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Die Erfindung betrifft eine Eingabevorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Betätigungselement zur Betätigung der Eingabevorrichtung und mit einem ersten Reservoir, welches eine Flüssigkeit beinhaltet. Das Betätigungselement ist mit dem ersten Reservoir mechanisch gekoppelt, so dass bei Betätigung der Eingabevorrichtung eine Kraft von dem Betätigungselement auf das Reservoir übertragbar ist. Damit wird ein Druck auf die in dem ersten Reservoir enthaltene Flüssigkeit erzeugt. Die Eingabevorrichtung umfasst außerdem ein zweites Reservoir, welches mit dem ersten Reservoir kommuniziert. Das bedeutet, dass bei Druckerzeugung auf die Flüssigkeit in dem ersten Reservoir, die Flüssigkeit in dem zweiten Reservoir steigt. Außerdem umfasst die Eingabevorrichtung eine Detektionsvorrichtung, welche am zweiten Reservoir vorgesehen ist, um den Flüssigkeitsstand der Flüssigkeit, insbesondere das Steigen und/oder Sinken der Flüssigkeit, in dem zweiten Reservoir zu erkennen.
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Solche Eingabevorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die
US 2013112012 A1 eine Eingabevorrichtung mit einem Betätigungselement und einem ersten Reservoir, welches mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Bei Betätigung wird die Flüssigkeit vom ersten Reservoir in ein zweites Reservoir verdrängt. In dem zweiten Reservoir ist eine Detektionsvorrichtung mit einem Sensor vorgesehen, die die verdrängte Flüssigkeit detektiert.
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Die
DE 3710315 A1 offenbart einen Nässeschalter, der Sicherheitsmaßnahmen einleitet oder einen Alarm auslöst, wenn schon kleinste Wassermengen auftreten. Bei Nässe verkürzt sich ein Nässesensor aus reversibel quellfähigem Material automatisch zwischen seinen Endpunkten gegen eine Kraft, wodurch mittels eines Hebels ein Kontakt betätigt wird. Bei Austrocknung verlängert sich der Nässesensor automatisch wieder und bewirkt den umgekehrten Schaltvorgang.
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Aus der
US 2016372282 A1 ist ebenfalls eine Eingabevorrichtung mit einem Betätigungselement sowie zwei miteinander kommunizierenden Reservoiren bekannt. Die beiden Reservoire sind über einen Kommunikationskanal miteinander verbunden und mit einer Flüssigkeit gefüllt. Bei Druckerzeugung in dem ersten Reservoir wird dieser über den Kommunikationskanal in das zweite Reservoir übertragen, um dort einen Schalter zu betätigen.
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Nachteilig ist bei den bekannten Eingabevorrichtungen aus dem Stand der Technik, dass diese gegenüber Temperaturschwankungen sehr empfindlich sind, da eine Änderung der Temperatur stets eine Änderung der Ausdehnung der Flüssigkeit bewirkt. Das wiederrum führt zu einem ungewollten Druckanstieg oder Druckabfall der Flüssigkeit, so dass es zu einer temperaturbedingten Änderung des Flüssigkeitsstands innerhalb des zweiten Reservoirs kommt. Das hat zur Folge, dass der tatsächlich gemessene Kraftwert einen Fehler aufweist. Somit ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Eingabevorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass diese robuster gegenüber temperaturbedingten Messfehlern ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs, wonach ein drittes Reservoir vorgesehen ist, welches mit dem ersten Reservoir bei Temperaturänderungen kommuniziert, so dass die Flüssigkeit bei Temperaturänderungen in dem dritten Reservoir steigt oder sinkt. Das hat den Vorteil, dass bei temperaturbedingten Druckschwankungen, diese von dem dritten Reservoir zumindest zum Teil kompensiert werden, indem das dritte Reservoir die sich temperaturbedingt ausdehnende Flüssigkeit aufnimmt oder die sich temperaturbedingt zusammenziehende Flüssigkeit wieder abgibt. Das dritte Reservoir ist zur Kompensation der Temperatureinflüsse so ausgelegt, dass sich der Flüssigkeitsstand im zweiten Reservoir bei Temperaturänderungen nur geringfügig oder im Idealfall gar nicht ändert. Das hat den vorteilhaften Effekt, dass ein Referenzflüssigkeitsstand in dem zweiten Reservoir, der beispielsweise einen Nullwert der zu detektierenden Kraft repräsentiert, im Wesentlichen unabhängig gegenüber Temperaturschwankungen ist und ohne Betätigung im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurch ist die Genauigkeit der Kraftmessung mit der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung deutlich verbessert. Im Wesentlichen konstant bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich der Flüssigkeitsstand im zweiten Reservoir bei Temperaturänderungen nur so ändert, dass diese Änderungen nur einen geringfügigen Einfluss auf die Kraftmessung mittels der Detektionsvorrichtung haben, insbesondere dass sich diese Änderungen lediglich unterhalb der Messtoleranz auswirken von beispielsweise 1%.
