DE102020119812B4

DE102020119812B4 - Device and method for measuring a force exerted on a user interface

Info

Publication number: DE102020119812B4
Application number: DE102020119812.4A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Müller; Andreas Spahmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: DE102020119812A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche (2) ausgeübten Kraft (4) mit einer Messeinrichtung (7) zur Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche (2) aus einer Ruhelage (6), wobei die Messeinrichtung (7) eine wenigstens einen Lichtstrahl (8) aussendende Sendeeinrichtung (9), eine den wenigstens einen Lichtstrahl (8) ablenkende Ablenkungseinrichtung (10) sowie eine den wenigstens einen Lichtstrahl (8) detektierende Detektionseinrichtung (11) zur Bestimmung einer Detektionsposition (12) des wenigstens einen Lichtstrahls (8) umfasst, wobei sich die Auslenkung (5) der Bedienoberfläche (2) aus einer durch die ausgeübte Kraft (4) bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche (2) und andererseits mit einem Basisbereich (13) verbundenen Feder (14) ergibt, und mit einer Umrechnungseinrichtung (15) zum Bestimmen der auf die Bedienoberfläche (2) ausgeübten Kraft (4) aus einer Detektionsauslenkung (16) der Detektionsposition (12) aus einer Detektionsruhelage (17), wobei die Ablenkungseinrichtung (10) an der Feder (14) wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung (5) der Bedienoberfläche (2) genau eine Verkippung (18) der Ablenkungseinrichtung (10) aus einer Ruheorientierung (19) ergibt,dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (14) eine Blattfeder ist, welche eine Kröpfung (22) aufweist, wobei die Ablenkungseinrichtung (10) in einem Bereich der Kröpfung (22) angeordnet ist.Device (1) for measuring a force (4) exerted on a user interface (2), with a measuring device (7) for measuring a deflection of the user interface (2) from a rest position (6), the measuring device (7) having at least one light beam (8) emitting transmission device (9), a deflection device (10) that deflects the at least one light beam (8) and a detection device (11) that detects the at least one light beam (8) for determining a detection position (12) of the at least one light beam (8) wherein the deflection (5) of the operating surface (2) results from an elastic deformation, caused by the force (4) exerted, of a spring (14) which is at least indirectly connected to the operating surface (2) on the one hand and to a base area (13) on the other hand , and with a conversion device (15) for determining the force (4) exerted on the user interface (2) from a detection deflection (16) of the detection position (12) from a detection rest position (17), the deflection device (10) being arranged at least indirectly on the spring (14) in such a way that a deflection (5) of the operating surface (2) results in precisely one tilting (18) of the deflection device (10). a rest orientation (19), characterized in that the spring (14) is a leaf spring which has a bend (22), the deflection device (10) being arranged in a region of the bend (22).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft, mit einer Messeinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer Ruhelage, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for measuring a force exerted on a user interface, with a measuring device for measuring a deflection of the user interface from a rest position, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft, wobei als eine Messgröße eine Detektionsposition bestimmt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.The invention also relates to a method for measuring a force exerted on a user interface, a detection position being determined as a measured variable, according to the preamble of claim 6.

Aus der DE 10 2017 223 731 A1 ist ein elektrooptischer Touchscreen mit integrierter Drucksensierung bekannt, wobei die Lage des elektrooptischen Touchscreens zu einer Referenzfläche durch Aufbringen einer Kraft auf seine Oberfläche veränderbar ist. Eine Sensierungsvorrichtung ist hierbei kapazitativ ausgestaltet und weist eine Elektrode auf.From the DE 10 2017 223 731 A1 an electro-optical touch screen with integrated pressure sensing is known, wherein the position of the electro-optical touch screen relative to a reference surface can be changed by applying a force to its surface. A sensing device is capacitive and has an electrode.

Aus der DE 10 2018 115 220 A1 geht ein Betätigungsmodul für ein Kraftfahrzeug hervor, welches ein Trägerelement und ein Gehäuse aufweist, welche mit mindestens einem Rückstellelement miteinander verbunden sind. Das Betätigungsmodul weist dabei eine Sensoreinheit, welche als Lichtsensor ausgebildet sein kann, auf, welche eine zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse wirkende Kraft und/oder eine Annäherung zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse detektiert.From the DE 10 2018 115 220 A1 discloses an actuation module for a motor vehicle, which has a carrier element and a housing which are connected to one another by at least one restoring element. The actuating module has a sensor unit, which can be designed as a light sensor, which detects a force acting between the carrier element and the housing and/or an approach between the carrier element and the housing.

Die WO 2017 / 174 097 A1 offenbart eine Bedienvorrichtung für ein elektronisches Haushaltsgerät mit einer Abdeckplatte, welche eine einem Benutzer zugewandte Benutzerseite aufweist.WO 2017/174 097 A1 discloses an operating device for an electronic household appliance with a cover plate which has a user side facing a user.

Aus der US 9 588 616 B2 sind freitragende Verschiebungssensoren mit einer erhöhten Verschiebungssensitivität bekannt.From the U.S. 9,588,616 B2 cantilever displacement sensors with increased displacement sensitivity are known.

Aus dem Stand der Technik sind demnach Kraftmessvorrichtungen bekannt, mittels derer Kräfte bestimmt werden, welche von einem Bediener auf ein Touchpad ausgeübt werden.Accordingly, force-measuring devices are known from the prior art, by means of which forces are determined which are exerted by an operator on a touchpad.

