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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement mit einem Tauchanker-Aktuator zur Bewegungsanregung eines Berührteils des Bedienelements, um für einen Bediener ein haptisches Feedback, beispielsweise zur Bestätigung der zuvor erfolgten Bedieneingabe, wie Berührung oder Betätigung, zu erzeugen. Unter einem Aktuator wird ein aktiver Aktuator zur Erzeugung einer für den Bediener haptisch merkbaren Rückmeldung, im Folgenden auch haptisches Feedback genannt, verstanden. Bei dem aktiven Aktuator, im Folgenden nur kurz als Aktuator bezeichnet, handelt es sich um einen durch eine Steuerelektronik mit einem elektrischen Ansteuersignal beaufschlagbaren Aktuator, der durch einen Impulseintrag, wie Stoßeintrag, oder Schwingungseintrag in eine Komponente des Bedienelements in der Lage ist, eine Bewegung und/oder Schwingung in einem Berührteil anzuregen, die letztlich dazu bestimmt ist, das Berührteil haptisch wahrnehmbar zu bewegen. Die dort vorliegende Bewegung des Berührteils wird vom Bediener als haptisches Feedback wahrgenommen, wobei die dabei wahrgenommene Intensität von der Amplitude selbst auch von weiteren Einflüssen, wie Anpressdruck, Geometrie der zwischen Finger und Berührfläche ausgebildeten Fingerauflagefläche etc. abhängt. Es ist bekannt, einen Motor, auf dessen rotierender Antriebswelle eine bezüglich ihres Schwerpunkts exzentrisch montierte Masse festgelegt ist, als Aktuator zu verwenden. Auch wenn hier eine elektromagnetische Wechselwirkung vorgesehen ist, handelt es sich nicht um einen Aktuator im Sinne der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um einen Aktuator im Tauchanker-Aufbau, also einen eine elektrische Spule aufweisenden Aktuator, der ferner einen ferromagnetischen Anker aufweist, der mit dem durch Beaufschlagung der Spule mit einem Ansteuersignal erzeugten Magnetfeld wechselwirkt, um so antreibend auf den Anker zu wirken. Derartige Aktuator haben den Vorteil, dass die Bewegung des Berührteils durch das für den Aktuator vorgesehene Ansteuersignal weitreichend moduliert werden kann. Zur Erzielung hoher Anzugsmomente, wobei gleichzeitig eine ausgeprägte Nichtlinearität des Kraft-Weg-Verlaufs in Kauf genommen wird, wird der Tauchanker-Aufbau eingesetzt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Anker in einen durch die Wicklung der Spule definierten Hohlraum eingreift, um bei Beaufschlagung des Elektromagneten mit dem Ansteuersignal in den Hohlraum gezogen zu werden oder aus dem Hohlraum gedrängt zu werden. Ziele bei der konstruktiven Auslegung des Tauchanker-Aktuators ist es einerseits eine hohe Präzision bei der Bewegung des Ankers bei gleichzeitig hohem Anzugsmoment zu erreichen. Ferner wird eine hohe Integrationsdichte und ein unkomplizierter Aufbau angestrebt.
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Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung für ein Bedienelement, bei dem der für das haptische Feedback vorgesehene Tauchanker-Aktuator vergleichsweise einfach aufgebaut ist, eine hohe Integrationsdichte aufweist und insbesondere zuverlässig ist und einfach zu montieren ist und keine aufwändige Justage in der Fertigung des Bedienelements erforderlich macht und dessen Betriebsgeräusche geringer ausfallen. 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.
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Die Erfindung betrifft ein Bedienelement. Der Begriff „Bedienelement“ ist weit auszulegen und dient der Vornahme einer Bedieneingabe mittels eines bewegbaren Berührteils im Rahmen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle.