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Darüber hinaus kann diese Lösung auch zur Toleranzkompensation beim Zusammenbau und/oder Einbau der Eingabevorrichtung genutzt werden. Insbesondere dimensionale Unterscheide von Teilen des Systems, also Komponenten der Eingabevorrichtung selber und/oder benachbarte Komponenten, welche einen Einfluss auf die Druckverhältnisse im ersten Reservoir haben, können mit der erfindungsgemäßen Lösung in vorteilhafter Weise kompensiert werden.
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Erfindungsgemäß kommunizieren das erste Reservoir und das dritte Reservoir in einer ersten Alternative über ein Ventil miteinander, welches bei Betätigung der Eingabevorrichtung in den geschlossenen Zustand bringbar ist. Auf diese einfache Art und Weise kann das dritte Reservoir im unbetätigten Zustand etwaige temperaturbedingte Druckschwankungen, insbesondere durch temperaturbedingte Ausdehnung der Flüssigkeit selber und/oder durch temperaturbedingte Ausdehnung der Einzelteile der Eingabevorrichtung, ausgleichen, indem das dritte Reservoir die sich temperaturbedingt ausdehnende Flüssigkeit über das geöffnete Ventil aufnimmt oder die sich temperaturbedingt zusammenziehende Flüssigkeit wieder abgibt. Sobald das Betätigungselement betätigt wird, schließt sich das Ventil und die Flüssigkeit wird von dem ersten Reservoir in das zweite Reservoir verdrängt, so dass die Betätigung durch das Detektionsmittel aufgrund des sich ändernden Flüssigkeitsstands im zweiten Reservoir erkennbar ist und vorzugsweise damit auf die einwirkende Kraft auf das Betätigungselement zurückgeschlossen werden kann.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung weist das Ventil eine Ventilklappe auf, die mit dem Betätigungselement mechanisch gekoppelt ist. Durch diese Maßnahme ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass das Ventil bei Betätigung schließt, so dass in diesem Fall die Flüssigkeit ausschließlich vom ersten Reservoir in das zweite Reservoir verdrängt werden kann. Vorzugsweise ist das Betätigungselement mit der Ventilklappe über eine Mechanik, insbesondere einen Hebel, gekoppelt, so dass eine Auslenkung des Betätigungselements zu einer Bewegung der Ventilklappe führt. Im unbetätigten Zustand ist die Ventilklappe geöffnet, so dass das dritte Reservoir etwaige temperaturbedingte Druckschwankungen ausgleichen kann.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung vorgesehen sein, dass das Ventil als Membran ausgeführt ist, wobei die Membran in eine erste Richtung für eine Flüssigkeit druckunabhängig durchgängig ist und in eine zweite Richtung in Abhängigkeit vom Druck der Flüssigkeit durchgängig ist. Temperaturbedingte Druckschwankungen fallen in der Regel betragsmäßig geringer aus als betätigungsbedingte Druckänderungen. Dadurch kann durch diese Maßnahme in vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass temperaturbedingte Druckschwankungen der Flüssigkeit im dritten Reservoir ausgeglichen werden, und bei Betätigung des Betätigungselements die Flüssigkeit vom ersten Reservoir ins zweite Reservoir verdrängt wird. Vorzugsweise ist die Membran aus einem elastischen Element, beispielsweise einer elastischen geschlitzten Membran, oder aus einer Mehrzahl von elastischen Elementen gebildet, die vorzugsweise kämmend zueinander angeordnet sind, so dass diese sich bei einer bestimmten Druckbeaufschlagung schließen.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Ventil und/oder die Membran in allen vorgehend beschriebenen Ausführungsformen auch zwischen dem ersten und zweiten Reservoir vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß kommunizieren das erste Reservoir und das dritte Reservoir in einer zweiten Alternative über eine Drossel miteinander, welche derart ausgelegt ist, dass die Drossel bei einer temperaturbedingten Druckerzeugung auf die Flüssigkeit eine Kommunikation zwischen dem ersten und dritten Reservoir zulässt und bei einer betätigungsbedingten Druckerzeugung auf die Flüssigkeit eine Kommunikation zwischen dem ersten und dritten Reservoir im Wesentlichen unterbindet. Das hat den Vorteil, dass auf eine einfache Art und Weise umgesetzt werden kann, dass temperaturbedingte Druckschwankungen der Flüssigkeit durch das dritte Reservoir ausgeglichen werden können. Die Drossel ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass diese einen Widerstand für die Flüssigkeit darstellt. Das bedeutet, dass die Drossel nur eine gewisse Durchflussmenge der Flüssigkeit durchlässt. Dabei ist die maximal mögliche Durchflussmenge der Drossel so gewählt, dass bei einem Druckanstieg der Flüssigkeit, welcher den temperaturbedingten Druckanstieg übersteigt, die Drossel keine weitere Flüssigkeitsmenge aufnehmen kann und dadurch die Flüssigkeit in das zweite Reservoir verdrängt wird. Vorzugsweise wird dabei der Großteil der Flüssigkeit in das das zweite Reservoir, insbesondere mehr als 95%, gegenüber dem dritten Reservoir verdrängt. Dieser Umstand kann im Sinne eines Offsets in der Bestimmung der aufgebrachten Kraft in der Detektionsvorrichtung mitberücksichtigt werden.