Zweck einer solchen Kraftmessung ist dabei insbesondere, zwischen Kraftausübungen mit und ohne Bedienabsicht zu unterscheiden und in ersterem Falle eine Übermittlung eines Rückmeldesignals an den Bediener zu senden. Eine derartige Kraftrückmeldung an den Bediener dient beispielsweise dazu, diesem zu signalisieren, dass eine Kraft einer gewissen Mindestgröße und somit eine eventuell vorhandene Bedienabsicht von einer mit der Bedienoberfläche verknüpften Bedieneinrichtung wahrgenommen wurde.The purpose of such a force measurement is, in particular, to differentiate between exerting force with and without an operator intention and, in the former case, to transmit a feedback signal to the operator. Such a force feedback to the operator is used, for example, to signal to the operator that a force of a certain minimum magnitude and thus a possible intention to operate has been perceived by an operating device linked to the user interface.

Eine solche Kraftrückmeldung, beziehungsweise englisch Force-Feedback, wird häufig durch eine unmittelbar an einen Bedienvorgang anschließende mechanische Beschleunigung und/oder Vibration der Bedienoberfläche realisiert. Hierdurch wird dem Bediener ein taktiler bzw. haptischer Reiz, beispielsweise über nach dem Bedienvorgang noch auf der Bedienoberfläche befindliche Fingerkuppen, übermittelt.Such a force feedback is often implemented by mechanical acceleration and/or vibration of the user interface immediately after an operating process. As a result, a tactile or haptic stimulus is transmitted to the operator, for example via fingertips still on the user interface after the operating process.

Die Kraftmessung selbst basiert häufig auf einer Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer Ruhelage, wobei eine Feder einerseits mit der Bedienoberfläche und andererseits mit einem Basisbereich zumindest mittelbar verbunden ist. Wird eine bestimmte Kraft auf die Bedienoberfläche ausgeübt, ergibt sich daher je nach Parametern eines vorherrschenden Federgesetzes eine bestimmte Auslenkung der Bedienoberfläche aus der Ruhelage. Diese Auslenkung kann dann mittels geeigneter Sensoren zur Abstandsbestimmung bestimmt werden. Bei Kenntnis eines charakteristischen Kraft-Auslenkungsgesetzes der Feder kann aus der Auslenkung eine Kraft bestimmt werden, von der anzunehmen ist, dass sie der Auslenkung zugrunde gelegen hat.The force measurement itself is often based on a measurement of a deflection of the user interface from a rest position, with a spring being at least indirectly connected to the user interface on the one hand and to a base area on the other hand. If a specific force is exerted on the user interface, a specific deflection of the user interface from the rest position results depending on the parameters of a prevailing spring law. This deflection can then be determined using suitable sensors for determining the distance. With knowledge of a characteristic force-deflection law of the spring, a force can be determined from the deflection, which can be assumed to have been the basis of the deflection.

Um bei dem Bediener einen Eindruck mangelnder Stabilität und damit mangelnder Wertigkeit der Bedienoberfläche zu vermeiden, werden häufig sehr steife Federn verwendet. Derartige steife Federn zeigen selbst bei relativ hohen ausgeübten Kräften lediglich eine geringe Auslenkung. Da solche geringen Auslenkungen für ihn nur schlecht wahrnehmbar sind, kann der Bediener nicht mehr anhand der Auslenkung bzw. des Nachgebens der Bedienoberfläche als Reaktion auf die durch ihn selbst ausgeübte Kraft entscheiden, ob eine Bedienung mit einer ausreichenden Kraft stattgefunden hat. Hierdurch kann eine Übermittlung des beschriebenen Force-Feedback-Signals umso notwendiger werden.Very stiff springs are often used in order to avoid giving the operator the impression of a lack of stability and thus of a lack of value in the user interface. Such stiff springs show only a small amount of deflection, even when relatively high forces are exerted. Since such small deflections are difficult for him to perceive, the operator can no longer decide on the basis of the deflection or yielding of the operating surface as a reaction to the force exerted by himself whether an operation has taken place with sufficient force. This can make it all the more necessary to transmit the described force feedback signal.

So werden üblicherweise Federn verwendet, die bei einer ausgeübten Kraft von wenigen Newton Auslenkungen von weniger als einem Millimeter bzw. Bruchteilen eines Millimeters erlauben.For example, springs are usually used which allow deflections of less than a millimeter or fractions of a millimeter when a force of a few Newtons is exerted.

Die Bedienoberfläche ist im Stand der Technik üblicherweise an einem Bediengrundkörper so angeordnet, dass die Bedienoberfläche für den Bediener zugänglich und einsehbar ist.In the prior art, the user interface is usually arranged on an operating base body in such a way that the user interface is accessible and visible to the operator.

Üblicherweise verwendete Messeeinrichtungen zur Bestimmung der Auslenkung der Bedienoberfläche sind derart aufgebaut, dass ein Abstand zwischen einem an dem Bediengrundkörper angeordneten Referenzbereich und dem Basisbereich gemessen wird. Befindet sich die Bedienoberfläche bzw. der Bediengrundkörper in der Ruhelage, so kann ein Ruhelagenabstand gemessen werden. Wird ein anderer Abstand als der Ruhelagenabstand gemessen, so entspricht die Differenz zwischen dem gemessenen Abstand und dem Ruhelagenabstand der Auslenkung der Bedienoberfläche aus der Ruhelage. Der Basisbereich kann hierbei an einem die Bedienoberfläche umgebenden und diese aufnehmenden festen Bauraum, beispielsweise in einer Fahrzeuginnenverkleidung, angeordnet sein. Insbesondere kann der Basisbereich dadurch charakterisiert werden, dass sich die Bedienoberfläche bei einer Bedienung relativ zu dem Basisbereich bewegt.Measuring devices that are commonly used to determine the deflection of the operating surface are constructed in such a way that a distance between a reference area arranged on the operating base body and the base area is measured. If the user interface or the operating body is in the rest position, a rest position distance can be measured. If a distance other than the rest position distance is measured, then the difference between the measured distance and the rest position distance corresponds to the deflection of the user interface from the rest position. In this case, the base region can be arranged on a fixed installation space surrounding and accommodating the operating surface, for example in a vehicle interior trim. In particular, the base area can be characterized in that the user interface moves relative to the base area when operated.

