Kipptaste bedienbar ist. Es sind auch Führungen möglich.
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Die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 ist bevorzugt dazu ausgebildet, die erste Gegenkraft F1 derart zu erzeugen, dass sie über den Bewegungsverlauf vom Grundzustand G des Betätigungselements 22 zum Betätigungszustand B nicht linear ist. Versuche haben ergeben, dass Nutzer einen nichtlinearen Verlauf als vorteilhaft und hochwertig ansehen.
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Bevorzugt ist der erste Permanentmagnet 41 mit dem Betätigungselement 22 verbunden, und der zweite Permanentmagnet 42 ist derart angeordnet, dass er mit dem ersten Permanentmagneten 41 zusammenwirkt und bei der Bewegung des Betätigungselements 22 eine Bewegung des ersten Permanentmagneten 41 relativ zum zweiten Permanentmagneten 42 stattfindet. Hierbei kann der zweite Permanentmagnet 42 entweder fest an einem Gehäuse der Tastenanordnung 10 befestigt sein, oder er kann an einer Mechanik befestigt sein, die nur teilweise die Bewegung des Betätigungselements 22 mit macht.
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Bei der Anordnung der gezeigten Permanentmagneten 41, 42 nähern sich diese bei einer Bewegung des Betätigungselements 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B zumindest bereichsweise einander an. Dies führt im Verlauf der Bewegung des Betätigungselements 22 vom Grundzustand F in den Betätigungszustand B zumindest bereichsweise zu einer Erhöhung der zweiten Gegenkraft F2.
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Die Tastenanordnung 10 weist einen mechanischen Anschlag 28 auf, der dazu vorgesehen ist, die Bewegung des Betätigungselements 22 vom Betätigungszustand B zum Grundzustand G im Grundzustand G zu begrenzen. Hierdurch wird ein gut definierter Grundzustand G ermöglicht.
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2 zeigt die Tastenanordnung 20 im Betätigungszustand B. Das Betätigungselement 22 ist nach unten gedrückt, und das Betätigungselement 22 hat den Schalter 24 in den zweiten Zustand Z2 versetzt. Der Schalter 24 ist geschlossen (elektrisch leitend), und es kann ein Strom fließen. Durch die Bewegung des Betätigungselements 22 sind der erste Permanentmagnet 41 und der zweite Permanentmagnet 42 einander angenähert, und das Federelement 31 ist weiter komprimiert.
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Wenn der Nutzer 11 den Finger vom Betätigungselement 22 wegbewegt, wird das Betätigungselement 22 durch die erste Gegenkraft F1 und durch die zweite Gegenkraft F2 zurück in den Grundzustand G bewegt.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Tastenanordnung 20. Elemente, die mit dem Ausführungsbeispiel von 1 übereinstimmen, haben die gleichen Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben.
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Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von 1 ist der zweite Permanentmagnet 42 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet und derart positioniert, dass sich der erste Permanentmagnet 41 und der zweite Permanentmagnet 42 anziehen. Durch die Anordnung entfernen sich der erste Permanentmagnet 41 und der zweite Permanentmagnet 42 bei einer Bewegung des Betätigungselements 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B zumindest bereichsweise voneinander. Dies ist vorteilhaft, wenn im Grundzustand G eine große zweite Gegenkraft F2 erwünscht ist, da im Grundzustand G ein kleiner Abstand zwischen dem ersten Permanentmagneten 41 und dem zweiten Permanentmagneten 42 besteht.
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Der zweite Permanentmagnet 42 bildet im Ausführungsbeispiel gleichzeitig den Anschlag 28.
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Ein weiterer Unterschied liegt in der Ausbildung der mechanischen Gegenkrafterzeugungsvorrichtung. Neben dem elastischen Element 31 ist ein Dämpfelement 32 vorgesehen, um eine Bewegung des Betätigungselements 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B zu dämpfen. Das Dämpfelement 32 ist als hydraulisches Dämpfelement dargestellt, es kann aber auch als pneumatisches Dämpfelement oder als Reibungs-Dämpfelement ausgebildet sein.
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Der Schalter 24 und die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 31 sind im Ausführungsbeispiel als bauliche Einheit 33 ausgebildet. Der Schalter 24 ist bevorzugt als Mikroschalter, als Silikonschaltmatte oder als Knackscheibe ausgebildet bzw. weist diese Elemente auf.
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4 zeigt ein Diagramm, bei dem die Kraft F über den Weg s des Betätigungselements 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B dargestellt ist. Die erste Gegenkraft F1 der mechanischen Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 und die zweite Gegenkraft F2 der Permanentmagnetanordnung 40 sind eingezeichnet. Die Diagramme entsprechen der Ausführungsform von 1 und 2, bei der sich der erste Permanentmagnet 41 und der zweite Permanentmagnet 42 bei einer Bewegung des Betätigungselements 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B einander annähern. Hierdurch steigt die zweite Gegenkraft F2 an.
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Eingezeichnet ist auch eine Minimalkraft F_min, die erforderlich ist, um das Betätigungselement 22 vom Betätigungszustand B in den Grundzustand G zurückzubewegen, wenn der Nutzer 11 nicht mehr das Betätigungselement 22 betätigt. Wie zu sehen ist, ist die erste Gegenkraft F1 größer als die Mindestkraft F_min, und daher reicht die erste Gegenkraft F1 der mechanischen Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 aus, um das Betätigungselement 22 in den Grundzustand G zu bewegen. Dies erhöht stark die Sicherheit, da auch bei einer Beschädigung eines der Permanentmagneten 41, 42 oder bei einem Ablösen eines der Permanentmagneten 41, 42 sichergestellt ist, dass das Betätigungselement 22 in den Grundzustand G zurückgelangt.
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5 zeigt ein entsprechendes Kraft-Wege-Diagramm für die Ausführungsform von 3, bei der die Permanentmagneten 41, 42 im Grundzustand G nah aneinander angeordnet sind und sich bei einer Bewegung des Betätigungselements 22 in den Betätigungszustand B voneinander entfernen. Hierdurch nimmt die zweite Gegenkraft F2 im Verlauf ab.
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Es ist naturgemäß ebenfalls möglich, sowohl eine Permanentmagnetanordnung 40 entsprechend 1 als auch entsprechend 3 vorzusehen. Hierdurch resultiert sowohl bei einer Bewegung des Betätigungselements 22 zum Grundzustand G hin als auch zum Betätigungszustand B hin ein Anstieg der zweiten Gegenkraft F2.
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Bevorzugt sind die mechanische Gegenkrafterzeugungsvorrichtung 30 und die Permanentmagnetanordnung 40 dazu ausgebildet, die erste Gegenkraft F1 und die zweite Gegenkraft F2 derart zu erzeugen, dass sie gemeinsam so groß sind, dass für eine Bewegung des Betätigungselements 22 vom Grundzustand G in den Betätigungszustand B eine Mindestkraft F erforderlich ist, die mindestens 6 N beträgt, bevorzugt mindestens 8 N.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012112628 A1 [0002]
- US 3644856 [0003]
- WO 2007/069026 A1 [0004]
- WO 2014/175565 A1 [0005]
- US 2011/0093526 A1 [0006]
- DE 202015103208 U1 [0007]
- US 6670873 B2 [0008]