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In einer weiteren Alternative der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung ist die Drossel als Verjüngung eines Kommunikationskanales zwischen dem ersten und dritten Reservoir vorgesehen. Damit kann in vorteilhafter Art und Weise ein Widerstand nach dem oben beschriebenen Prinzip bereitgestellt werden, um temperaturbedingte Druckschwankungen der Flüssigkeit durch das dritte Reservoir auszugleichen. Unter einem Kommunikationskanal versteht man im Sinne der Erfindung einen Verbindungsabschnitt zwischen Reservoiren, insbesondere zwischen dem ersten und dritten und/oder dem ersten und zweiten Reservoir, der so ausgelegt ist, dass die Flüssigkeit von einem Reservoir in ein anderes Reservoir fließen kann. Vorzugsweise ist der Kommunikationskanal dabei röhrenförmig ausgeführt und weist insbesondere einen Querschnitt auf, der geringer als der Querschnitt zumindest eines Reservoirs ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung weist die Detektionsvorrichtung zumindest eine, vorzugsweise zwei Sensorelektroden auf, die an der Innen- und/oder Außenwand des zweiten Reservoirs vorgesehen sind. Damit kann in vorteilhafter Art und Weise der Flüssigkeitsstand innerhalb des zweiten Reservoirs bestimmt und somit auf die auf das Betätigungselement einwirkende Kraft zurückgeschlossen werden. Die Detektionsvorrichtung kann über die zumindest eine Sensorelektrode, vorzugsweise über die zwei Sensorelektroden, Messungen vornehmen, dessen Messwert sich in Abhängigkeit des Flüssigkeitsstands innerhalb des zweiten Reservoirs ändert. Das ist vorzugsweise derart gelöst, dass die Flüssigkeit bei Betätigung in den Bereich der zumindest einen Sensorelektrode in dem zweiten Reservoir verdrängt wird, so dass das Umfeld der Sensorelektrode, beispielsweise hinsichtlich der Dielektrizität und/oder der Permeabilität und/oder des Widerstands durch die Flüssigkeit geändert wird. Diese Änderung ist über die Detektionsvorrichtung vorzugsweise erfassbar.
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Des Weiteren kann in einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung vorgesehen sein, dass die Detektionsvorrichtung mittels der zumindest einen, vorzugsweise zwei Sensorelektroden den Flüssigkeitsstand der Flüssigkeit, insbesondere das Steigen und/oder Sinken der Flüssigkeit, im zweiten Reservoir mittels eines kapazitiven, induktiven und/oder resistiven Messverfahrens erfasst. Beim kapazitiven Messverfahren bestimmt die Detektionsvorrichtung die Kapazität der Sensorelektrode in Abhängigkeit von der Umgebung, welche vom Flüssigkeitsstand abhängig ist. Die Messung erfolgt dabei gegenüber der Umgebung und/oder einer Referenzelektrode. Die Bestimmung der Kapazität erfolgt dabei entweder über eine direkte Messung oder indirekt über die Auswertung von Lade- und/oder Entladekurven von Strom und/oder Spannung. Völlig analog hierzu kann das Messverfahren auch induktiv sein, wobei dabei vorzugsweise die Sensorelektrode oder die Sensorelektroden als Spulen ausgeführt sind. Bei einem resistiven Messverfahren wird der Wiederstand zwischen der zumindest einen Sensorelektrode und einer Gegenelektrode, vorzugsweise einer zweiten Sensorelektrode, gemessen, welcher ebenfalls vom Flüssigkeitsstand abhängig ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung ist die Flüssigkeit leitfähig ist und/oder enthält leitfähige Partikel. Damit kann in vorteilhafter Art und Weise besonders effizient das Steigen und Sinken Flüssigkeit und/oder der Flüssigkeitsstand innerhalb des zweiten Reservoirs bestimmt und somit auf die auf das Betätigungselement einwirkende Kraft zurückgeschlossen werden. Eine leitfähige Flüssigkeit hat einen besonders großen Einfluss auf die Umgebung der zumindest einen Sensorelektrode bzw. der Sensorelektroden. Somit können bereits kleine Änderungen des Flüssigkeitsstands zu großen Änderungen im Messwert der Detektionsvorrichtung führen.