Bei einer aus dem Stand der Technik optischen Abstandsbestimmung wird Licht unter einem Winkel auf eine reflektierende Oberfläche eingestrahlt. Die Lage des reflektierten Lichts wird mit einem Detektor ermittelt und beispielsweise mittel Triangulation kann auf einen Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem Detektor ermittelt.In an optical distance determination from the prior art, light is radiated at an angle onto a reflecting surface. The position of the reflected light is determined with a detector and, for example, by means of triangulation, a distance between the reflecting surface and the detector can be determined.

Nachteilig am Stand der Technik ist daher, dass sich die im Stand der Technik aus Gründen eines Produktdesigns durchaus gewünschten geringen Auslenkungen der Bedienoberfläche durch vorhandene, für den praxistauglichen Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, geeignete Messeinrichtungen messtechnisch unter Umständen schlecht erfassen lassen. Hierdurch ist auch die Bestimmung der auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft mit signifikanten Unsicherheiten belegt. Zur Erhöhung der Verlässlichkeit der Messung ist daher häufig eine kompliziertere Datenaufbereitung nötig, da das Signal-zu-Rausch-Verhältnis sehr gering ist.A disadvantage of the prior art is therefore that the small deflections of the user interface that are desired in the prior art for product design reasons can sometimes be difficult to measure technically using existing measuring devices suitable for practical use, for example in motor vehicles. As a result, the determination of the force exerted on the user interface is also subject to significant uncertainties. In order to increase the reliability of the measurement, more complicated data processing is therefore often necessary, since the signal-to-noise ratio is very low.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübte Kraft zu schaffen, die eine einfache und zugleich präzise Messung der auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft ermöglichen.The present invention is therefore based on the object of creating a device and a method for measuring a force exerted on a user interface, which allows a simple and at the same time precise measurement of the force exerted on the user interface.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention, this object is achieved by a device having the features specified in claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft weist eine Messeinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer Ruhelage auf, wobei die Messeinrichtung eine wenigstens einen Lichtstrahl aussendende Sendeeinrichtung, eine den wenigstens einen Lichtstrahl ablenkende Ablenkungseinrichtung sowie eine den wenigstens einen Lichtstrahl detektierende Detektionseinrichtung zur Bestimmung einer Detektionsposition des wenigstens einen Lichtstrahls umfasst. Hierbei ergibt sich die Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer durch die ausgeübte Kraft bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche und andererseits mit einem Basisbereich verbundenen Feder. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Umrechnungseinrichtung zum Bestimmen der auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft aus einer Detektionsauslenkung der Detektionsposition aus einer Detektionsruhelage auf. Ferner ist vorgesehen, dass die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung der Bedienoberfläche genau eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruheorientierung ergibt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit eine Ablenkungseinrichtung vorgesehen, welche den Lichtstrahl der optisch wirkenden Messeinrichtung derart ablenkt, dass der Lichtstrahl aufgrund der Ablenkung seine Auftreffposition auf der Detektionseinrichtung verändert. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Ablenkungseinrichtung verkippt wird und hierdurch die Auftreffposition des Lichtstrahls auf der Detektionseinrichtung verändert wird. Durch den einfachen und kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine einfache und zugleich präzise Kraftmessung ermöglicht.The device according to the invention for measuring a force exerted on a user interface has a measuring device for measuring a deflection of the user interface from a rest position, the measuring device comprising a transmitter device emitting at least one light beam, a deflection device deflecting the at least one light beam and a detection device detecting the at least one light beam for determining a detection position of the at least one light beam. The deflection of the user interface results from an elastic deformation, caused by the force exerted, of a spring that is at least indirectly connected to the user interface on the one hand and to a base area on the other hand. Furthermore, the device according to the invention has a conversion device for determining the force exerted on the user interface from a detection deflection of the detection position from a detection rest position. Provision is also made for the deflection device to be arranged at least indirectly on the spring in such a way that a deflection of the user interface results in precisely a tilting of the deflection device from a rest orientation. A deflection device is therefore provided in the device according to the invention, which deflects the light beam of the optically acting measuring device in such a way that the light beam changes its impingement position on the detection device as a result of the deflection. In particular, it is provided that the deflection device is tilted, thereby changing the impingement position of the light beam on the detection device. The simple and compact design of the device according to the invention enables a simple and at the same time precise force measurement.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Feder eine Blattfeder ist, welche eine Kröpfung aufweist, wobei die Ablenkungseinrichtung in einem Bereich der Kröpfung angeordnet ist. Durch die Ausbildung der Feder als Blattfeder mit einer Kröpfung ist eine Anordnung der Ablenkungseinrichtung, welche zu einer Verkippung der Ablenkungseinrichtung führt auf besonders einfache Weise möglich. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung als reflektierender Bereich an der Kröpfung selbst ausgeführt ist.It is provided according to the invention that the spring is a leaf spring which has an offset, the deflection device being arranged in an area of the offset. Due to the design of the spring as a leaf spring with an offset, an arrangement of the deflection device which leads to a tilting of the deflection device is possible in a particularly simple manner. In particular, it can be provided that the deflection device is designed as a reflecting area on the bend itself.