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Das erfindungsgemäße Bedienelement weist einen Träger auf. Der Träger dient der Festlegung des Bedienelements an einer Blende oder Innenverkleidung, wie einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs. Der Träger ist beispielsweise aus einem Kunststoff, einem Metall oder einer metallischen Legierung, wie ZAMAK, oder Kombinationen daraus ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Berührteil vorgesehen, welches eine einem Bediener zugewandte Berührfläche zur Vornahme einer Bedieneingabe durch einen Bediener aufweist und mittels Lagermittel am Träger in einer Bewegungsrichtung beweglich gelagert ist. Dieses Berührteil kann auch je nach Auslegung auch als Betätigungsteil bezeichnet werden. Als Bedieneingabe wird eine händische Berührung oder gegebenenfalls eine Betätigung unter Berührung durch einen Bediener verstanden. Das Berührteil ist in einer bevorzugten Ausgestaltung ferner gegenüber dem Träger in einer zur Berührfläche senkrechten Richtung verlagerbar und/oder verformbar ausgebildet, um nicht nur durch Berührung sondern durch Betätigung des Berührteils eine Bedieneingabe durch den Bediener vornehmen zu können. Beispielsweise ist das Berührteil bzw. Betätigungsteil translatorisch entlang eines linearen Verstellwegs rückstellend verlagerbar am Träger gelagert. Bevorzugt sind die Lagermittel Federn, bevorzugter Blattfedern, um die Rückstellung des Berührteils in eine Ruhestellung zu bewirken. Beispielsweise ist das Berührteil flächig ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Berührteil aus einem Thermoplast, wie Polyethylen (PE), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamide (PA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) ausgebildet.
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Erfindungsgemäß ist ferner ein Tauchanker-Aktuator vorgesehen, der zwischen dem Träger und dem Berührteil angeordnet ist, und ausgebildet ist, eine Relativbewegung in Bewegungsrichtung bevorzugt des Berührteils gegenüber dem Träger zu bewirken. Diese Relativbewegung ist zur Erzeugung eines an der Berührfläche von dem Bediener haptisch merkbaren Feedbacks vorgesehen. Beispielsweise ist die Relativbewegung eine nach einer ersten Auslenkung in die Ruhestellung rückkehrende und dabei auslaufende Auslenkbewegung oder eine mehr oder weniger stark gedämpfte Schwingung des Berührteils relativ zum Träger. Bei dem Aktuator handelt es sich erfindungsgemäß um einen aktiven Aktuator, also einen Aktuator der mit einem von einer Steuereinheit bereitgestellten Ansteuersignal beaufschlagt wird, um den Impulseintrag, wie Stoßeintrag, oder Schwingungseintrag auf das angrenzend angeordnete Berührteil zu triggern. Beispielsweise ist der Aktuator in einem vom Träger und dem Berührteil begrenzten Hohlvolumen angeordnet. Erfindungsgemäß handelt es sich um einen Tauchspulen-Aktuator mit den folgenden Komponenten.
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Der Tauchspulen-Aktuator, im Folgenden auch kurz Aktuator genannt, weist eine elektrische Spule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes auf, wobei beispielsweise die zur Spule gehörige Wicklung einen zentralen Durchbruch definiert. Erfindungsgemäß weist der Aktuator einen die Spule umgebenden Korb, aus im Wesentlichen ferromagnetischem, bevorzugt weichmagnetischem, Material, u.a. zur Führung des magnetischen Feldes auf.
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Erfindungsgemäß umfasst der Aktuator einen die Spule, insbesondere den zentralen Durchbruch der Wicklung, durchgreifend angeordneten, aus ferromagnetischem, bevorzugt weichmagnetischem Material hergestellten, einteiligen Anker, der am magnetischen Korb in Buchsen aus nicht-ferromagnetischen Material entlang einer Hubrichtung hin- und herbeweglich gelagert ist. Der Anker ist dabei einstückig und beispielsweise als Drehteil in Form eines Stößels ausgebildet. Die Buchsen aus nicht ferromagnetischem Material haben die Aufgabe, einerseits die Gleitlagerung des Ankers in Hubrichtung zu gewährleisten, als auch den magnetischen Kurzschluss des durch die Spule erzeugten und den Korb geführten magnetischen Feldes zu verhindern.
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Bevorzugt sind die Buchsen aus einem Kunststoff, einem nicht ferromagnetischen Metall oder aus einem Verbundwerkstoff aus einem Kunststoff und einem nicht ferromagnetischen Metall ausgebildet. Beispielsweise weist das die Gleitflächen der Buchsen definierende Material Polytetrafluorethylen auf oder die Gleitflächen sind mit Polytetrafluorethylen haltigem Material beschichtet, um eine Reibminimierung zu bewirken.