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Alternativ oder zusätzlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Flüssigkeit mit einem definierten Referenzpotential der Eingabevorrichtung verbunden ist, wobei das Referenzpotential vorzugsweise über eine Referenzelektrode im Bereich des ersten Reservoirs mit der Flüssigkeit verbunden ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das erste Reservoir auf einer Grund- oder Leiterplatte angeordnet und/oder gehalten ist. Diese Grund- oder Leiterplatte kann dabei als Wiederlager für das Betätigungselement dienen, wobei das erste Reservoir zwischen Leiterplatte und Betätigungselement angeordnet ist. Bei Betätigung des Betätigungselements wird entsprechend das erste Reservoir zwischen Leiterplatte und Betätigungselement eingequetscht und so Druck auf das erste Reservoir und die darin enthaltende Flüssigkeit ausgeübt. Auf der Leiterplatte ist dabei vorzugsweise eine Referenzpotentialelektrode vorgesehen, die vorzugsweise auf dem Bezugspotential der Eingabevorrichtung liegt, insbesondere auf Masse liegt. Die Schnittstelle zwischen erstem Reservoir und Leiterplatte ist dabei so ausgeführt, so dass die Referenzelektrode mit der Flüssigkeit im ersten Reservoir elektrisch verbunden bzw. kontaktiert, insbesondere galvanisch kontaktiert ist. Dazu kann das erste Reservoir beispielsweise eine ringförmige Öffnung aufweisen, durch die die Referenzelektrode kontaktierbar ist. Alternativ kann auch ein elektrischer Leiter durch die Wand des ersten Reservoirs geführt sein, um die Flüssigkeit innerhalb des ersten Reservoirs mit der Referenzelektrode elektrisch zu verbinden.
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In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung umfasst die Detektionsvorrichtung zumindest einen optischen Sensor am zweiten Reservoir, so dass der Flüssigkeitsstand der Flüssigkeit, ), insbesondere das Steigen und/oder Sinken der Flüssigkeit, in dem zweiten Reservoir optisch erfassbar ist. Dadurch kann die Kraftdetektion besonders störunempfindlich ausgeführt werden, da optische Messverfahren sehr robust gegenüber elektrischen Störeinflüssen sind, wie sie häufig im Bereich der Kraftfahrzeuge auftreten. Dabei kann der optische Sensor beispielsweise als Lichtschranke mit einer Lichtquelle und einem Lichtsensor ausgeführt sein, zwischen die sich Flüssigkeit bei steigendem Druck ausbreitet. Alternativ kann der optische Sensor auch als Reflektionslichtschranke ausgeführt sein, bei der sich Lichtsensor und Lichtquelle nebeneinander befinden und sich bei Vorhandensein der Flüssigkeit die Reflektionseigenschaften ändern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung ist die Flüssigkeit zumindest teilweise nicht lichtdurchlässig, insbesondere eingefärbt. Dadurch wird die Kraftdetektion bei Verwendung eines optischen Sensors empfindlicher, da eine eingefärbte bzw. lichtundurchlässige Flüssigkeit einen stärkeren Einfluss auf die zu detektierende optische Eigenschaft der Flüssigkeit hat.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung vorgesehen sein, dass das zweite Reservoir als Steigrohr ausgeführt ist, welches über eine Kommunikationsöffnung mit dem ersten Reservoir gekoppelt ist. Ein Steigrohr hat die Eigenschaft, dass bei Druckänderung der Flüssigkeit der Flüssigkeitsstand sich besonders gleichmäßig ändert. Damit kann die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung in vorteilhafter Art und Weise die Krafteinwirkung besonders kontinuierlich erfassen. Außerdem hat ein Steigrohr den weiteren Vorteil, dass bei einem relativ geringen Durchmesser gegenüber dem Volumen des ersten Reservoirs, die Eingabevorrichtung besonders empfindlich ausgeführt werden kann, da schon kleine Druckänderungen der Flüssigkeit im ersten Reservoir zu großen Änderungen des Flüssigkeitsstands im Steigrohr führen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung ist in dem Steigrohr ein Schwimmer vorgesehen, wobei der Schwimmer leitfähig, dielektrisch und/oder optisch undurchlässig ausgeführt ist. Der Schwimmer ändert seine Position im Steigrohr mit dem Flüssigkeitsstand, so dass zur Kraftdetektion lediglich die Position des Schwimmers im Steigrohr ausgewertet werden muss. Dadurch wird die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung in vorteilhafter Art und Weise zuverlässiger ausgeführt, da die Schwimmerposition zuverlässiger zu detektieren ist.