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Feder und die Ablenkungseinrichtung derart ausgebildet sind und/oder die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung der Bedienoberfläche genau eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruheorientierung derart ergibt, dass sich eine Detektionsauslenkung ergibt, welche verglichen mit einer Detektionsauslenkung ohne die Verkippung der Ablenkungseinrichtung verstärkt ist. Eine Verstärkung der Detektionsauslenkung durch die Verkippung der Ablenkungseinrichtung ermöglicht eine vorteilhaft einfache und präzise Messung der Auslenkung der Bedienoberfläche, da die Detektionsposition bei einer derart verstärkten Detektionsauslenkung besonders zuverlässig zu ermitteln ist. Bei der Vorrichtung ist somit eine als optischer Auslenkungsverstärker wirkende Ablenkungseinrichtung an der Feder angeordnet. Dabei ist die Ablenkungseinrichtung an der Feder dergestalt angeordnet, dass bei einer bestimmten Auslenkung eines Bediengrundkörpers die Detektionsposition eine im Vergleich zu der verkippungsfreien, aufgrund eines Triangulationsprinzips zu erwartende, Detektionsauslenkung ohne Verkippung der Ablenkungseinrichtung verstärkte Detektionsauslenkung vollzieht. Als verstärkt ist die Detektionsauslenkung dabei zu bezeichnen, wenn eine differenzielle Änderung der Detektionsauslenkung bei einer differenziellen Variation der ausgeübten Kraft innerhalb eines messbaren Bereichs an ausgeübter Kraft größer als oder zumindest gleich einer differenziellen Änderung der verkippungsfreien Detektionsauslenkung ist. In anderen Worten soll die Ableitung der Detektionsauslenkung nach der Kraft innerhalb eines zur Messung vorgesehenen Kraftbereiches stets größer oder gleich der Ableitung der verkippungsfreien Detektionsauslenkung nach der Kraft sein. Der Vorteil einer derartigen Auslenkungsverstärkung ergibt sich daraus, dass sich für verschiedene ausgeübte Kräfte für die korrespondierenden Detektionsauslenkungen größere Unterschiede ergeben als für die korrespondierenden verkippungsfreien Detektionsauslenkung. Diese größeren Unterschiede lassen sich auch durch gängige, praxisrelevante Detektionseinrichtungen, welche insbesondere zum Einbau in Kraftfahrzeugen tauglich sind, gut bestimmen. Weiterhin stellt eine derartige Auslenkungsverstärkung eine verhältnismäßig einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Erhöhung einer Messgenauigkeit der Vorrichtung dar. Unter Beibehaltung einer hohen Steifigkeit eines Touchscreens kann also eine Genauigkeit der Kraftmessung erhöht bzw. die Messtechnik vereinfacht werden.In an advantageous development of the device according to the invention, it can be provided that the spring and the deflection device are designed in such a way and/or the deflection device is arranged at least indirectly on the spring in such a way that a deflection of the user interface results in a tilting of the deflection device from a rest orientation in such a way results in a detection deflection which is amplified compared to a detection deflection without the tilting of the deflection device. An amplification of the detection deflection by tilting the deflection device enables an advantageously simple and precise measurement of the deflection of the user interface, since the detection position can be determined particularly reliably with such an amplified detection deflection. In the device, a deflection device acting as an optical deflection amplifier is thus arranged on the spring. The deflection device is arranged on the spring in such a way that, for a specific deflection of an operating body, the detection position has a tilt-free position compared to the position due to a triangulation principle, the detection deflection is expected to be increased without tilting the deflection device. The detection deflection is said to be amplified if a differential change in the detection deflection given a differential variation in the force exerted within a measurable range of force exerted is greater than or at least equal to a differential change in the detection deflection free of tilting. In other words, the derivation of the detection deflection based on the force within a force range provided for the measurement should always be greater than or equal to the derivation of the tilt-free detection deflection based on the force. The advantage of such a deflection amplification results from the fact that, for different forces exerted, there are greater differences for the corresponding detection deflections than for the corresponding detection deflections without tilting. These larger differences can also be determined well by common, practically relevant detection devices, which are suitable in particular for installation in motor vehicles. Furthermore, such a deflection amplification represents a relatively simple and cost-effective way of increasing the measuring accuracy of the device. The accuracy of the force measurement can therefore be increased or the measuring technology can be simplified while maintaining a high degree of rigidity of a touchscreen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung der Bedienoberfläche genau eine Auslenkung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruhelage ergibt, die verglichen mit der Auslenkung der Bedienoberfläche gleich groß oder weniger groß ist. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Verkippung der Ablenkungseinrichtung dadurch, dass die Ablenkungseinrichtung selbst aus ihrer Ruhelage nur sehr gering oder auch gar nicht ausgelenkt werden muss, sondern nur verkippt wird. Hierdurch kann eine vorteilhaft steife Feder verwendet werden, was zu einem vorteilhaft geringen elastischen Verhalten der Bedienoberfläche führt. Insbesondere wird für eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung weit weniger Bauraum benötigt als beispielsweise für eine mechanische Auslenkungsverstärkung.In an advantageous development of the device according to the invention, it can be provided that the deflection device is arranged at least indirectly on the spring in such a way that a deflection of the user interface results in precisely one deflection of the deflection device from a rest position which, compared to the deflection of the user interface, is of the same size or is less big. Such a tilting of the deflection device is particularly advantageous in that the deflection device itself only has to be deflected very little or not at all from its rest position, but is only tilted. As a result, an advantageously stiff spring can be used, which leads to an advantageously low elastic behavior of the user interface. In particular, far less installation space is required for tilting the deflection device than, for example, for mechanical deflection amplification.