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Erfindungsgemäß weist der Anker einen außerhalb des Korbes angeordneten, endständigen Teller auf, der ausgebildet ist, mit dem aus dem Korb austretenden Feld magnetisch wechselzuwirken, um ein Hubmoment auf den Anker in Hubrichtung zu erzeugen, beispielsweise auf den Teller anziehend zu wirken, wobei er mit dem entgegengesetzten, aus dem Korb herausragenden Ende an das Berührteil angrenzt. Der Begriff Teller ist weit auszulegen und meint eine Querschnittsaufweitung im Allgemeinen, eine Rotationssymmetrie ist nicht zwingend erforderlich aber bevorzugt. Der einteilige Anker hat den Vorteil, dass Bauraum eingespart wird, eine hohe Integrationsdichte erreicht wird und gegenüber einem zweiteiligen Anker die Herstellungskosten gesenkt, die Zuverlässigkeit gesteigert und der Montage- und Justageaufwand verringert werden können. Ferner kann der Anker mit höherer Präzision im Korb geführt werden, wodurch Spiel verringert wird und die Geräuschentwicklung im Betrieb des Aktuators verringert werden.
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Der Anker ist beispielsweise als kreisrunde Platte ausgebildet. Um einen im Vergleich zur kreisrunden Platte gleichmäßigeren Verlauf des Hubmoments entlang des Hubwegs des Ankers zu erreichen, ist der Teller auf der dem Korb zugewandten Seite erfindungsgemäß konusförmig ausgebildet und der Korb in einem dem Teller nächstbenachbarten Bereich komplementär ausgebildet.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Hubbewegung des Ankers aus einer Ruhestellung in Hubrichtung auf maximal 2 mm mechanisch beanschlagt ist, beispielsweise durch den Teller.
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Bevorzugt ist die Bewegungsrichtung parallel zur Berührfläche.
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Bevorzugt ist das von der Steuereinheit erzeugte Ansteuersignal so ausgewählt, dass die Hubbewegung des Ankers aus der Ruhestellung auf einen maximalen Hub von 0,5 mm beschränkt ist.
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Bevorzugt umfassen die Lagermittel Blattfedern, um das Berührteil mittels der Blattfedern an dem Träger schwingbeweglich zu lagern und um in der Ruhestellung das Berührteil gegen den Anker elastisch vorzuspannen. Dadurch können zusätzliche Federmittel eingespart, um den Anker entgegen der Hubrichtung elastisch vorzuspannen.
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Beispielsweise ist ferner ein Sensor zur Detektion einer Betätigung des Berührteils und/oder einer Berührung der Berührfläche vorgesehen. Bevorzugt ist der Sensor ein Berührungssensor zur Detektion einer Berührung der Berührfläche oder ein Kraftsensor zur Messung einer durch eine Betätigung bewirkten Verlagerung und/oder durch die Betätigung bewirkten, elastischen Verformung des Berührteils. Beispielsweise ist der Berührsensor ein kapazitiver Berührsensor, wie ein kapazitiver ortsauflösend detektierender Berührsensor. In einer anderen Ausgestaltung ist ein Kraftsensor dadurch realisiert, dass das Berührteil entgegen einer Rückstellung gegenüber dem Träger elastisch verlagerbar und/oder verformbar ausgestaltet ist und ein Abstand zwischen dem Träger und dem Berührteil, optisch, kapazitiv oder induktiv detektiert wird. Der Berührsensor weist beispielsweise eine ein Array aus mehreren Elektroden umfassenden Folienschichtaufbau auf, der an dem Berührteil angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Bedienelements in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich bevorzugte Ausführungsvarianten dar. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1;
- 2 eine Schnittansicht des Tauchanker-Aktuators aus 1.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Das Bedienelement 1 weist einen Träger 3 auf. Der Träger 3 dient der Festlegung des Bedienelements 1 an einer nicht dargestellten Blende oder Innenverkleidung, wie einem Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs. Der Träger 3 ist beispielsweise aus einem Kunststoff, einem Metall oder einer metallischen Legierung, wie ZAMAK, oder Kombinationen daraus ausgebildet.
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Es ist ferner ein Berührteil 2 vorgesehen, welches eine einem Bediener B zugewandte Berührfläche 8 zur Vornahme einer Bedieneingabe durch den Bediener B aufweist und mittels Lagermittel 4 am Träger 3 in einer Bewegungsrichtung S beweglich gelagert ist. Dieses Berührteil 2 kann auch je nach Auslegung auch als Betätigungsteil bezeichnet werden. Als Bedieneingabe wird eine händische Berührung oder gegebenenfalls eine Betätigung unter Berührung durch den Bediener B verstanden. Das Berührteil 2 ist hier in einer zur Berührfläche 8 parallelen Richtung rückstellend verlagerbar mittels Blattfedern 4 gelagert, um die Rückstellung des Berührteils 2 in die in 1 gezeigte Ruhestellung zu bewirken.