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Alternativ oder zusätzlich kann bei der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung vorgesehen sein, dass die Detektionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, aus der erkannten Änderung des Flüssigkeitsstands und/oder dem erkannten Anstieg bzw. Sinken der Flüssigkeit in dem zweiten Reservoir, auf eine, auf das Betätigungselement wirkende, Betätigungskraft zu schließen. Durch diese Maßnahme kann in vorteilhafter Art und Weise eine Betätigung der Eingabevorrichtung sicher erkannt werden, beispielsweise gegenüber einer unbeabsichtigten Betätigung. Da die Elastizität der Eingabevorrichtung, insbesondere die des Betätigungselements in Kombination mit dem ersten Reservoir, bekannt ist, kann durch Ermittlung des jeweiligen Flüssigkeitsstands im zweiten Reservoir, auf die einwirkende Kraft geschlossen werden. Bei einem gewissen Schwellwert des Flüssigkeitsstands kann dann beispielsweise auf eine Betätigung geschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Kraft aber auch kontinuierlich erfasst werden und zwar durch die kontinuierliche Erfassung der Änderung des Flüssigkeitsstands in dem zweiten Reservoir. Das ist insbesondere vorteilhaft zur Krafterkennung, um dem Benutzer der Eingabevorrichtung eine haptische Rückmeldung zu geben. Zusätzlich kann vorzugsweise zum Kraftsensor auch noch eine kapazitive Sensorvorrichtung im Bereich des Betätigungselements vorgesehen sein, um neben der Kraft auch noch eine Berührung des Betätigungselements mittels der Detektionsvorrichtung zu erfassen.
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Die Erfindung wird nun anhand mehrerer bevorzugter, jedoch nicht einschränkender Ausführungsbeispiele sowie unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen aufweisen. Die Figuren zeigen dabei schematisch:
- 1 eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung in Schnittansicht,
- 2 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung in Schnittansicht,
- 3 eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung in Schnittansicht und
- 4 eine Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung in Schnittansicht,
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Die 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1 und zwar in Schnittdarstellung. Die Eingabevorrichtung 1 weist eine Grundplatte 26 auf, welche vorzugsweise als Leiterplatte ausgeführt ist. Auf dieser Grundplatte 26 ist ein erstes Reservoir 3 gehalten, welches sich auf der Grundplatte 26 abstützt. Das erste Reservoir 3 ist mit einer Flüssigkeit 4 gefüllt, wobei die Flüssigkeit 4 leitfähige Partikel 22 enthält. Auf der der Grundplatte 26 abgewandten Seite des ersten Reservoirs 3 ist ein Betätigungselement 2 vorgesehen.
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Über das Betätigungselement 2 können Eingaben eines Benutzers (hier nicht dargestellt) in die Eingabevorrichtung 1 erkannt werden, in dem eine Betätigungskraft F auf das Betätigungselement 2 eingebracht wird. Das Einbringen der Betätigungskraft F auf das Betätigungselement 2 kann dabei direkt erfolgen. Das bedeutet, dass ein Eingabemittel, beispielsweise der Finger des Benutzers, direkt auf das Betätigungselement 2 einwirkt. Alternativ kann die Betätigungskraft F auch indirekt auf das Betätigungselement 2 eingebracht werden, indem die Betätigungskraft F von einem Eingabeelement über einen Stößel oder Aktuator dem Betätigungselement 2 zugeführt wird (hier nicht dargestellt).
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Des Weiteren ist bei diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1 ein zweites Reservoir 5 vorgesehen, welches in Form eines Steigrohres 15 ausgeführt ist. Das Steigrohr 15 ist über eine Kommunikationsöffnung 16 mit dem ersten Reservoir 3 verbunden, so dass beide Reservoire 3, 5 miteinander kommunizieren können. Dabei bildet der untere Abschnitt des Steigrohres 15 einen Kommunikationskanal 16 in dem im unbetätigten Zustand die Flüssigkeit 4 bis zu einem Referenzfüllstand 32 steht, welcher im unbetätigten Zustand der Eingabevorrichtung 1 bei einer bestimmten Temperatur, insbesondere bei 20 °C vorliegt. An der Außenwand 20 des Steigrohres 15 sind eine erste 17 und eine zweite 18 Sensorelektrode vorgesehen, welche über Anschlussleitungen mit einer Detektionsvorrichtung 6 verbunden sind.