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Länge der Kröpfung höchstens dem Dreifachen einer maximalen Auslenkung der Bedienoberfläche entspricht. Durch eine Beschränkung der Länge der Kröpfung auf das höchstens dreifache der maximalen Auslenkung der Bedienoberfläche kann eine vorteilhaft starke Verkippung der Ablenkungseinrichtung bei gleichzeitig nur geringer Auslenkung der Bedienoberfläche erzielt werden.In an advantageous development of the device according to the invention, it can be provided that the length of the bend corresponds at most to three times a maximum deflection of the operating surface. By restricting the length of the offset to at most three times the maximum deflection of the user interface, an advantageously strong tilting of the deflection device can be achieved with at the same time only a small deflection of the user interface.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung als Spiegel ausgebildet ist. Eine Verwendung eines Spiegels als Ablenkungseinrichtung hat den Vorteil, dass der Lichtstrahl besonders präzise bzw. besonders wenig diffus reflektiert wird. Hierdurch kann eine vorteilhaft präzise Bestimmung der Detektionsposition ermöglich werden.In an advantageous development of the device according to the invention, it can be provided that the deflection device is designed as a mirror. Using a mirror as a deflection device has the advantage that the light beam is reflected particularly precisely and with particularly little diffuseness. In this way, an advantageously precise determination of the detection position can be made possible.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung einer auf einer Bedienoberfläche ausgeübten Kraft mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen.The invention also relates to a method for measuring a force exerted on a user interface, having the features specified in claim 6.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft wird als eine Messgröße eine Detektionsauslenkung einer Detektionsposition aus einer Detektionsruhelage bestimmt. Hierbei ergibt sich die Detektionsauslenkung aus einer durch die ausgeübte Kraft bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche und andererseits mit einem Basisbereich verbundenen Feder. Es wird weiterhin ein Lichtstrahl von einer Sendeeinrichtung ausgehend von einer Ablenkungseinrichtung abgelenkt und von einer Detektionseinrichtung detektiert. Hierbei wird die Detektionsauslenkung des Lichtstrahls von der Detektionseinrichtung wenigstens eindimensional ortsaufgelöst bestimmt und die auf die Bedienoberfläche ausgeübte Kraft wird aus der gemessenen Detektionsauslenkung mittels einer Umrechnungseinrichtung bestimmt. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass durch eine elastische Verformung der Feder eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruheorientierung eingestellt wird, wobei die Verkippung eine Verstärkung der Detektionsauslenkung, verglichen mit einer Detektionsauslenkung ohne Verkippung, bewirkt.In the method according to the invention for measuring a force exerted on an operating surface, a detection deflection of a detection position from a detection rest position is determined as a measured variable. In this case, the detection deflection results from an elastic deformation, caused by the force exerted, of a spring that is connected at least indirectly to the user interface on the one hand and to a base area on the other hand. Furthermore, a light beam from a transmission device is deflected by a deflection device and detected by a detection device. In this case, the detection deflection of the light beam is determined by the detection device in at least one-dimensional spatial resolution and the force exerted on the user interface is determined from the measured detection deflection by means of a conversion device. Furthermore, the method according to the invention provides that the deflection device is arranged at least indirectly on the spring in such a way that elastic deformation of the spring causes the deflection device to tilt from a resting orientation, with the tilting increasing the detection deflection compared to a detection deflection without Tilting causes.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Ortsbestimmung der Wirkung der ausgeübten Kraft auf die Bedienoberfläche durchgeführt wird. Eine beabsichtigterweise auf die Bedienoberfläche ausgeübte Kraft kann von einer unbeabsichtigterweise auf die Bedienoberfläche ausgeübte Kraft dadurch unterschieden werden, dass von der beabsichtigterweise auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft angenommen werden kann, dass sie an Orten der Bedienoberfläche ausgeübt wird, welche durch ein grafisches Signal dem Bediener als Tastenelement erkennbar sind. Hierdurch können irrelevante Kräfte ignoriert werden.In an advantageous development of the method according to the invention, it can be provided that the location of the effect of the force exerted on the user interface is determined. A force exerted intentionally on the user interface can be distinguished from a force exerted on the user interface unintentionally in that the force exerted intentionally on the user interface can be assumed to be exerted at locations on the user interface which are indicated by a graphic signal to the operator as Key element are recognizable. This allows irrelevant forces to be ignored.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mittels eines Kalibrierverfahrens jeder ausgeübten Kraft genau eine Detektionsauslenkung zugeordnet wird. Da ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Auslenkung der Bedienoberfläche und der Detektionsauslenkung unter Umständen nicht konstant sein kann und ein Zusammenhang zwischen ausgeübter Kraft und der Auslenkung der Bedienoberfläche unter Umständen nicht linear sein kann, kann es von Vorteil sein, einen Zusammenhang zwischen ausgeübter Kraft und der Detektionsauslenkung empirisch zu bestimmen.In an advantageous development of the method according to the invention, it can be provided that a calibration method is used to assign exactly one detection deflection to each force exerted. Since a transmission ratio between the deflection of the user interface and the detection deflection may not be constant and a relationship between the applied force and the deflection of the user interface may not be linear, it can be advantageous to establish a relationship between the applied force and the detection deflection empirically to determine.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der gemessenen Detektionsauslenkung die Bedienoberfläche derart beschleunigt wird, dass einem Bediener eine Kraftrückmeldung gegeben wird. Eine derartige Kraftrückmeldung verdeutlicht dem Bediener vorteilhafter Weise, dass dieser eine Kraft auf die Bedienoberfläche ausgeübt hat.In an advantageous development of the method according to the invention, it can be provided that the user interface is accelerated as a function of the measured detection deflection in such a way that force feedback is given to an operator. Such a force feedback advantageously makes it clear to the operator that he has exerted a force on the user interface.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen prinzipmäßig dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown in principle using the drawings.