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Es ist ferner ein Tauchanker-Aktuator 5, im Folgenden auch kurz Aktuator 5 genannt, vorgesehen, der zwischen dem Träger 3 und dem Berührteil 2, genauer einem vom Träger 3 und dem Berührteil 2 begrenzten Hohlraum angeordnet. Der Aktuator 5 ist ausgebildet, eine Relativbewegung in Bewegungsrichtung B zwischen dem Träger 3 und dem Berührteil 2 zu bewirken. Diese Relativbewegung ist zur Erzeugung eines an der Berührfläche 8 von dem Bediener B haptisch merkbaren Feedbacks vorgesehen. Beispielsweise ist die durch den Aktuator 5 erzeugte Relativbewegung eine nach einer ersten Auslenkung in die Ruhestellung rückkehrende und dabei auslaufende Auslenkbewegung oder eine mehr oder weniger stark gedämpfte Schwingung des Berührteils 2 relativ zum Träger 3. Bei dem Aktuator 5 handelt es sich um einen aktiven Aktuator 5, also einen Aktuator 5 der mit einem von einer nicht dargestellten Steuereinheit bereitgestellten Ansteuersignal beaufschlagt wird, um den Impulseintrag, wie Stoßeintrag, oder Schwingungseintrag in das angrenzend angeordnete Berührteil 2 zu triggern. Dazu weist der Aktuator 5 einen stößelförmigen, einstückigen Anker 6 aus weichmagnetischem Material auf, der mit einem Ende an das Berührteil angrenzt und an dem entgegengesetzten Ende einen Teller 7 aufweist.
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Der Aktuator 5 weist, wie die Schnittdarstellung der 2 zeigt, eine elektrische Spule 9 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes auf, wobei beispielsweise die zur Spule 9 gehörige Wicklung einen zentralen Durchbruch definiert. Der Aktuator 5 weist einen die Spule 9 umgebenden Korb 10 aus im Wesentlichen weichmagnetischem Material, u.a. zur Führung des magnetischen Feldes auf.
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Der Aktuator 5 weist ferner einen die Spule 9, d.h. den zentralen Durchbruch der Wicklung, durchgreifend angeordneten, aus weichmagnetischem Material hergestellten, einteiligen, d.h. einstückigen, Anker 6, der am weichmagnetischen Korb 10 in Buchsen 11 aus nicht-ferromagnetischen Material entlang einer Hubrichtung hin- und herbeweglich gelagert ist. Der Anker 6 ist als Drehteil in Form eines Stößels ausgebildet. Die Buchsen 11 aus nicht ferromagnetischem Material haben die Aufgabe, einerseits die Gleitlagerung des Ankers 6 in Hubrichtung H zu gewährleisten als auch den magnetischen Kurzschluss des durch die Spule 9 erzeugten und den Korb 10 geführten magnetischen Feldes zu verhindern.
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Beispielsweise sind die Buchsen 11 aus einem Kunststoff, einem nicht ferromagnetischen Metall oder aus einem Verbundwerkstoff aus einem Kunststoff und einem nicht ferromagnetischen Metall ausgebildet. Beispielsweise weist das die Gleitflächen der Buchsen 11 definierende Material Polytetrafluorethylen auf oder die Gleitflächen sind mit Polytetrafluorethylen haltigem Material beschichtet, um eine Reibminimierung zu bewirken.
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Der Anker 6 bildet einen außerhalb des Korbes 10 angeordneten, endständigen Teller 7 auf, der ausgebildet ist, mit dem aus dem Korb 10 austretenden Feld magnetisch wechselzuwirken, um ein Hubmoment auf den Anker 6 in Hubrichtung H zu erzeugen, in dem auf den Teller 7 anziehend zu wirken. Der einteilige Anker 6 hat den Vorteil, dass Bauraum eingespart wird, eine hohe Integrationsdichte erreicht wird und gegenüber einem zweiteiligen Anker die Herstellungskosten gesenkt, die Zuverlässigkeit gesteigert und der Montage- und Justageaufwand verringert werden können. Ferner kann der Anker 6 mit höherer Präzision im Korb geführt werden, wodurch Spiel verringert wird und die Geräuschentwicklung im Betrieb des Aktuators 5 verringert werden.
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Um einen vergleichsweise gleichmäßigen Verlauf des Hubmoments entlang des Hubwegs des Ankers 6 zu erreichen, ist der Teller 7 auf der dem Korb 10 zugewandten Seite 12 konusförmig ausgebildet und der Korb 10 in einem dem Teller 7 nächstbenachbarten Bereich 13 komplementär ausgebildet.