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Die Detektionsvorrichtung 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1 ist so ausgelegt, dass diese die Kapazität zwischen der ersten und zweiten Sensorelektrode 17, 18 bestimmen kann. Die so zu bestimmende Kapazität ist abhängig von dem Zustand des Innenraumes des Steigrohres 15, so dass sich die Kapazität mit sich änderndem Flüssigkeitsstand im Steigrohr 15 ändert. Das ist der Fall, sobald eine Betätigungskraft F auf das Betätigungselement 2 wirkt. Dadurch erzeugt das Betätigungselement 2 einen Druck auf das erste Reservoir 3, so dass die Flüssigkeit 4 von dem ersten Reservoir 3 in das Steigrohr 15 verdrängt wird. Dadurch steigt der Flüssigkeitsstand in dem Steigrohr 15 und die zu messende Kapazität ändert sich. Aufgrund der bekannten mechanischen Verhältnisse kann die Detektionsvorrichtung 6 aufgrund der bestimmten Kapazität auf die auf das Betätigungselement 2 einwirkende Kraft F zurückschließen. Die detektierte Kraft F kann dann beispielsweise weiterverarbeitet werden, um eine Eingabe zu erkennen oder eine haptische Rückmeldung proportional zur einwirkenden Kraft F zu erzeugen.
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Außerdem weist die erfindungsgemäße Eingabevorrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel ein drittes Reservoir 7 auf, welches über eine Drossel 10 mit dem ersten Reservoir 3 kommuniziert. Die Drossel 10 weist eine Verjüngung 11 auf, die eine Kommunikationsöffnung 16' mit einem Kommunikationskanal 12' bildet. Der Querschnitt dieses Kommunikationskanals 12' ist gegenüber dem Querschnitt 30 des Kommunikationskanal 12 des Steigrohres 15 deutlich kleiner. Außerdem weist das dritte Reservoir 7 eine Grundfläche bzw. einen Querschnitt 29 auf, welcher gegenüber dem Querschnitt 30 des Kommunikationskanals 12 des Steigrohrs 15 zumindest gleichgroß oder insbesondere größer ist. In dem dritten Reservoir 7 steht vorzugsweise die Flüssigkeit 4 bis zu einem Referenzfüllstand, welcher im unbetätigten Zustand der Eingabevorrichtung 1 bei einer bestimmten Temperatur, insbesondere 20 °C vorliegt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Referenzfüllstand im dritten Reservoir 7 identisch zu dem Referenzfüllstand im zweiten Reservoir 5, da beide Reservoire 5, 7 gegenüber dem ersten Reservoir 3 auf demselben Niveau liegen.
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Aufgrund der oben beschriebenen Wahl des Querschnitts 29 des dritten Reservoirs 7 und des Querschnitts 30 des Kommunikationskanals 12 des zweiten Reservoirs 5, wirken sich temperaturabhängige Änderung der Ausdehnung von Flüssigkeit 4 nur geringfügig im Flüssigkeitsstand im zweiten Reservoir 5 aus. Durch die Verjüngung in der Drossel 10 kann das dritte Reservoir 7 temperaturbedingte Druckschwankungen zum Teil ausgleichen, indem beim temperaturbedingten Zusammenziehen der Flüssigkeit 4, die Flüssigkeit 4 in einer erste Richtung 13 vom dritten Reservoir 7 ins erste Reservoir fließt und beim temperaturbedingten Ausdehnen der Flüssigkeit 4, die Flüssigkeit 4 in eine zweite Richtung 14 vom ersten Reservoir 3 ins dritte Reservoir 7 fließt und sich dabei über den gesamten Querschnitt 29 des dritten Reservoirs 7 verteilt. Durch diese Verteilung der Flüssigkeit 4 über den gesamten Querschnitt 29 wird die temperaturbedingte Änderung des Flüssigkeitsstands im Steigrohr 15 erheblich verringert.