Es zeigt

1 eine Seitensicht einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
3 eine Seitensicht einer weiteren möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

It shows

1 a side view of a device according to the prior art;
2 a side view of a possible embodiment of a device according to the invention; and
3 a side view of another possible embodiment of a device according to the invention.

1 zeigt prinzipmäßig eine Seitenansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 1. Eine Bedienoberfläche 2 ist auf einem Bediengrundkörper 3 angeordnet. Eine auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübte Kraft 4 führt zu einer Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 aus ihrer Ruhelage 6. Die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 aus ihrer Ruhelage 6 ist mittels einer Messeinrichtung 7 messbar. Die Messeinrichtung 7 umfasst hierbei eine wenigstens einen Lichtstrahl 8 aussendende Sendeeinrichtung 9, eine den wenigstens einen Lichtstrahl 8 ablenkende Ablenkungseinrichtung 10 sowie eine den wenigstens einen Lichtstrahl 8 detektierende Detektionseinrichtung 11. Mittels der Detektionseinrichtung 11 kann eine Detektionsposition 12 des wenigstens einen Lichtstrahls 8 bestimmt werden. Hierbei ergibt sich die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 aus einer durch die ausgeübte Kraft 4 bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche 2 und andererseits mit einem Basisbereich 13 verbundenen Feder 14. 1 shows the principle of a side view of a device 1 known from the prior art. A force 4 exerted on the user interface 2 leads to a deflection 5 of the user interface 2 from its rest position 6 . The deflection 5 of the user interface 2 from its rest position 6 can be measured using a measuring device 7 . The measuring device 7 comprises a transmission device 9 that emits at least one light beam 8, a deflection device 10 that deflects the at least one light beam 8, and a detection device 11 that detects the at least one light beam 8. A detection position 12 of the at least one light beam 8 can be determined by means of the detection device 11. The deflection 5 of the user interface 2 results from an elastic deformation, caused by the force 4 exerted, of a spring 14 that is at least indirectly connected to the user interface 2 on the one hand and to a base area 13 on the other.

Darüber hinaus ist eine Umrechnungseinrichtung 15 zum Bestimmen der auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübten Kraft 4 aus einer Detektionsauslenkung 16 der Detektionsposition 12 aus einer Detektionsruhelage 17 als Teil der Vorrichtung 1 vorgesehen. Mittels der Umrechnungseinrichtung 15 kann durch beispielsweise Triangulation aus der Detektionsauslenkung 16 die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 berechnet werden.In addition, a conversion device 15 for determining the force 4 exerted on the user interface 2 from a detection deflection 16 of the detection position 12 from a detection rest position 17 is provided as part of the device 1 . The conversion device 15 can be used, for example, to calculate the deflection 5 of the user interface 2 from the detection deflection 16 by triangulation.

2 zeigt prinzipmäßig eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Ablenkungseinrichtung 10 ist in der vorliegenden Ausführungsform an der Feder 14 derart angeordnet, dass sich durch eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 genau eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruheorientierung 19 ergibt. 2 shows a side view of a possible embodiment of the device 1 according to the invention. In the present embodiment, the deflection device 10 is arranged on the spring 14 in such a way that a deflection 5 of the user interface 2 results in a tilting 18 of the deflection device 10 from a rest orientation 19.

In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinrichtung 9 als Infrarot-Diode, bzw. IR-Diode, ausgebildet, wodurch der Lichtstrahl 8 als IR-Strahl ausgebildet ist. Alternativ können andere Wellenlängen verwendet werden.in the in 2 illustrated embodiment, the transmission device 9 is designed as an infrared diode or IR diode, whereby the light beam 8 is designed as an IR beam. Alternatively, other wavelengths can be used.

Die Sendeeinrichtung 9 kann in einer anderen Ausführungsform beispielsweise als andersartige lichtemittierende Diode und/oder als Laser ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Sendeeinrichtung 9 eine Kollimationseinrichtung umfasst, welche von der Sendeeinrichtung 9 ausgehendes Licht zu einem Lichtstrahl 8 bündelt. Die Kollimationseinrichtung kann hierbei beispielsweise durch eine oder mehrere Linsen ausgebildet sein. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass von der Sendeeinrichtung 9 ausgehendes Licht durch eine andere Optik und/oder eine Blende gerichtet wird.In another embodiment, the transmission device 9 can be embodied, for example, as a different type of light-emitting diode and/or as a laser. Furthermore, it can be provided that the transmission device 9 comprises a collimation device, which bundles light emitted by the transmission device 9 into a light beam 8 . In this case, the collimation device can be formed, for example, by one or more lenses. As an alternative, it can also be provided that the light emanating from the transmitting device 9 is directed through other optics and/or a diaphragm.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Messeinrichtung 7 von Licht aus einer Umgebung abgeschirmt ausgebildet ist. Durch eine Vermeidung von Streulicht kann ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Signals des Lichtstrahls 8 auf der Detektionseinrichtung 11 und damit die Bestimmung der Detektionsposition 12 vorteilhaft verbessert werden.Furthermore, it can be advantageous if the measuring device 7 is shielded from light from an environment. By avoiding scattered light, a signal-to-noise ratio of the signal of the light beam 8 on the detection device 11 and thus the determination of the detection position 12 can be advantageously improved.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn Bauteile der Vorrichtung 1, welche in der Nähe des Lichtstrahls 8 angeordnet sind, gering lichtreflektierend sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Bauteile beispielsweise diffus reflektierend und/oder lichtabsorbierend ausgebildet sind. Hierdurch kann die Bestimmung der Detektionsposition 12 durch eine Vermeidung unerwünschter Lichtreflexe vorteilhaft verbessert werden.Furthermore, it can be advantageous if components of the device 1 which are arranged in the vicinity of the light beam 8 are slightly light-reflecting. In particular, it can be provided that the components are designed, for example, to be diffusely reflective and/or light-absorbing. This allows the determination of the detection position 12 can be advantageously improved by avoiding unwanted light reflections.

Zur Bestimmung der Detektionsposition 12 kann vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung 11 einen Massenmittelpunkt, bzw. englisch center-ofmass, der Lichtintensitätsverteilung auf der Detektionseinrichtung 11 bestimmt. Hierdurch kann die Detektionsposition 12 vorteilhaft robust und rechnerisch wenig aufwendig bestimmt werden.To determine the detection position 12 it can be provided that the detection device 11 determines a center of mass of the light intensity distribution on the detection device 11 . In this way, the detection position 12 can advantageously be determined in a robust manner and with little computational effort.

Wie aus einem Vergleich der 1 und der 2 ersichtlich, sind die Feder 14 und die Ablenkungseinrichtung 10 derart ausgebildet und die Ablenkungseinrichtung ist an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet, dass sich durch eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 genau eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruheorientierung 19 derart ergibt, dass sich eine Detektionsauslenkung 16 ergibt, welche verglichen mit einer Detektionsauslenkung ohne die Verkippung der Ablenkungseinrichtung 10 verstärkt ist.As from a comparison of 1 and the 2 As can be seen, the spring 14 and the deflection device 10 are designed in such a way and the deflection device is arranged at least indirectly on the spring in such a way that a deflection 5 of the user interface 2 results in a tilting 18 of the deflection device 10 from a rest orientation 19 in such a way that a Detection deflection 16 results, which is increased compared to a detection deflection without the tilting of the deflection device 10.

Ferner ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel die Ablenkungseinrichtung 10 an der Feder 14 wenigstens mittelbar derart angeordnet, dass sich durch eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 genau eine Auslenkung 20 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruhelage 21 der Ablenkungseinrichtung 10 ergibt, die verglichen mit der Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 gleich groß oder weniger groß ist.Furthermore, in the present exemplary embodiment, deflection device 10 is arranged at least indirectly on spring 14 in such a way that a deflection 5 of user interface 2 results in exactly one deflection 20 of deflection device 10 from a rest position 21 of deflection device 10, which compared to deflection 5 of the user interface 2 is the same size or less.

Die Auslenkung 20 der Ablenkungseinrichtung 10 ist hierbei beispielsweise der Abstand der Position des Schwerpunkts der Ablenkungseinrichtung 10 von dessen Ruhelage 21.The deflection 20 of the deflection device 10 is, for example, the distance between the position of the center of gravity of the deflection device 10 and its rest position 21.

Dadurch, dass sich genau eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 ergibt, ist eine eindeutige Zuordnung jeder Detektionsauslenkung 16 zu jeder Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 möglichDue to the fact that there is exactly one tilting 18 of the deflection device 10, an unambiguous assignment of each detection deflection 16 to each deflection 5 of the user interface 2 is possible

Ferner ist aus 2 ersichtlich, dass die Feder 14 eine Blattfeder ist, welche eine Kröpfung 22 aufweist, wobei die Ablenkungseinrichtung 10 in einem Bereich der Kröpfung 22 angeordnet ist.Furthermore is off 2 It can be seen that the spring 14 is a leaf spring which has a bend 22, the deflection device 10 being arranged in a region of the bend 22.

Ferner beträgt in vorliegendem Ausführungsbeispiel die Länge der Kröpfung 22 weniger als das Dreifache der maximalen Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2. Die maximale Auslenkung ist dabei diejenige Auslenkung 5, von welcher angenommen werden kann, dass sie bei beabsichtigter Kraftausübung auf die Bedienoberfläche 10 in weniger als 5 Prozent der Fälle überschritten wird.Furthermore, in the present exemplary embodiment, the length of the offset 22 is less than three times the maximum deflection 5 of the user interface 2. The maximum deflection is that deflection 5 which can be assumed to occur in less than 5 percent of cases is exceeded.