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Der Durchmesser des Kommunikationskanals 12' ist dabei so gewählt, dass dieser gerade die Durchflussmenge aufnehmen kann, wie sie bei temperaturbedingten Druckänderungen der Flüssigkeit 4 auftritt. Die Drossel 10 wirkt also wie ein Widerstand für den Durchfluss der Flüssigkeit 4 vom ersten Reservoir 3 ins dritte Reservoir 7. Bei größeren Druckänderungen der Flüssigkeit 4, wie beispielsweise bei Betätigung des Betätigungselements 2, kann der Kommunikationskanal 12' des dritten Reservoirs 7 keine größeren Durchflussmengen aufnehmen und ein Großteil der Flüssigkeit 4 wird über den Kommunikationskanal 12 in das Steigrohr 15 verdrängt. Bei dieser Betätigung füllt sich das zweite Reservoir 5 also deutlich schneller als das dritte Reservoir. Da die Volumina der Reservoire 3, 5, 7, deren Durchmesser 29, 30 sowie der Durchmesser des Kommunikationskanals 12' der Drossel 10 bekannt sind, kann der Einfluss des dritten Reservoirs 7 bei Druckbetätigung in der Detektionseinheit 6 herausgerechnet werden.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1, welche im Wesentlichen auf dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 basiert. Unterschiedlich zum ersten Ausführungsbeispiel ist dabei unter anderem, dass die Sensorelektrode 17 in der 2 als Spule 31 ausgeführt ist. Die Sensorelektrode 17 in Form der Spule 31 ist dabei über zwei Anschlussleitungen mit der Detektionseinheit 6 verbunden. Die Detektionseinheit 6 ist dabei so ausgelegt, dass diese vorzugsweise die Induktivität der Spule 31 bestimmt. Die Bestimmung der Induktivität kann dabei indirekt über eine Strom-, Spannungs- und/oder Frequenzmessung erfolgen. Diese Messungen sind ein direktes Maß für den Füllstand in dem Steigrohr 15, da dieser Füllstand der Flüssigkeit 4 in dem Steigrohr 15 direkt die Induktivität der Spule 31 beeinflusst. Somit kann die Detektionsvorrichtung 6 aus der bestimmten Induktivität der Spule 31 auf die auf das Betätigungselement 2 einwirkende Kraft zurückschließen.
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Des Weiteren weist das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Ventil 8 am dritten Reservoir 7 auf. Das Ventil 8 umfasst eine Ventilklappe 9, welche über eine Ventilkinematik 27 mit dem Betätigungselement 2 bewegungsgekoppelt ist. Die Ventilkinematik 27 ist dabei so ausgeführt, dass bei Betätigung des Betätigungselements 2 in einer erste Richtung 13, sich die Ventilklappe 9 in eine zweite Richtung 14 bewegt, welche entgegengesetzt zur ersten Richtung 13 ist, so dass die Ventilklappe 9 den Kommunikationskanal 12' des dritten Reservoirs 7 verschließt. Das hat zur Folge, dass die Flüssigkeit 4 aus dem ersten Reservoir 3 ausschließlich in das zweite Reservoir 5 verdrängt wird und so die Betätigung des Betätigungselements 2 bzw. die Kraft F auf das Betätigungselement 2 anhand des Flüssigkeitsstands in dem Steigrohr 15 erkannt bzw. bestimmt werden kann.
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Im unbetätigten Zustand der Eingabevorrichtung 1 ist der Kommunikationskanal 12' zwischen erstem 3 und drittem 7 Reservoir geöffnet, so dass temperaturbedingte Ausdehnungen bzw. Druckänderungen der Flüssigkeit 4 über das dritte Reservoir 7 ausgeglichen werden können. Das dritte Reservoir 7 weitet sich kontinuierlich in die zweite Richtung 14 ab dem Referenzfüllstand 32, so dass sich der Querschnitt 29 des dritten Reservoirs 7 bzw. des Kommunikationskanals 12' gegenüber dem Querschnitt 30 des Kommunikationskanals 12 in die zweite Richtung 14 hin vergrößert. Somit kann sich die Flüssigkeit 4 bei Temperaturänderungen auf einer größeren Fläche verteilen. Das hat den Effekt, dass temperaturbedingte Ausdehnungen der Flüssigkeit 4 sich mit steigender Temperatur im zweiten Reservoir 5 geringfügiger auswirken.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1, welches wiederrum im Wesentlichen auf den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 2 basiert. Die Detektionsvorrichtung 6 ist an einen optischen Sensor 21 angeschlossen, um über ein optisches Verfahren den Füllstand in dem Steigrohr 15 zu ermitteln. Wie oben bereits beschrieben kann die Detektionsvorrichtung 6 über den ermittelten Füllstand der Flüssigkeit 4 in dem Steigrohr 15 auf die Betätigungskraft F zurückschließen, welche auf das Betätigungselement 2 einwirkt. Die optische Erfassung erfolgt dabei über den optischen Sensor 21, welcher in diesem Beispiel mit einem Sender und einem Empfänger ausgestattet ist. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit 4 mit einem Farbstoff 33 versehen, so dass ein Steigen und/oder Sinken der Flüssigkeit 4 in dem Steigrohr 15 verbessert erkennbar ist.
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Zwischen erstem Reservoir 3 und dem dritten Reservoir 7 ist ein Ventil 8 vorgesehen, welches in Abhängigkeit des Druckes auf die Flüssigkeit 4 im ersten Reservoir 3 öffnet oder schließt. Dazu weist das Ventil 8 eine Ventilwand 34 und eine dazu relativ bewegliche Ventilklappe 9 auf, wobei die Ventilwand 34 und die Ventilklappe eine Kommunikationsöffnung 16' bzw. einen Kommunikationskanal 12' zwischen erstem 3 und dritten Reservoir 7 bilden. Die Ventilklappe 9 ist vorzugsweise dabei elastisch ausgeführt, so dass bei temperaturbedingten Druckänderungen bzw. Ausdehnungen der Flüssigkeit 4 der Kommunikationskanal 12' geöffnet bleibt. Dadurch kann das dritte Reservoir 7 die temperaturbedingte Ausdehnung der Flüssigkeit 4 ausgleichen. Bei größeren Drücken, wie sie bei der Betätigung des Betätigungselement 2 auftreten, wird die Ventilklappe 9 durch den steigenden Druck der Flüssigkeit 4 in Richtung der Ventilwand 34 bewegt. Dadurch schließt das Ventil 8 und die Flüssigkeit 4 wird nun ausschließlich in das zweite Reservoir 5 verdrängt, so dass aufgrund des Flüssigkeitsstands im Steigrohr 15 auf die Betätigung des Betätigungselements 2 bzw. auf die auf das Betätigungselement 2 einwirkende Kraft F geschlossen werden kann.
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Die 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Eingabevorrichtung 1, welches im Wesentlichen auf dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 basiert. Im Unterschied zur 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Steigrohr 15 ein Schwimmer 23 vorgesehen. Der Schwimmer 23 schwimmt auf bzw. in der Flüssigkeit 4 in dem Steigrohr 15 und steigt und fällt mit dem jeweiligen Flüssigkeitsstand in dem Steigrohr 15. Das bedeutet, dass beispielsweise beim Aufbringen einer Betätigungskraft F auf das Betätigungselement 2 der Schwimmer 23 durch die sich ausbereitende Flüssigkeit 4 in dem Steigrohr 15 bewegt wird. Über die jeweilige Position des Schwimmers 23 in dem Steigrohr 15 kann dann auf die aufgebrachte Betätigungskraft F geschlossen werden.
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Die Position des Schwimmers 23 in dem Steigrohr 15 kann dabei über die Sensorelektroden 17, 18 und die angeschlossene Detektionsvorrichtung 6 ermittelt werden. Vorzugsweise wird dazu ein kapazitives Detektionsverfahren verwendet, bei dem die Kapazität zwischen der ersten 17 und der zweiten 18 Sensorelektrode bestimmt wird. Bewegt sich nun der Schwimmer 23 aufgrund der Betätigung der Eingabevorrichtung 1 zwischen die Sensorelektroden 17, 18, so verändert sich die zu messende Kapazität und die Position des Schwimmers 23 kann durch die Detektionsvorrichtung 6 ermittelt werden. Dazu greift die Detektionsvorrichtung 6 beispielsweise auf Kalibrierdaten zurück, um von der jeweils ermittelten Kapazität auf die Position des Schwimmers 23 zu schließen.
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Der Schwimmer 23 ist dabei vorzugsweise aus einem dielektrischen Material ausgeführt und weist einen Auftrieb gegenüber der Flüssigkeit 4 auf. Dabei kann vorzugsweise das dielektrische Material auch eine metallische Beschichtung aufweisen, was den Einfluss auf die zu bestimmende Kapazität erhöht.
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Das Steigrohr 15 weist des Weiteren ein Entlüftungsloch 28 auf. Durch das Entlüftungsloch 28 kann die Luft aus dem Steigrohr 15 bei steigender Flüssigkeit 4 entweichen und bei sinkender Flüssigkeit wieder in das Steigrohr 15 einströmen. Ein solches Entlüftungsloch 28 kann auch optional am ersten und/oder dritten Reservoir 3, 7 vorgesehen sein, wobei hier vorzugsweise ein weiteres Ventil vorgesehen ist, so dass keine Flüssigkeit 4 austreten kann. Diese Ventilfunktion übernimmt bei dem Entlüftungsloch 28 des Steigrohres 15 der Schwimmer 23, welche bei steigender Flüssigkeit 4 das Entlüftungsloch 28 verschließt.
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Des Weiteren ist eine Referenzelektrode 25 auf der Grundplatte 26 vorgesehen, welche vorzugsweise auf einem Referenzpotential 24 liegt. Die Referenzelektrode 25 steht über eine Öffnung in dem ersten Reservoir 3 in Kontakt mit der Flüssigkeit 4, welche leitfähige Partikel 22 aufweist. Durch diese Anordnung liegt die Flüssigkeit 4 im Wesentlichen ebenfalls auf dem Referenzpotential 24, welches vorzugsweise dem Bezugspotential der Eingabevorrichtung 1 entspricht. Dadurch kann die Kapazitätsmessung bzw. die Messung der Kapazitätsänderung durch die Detektionsvorrichtung 6 besonders zuverlässig ausgeführt werden.