3 zeigt eine weitere prinzipmäßige Ansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierbei fallen die Sendeeinrichtung 9 und die Ablenkungseinrichtung 10 zusammen. Der Lichtstrahl 8 wird hierbei direkt von der Sendeeinrichtung 9 auf die Detektionseinrichtung 11 geworfen. Eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 führt zu einer Verkippung 18 der Sendeeinrichtung 9, bzw. der Ablenkungseinrichtung 10. Sowohl die Sendeeinrichtung 9 als auch die Ablenkungseinrichtung 10 sind hierbei an der Kröpfung 22 der Feder 14 angeordnet. 3 shows a further basic view of a possible embodiment of the device 1 according to the invention. In this case, the transmission device 9 and the deflection device 10 coincide. In this case, the light beam 8 is thrown directly from the transmission device 9 onto the detection device 11 . A deflection 5 of the user interface 2 leads to a tilting 18 of the transmission device 9 or the deflection device 10 . Both the transmission device 9 and the deflection device 10 are here arranged on the bend 22 of the spring 14 .

Eine beispielsweise in 2 oder 3 dargestellte Vorrichtung 1 eignet sich beispielsweise zur Durchführung eines Verfahrens zur Messung einer auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübten Kraft 4, wobei als eine Messgröße eine Detektionsauslenkung 16 einer Detektionsposition 12 aus einer Detektionsruhelage 17 bestimmt wird. Hierbei ergibt sich die Detektionsauslenkung 16 aus einer durch die ausgeübte Kraft 4 bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche 2 und andererseits mit einem Basisbereich 13 verbundenen Feder 14. Dabei wird ein Lichtstrahl 8 von einer Sendeeinrichtung 9 ausgehend von einer Ablenkungseinrichtung 10 abgelenkt und von einer Detektionseinrichtung 11 detektiert. Die Detektionseinrichtung 11 bestimmt die Detektionsauslenkung 16 des Lichtstrahls 8 auf wenigstens eindimensional ortsaufgelöste Art und Weise. Ferner wird die auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübte Kraft aus der gemessenen Detektionsauslenkung 16 mittels einer Umrechnungseinrichtung 15 bestimmt. Dadurch, dass die Ablenkungseinrichtung 10 an der Feder 14 derart angeordnet ist, dass durch eine elastische Verformung der Feder 14 eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruheorientierung 19 eingestellt wird, wird eine Verstärkung der Detektionsauslenkung 16 durch die Verkippung 18 bewirkt. Insbesondere wird die Detektionsauslenkung 16 verstärkt im Vergleich zu derjenigen Detektionsauslenkung 16, welche sich aus einer Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 ohne eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 ergeben würde.For example, in 2 or 3 The device 1 shown is suitable, for example, for carrying out a method for measuring a force 4 exerted on the user interface 2, a detection deflection 16 of a detection position 12 from a detection rest position 17 being determined as a measured variable. In this case, the detection deflection 16 results from an elastic deformation, caused by the force 4 exerted, of a spring 14 which is connected at least indirectly to the user interface 2 on the one hand and to a base region 13 on the other hand detected by a detection device 11. The detection device 11 determines the detection deflection 16 of the light beam 8 in at least one-dimensional spatially resolved manner. Furthermore, the force exerted on the user interface 2 is determined from the measured detection deflection 16 by means of a conversion device 15 . Due to the fact that the deflection device 10 is arranged on the spring 14 such that a tilting 18 of the deflection device 10 from a rest orientation 19 is set by an elastic deformation of the spring 14 , the detection deflection 16 is amplified by the tilting 18 . In particular, the detection deflection 16 is amplified compared to that detection deflection 16 which would result from a deflection 5 of the user interface 2 without a tilting 18 of the deflection device 10 .

Vorteilhafterweise kann beispielsweise mit einer in 2 dargestellten Vorrichtung 1 auch eine Ortsbestimmung der Wirkung der ausgeübten Kraft 4 auf die Bedienoberfläche 2 durchgeführt werden.Advantageously, for example, with an in 2 The device 1 shown can also be used to determine the location of the effect of the force 4 exerted on the user interface 2 .

Weiterhin kann auch ein Kalibrierverfahren vorgesehen sein, um jeder ausgeübten Kraft 4 genau eine Detektionsauslenkung 16 zuzuordnen. Dies kann insbesondere dadurch notwendig werden, dass sich die Übersetzungsverhältnisse zwischen der Kraft 4 und der Detektionsauslenkung 16 nicht mehr analytisch berechnen lassen. Eine Möglichkeit der analytischen Berechnung kann beispielsweise durch eine komplexe Geometrie der Feder 14 eingeschränkt sein.Furthermore, a calibration method can also be provided in order to assign exactly one detection deflection 16 to each force 4 exerted. This can become necessary in particular because the transmission ratios between the force 4 and the detection deflection 16 can no longer be calculated analytically. A possibility of the analytical calculation can be restricted, for example, by a complex geometry of the spring 14 .

Um dem Bediener eine Kraftrückmeldung zu geben, kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der gemessenen Detektionsauslenkung 16 die Bedienoberfläche 2 beschleunigt wird. Um eine Beschleunigung der Bedienoberfläche 2 zu bewirken, ist eine Beschleunigungseinrichtung (nicht dargestellt) bzw. ein Aktuator, insbesondere ein Elektromagnet, vorgesehen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bedienoberfläche 2 oszillierend beschleunigt wird, sodass sich eine Vibration der Bedienoberfläche 2 ergibt.In order to give the operator force feedback, provision can be made for the user interface 2 to be accelerated as a function of the measured detection deflection 16 . In order to bring about an acceleration of the user interface 2, an acceleration device (not shown) or an actuator, in particular an electromagnet, is provided. Provision can be made, for example, for the user interface 2 to be accelerated in an oscillating manner, so that the user interface 2 vibrates.

Es kann auch von Vorteil sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 um eine Drehachse verkippbar ist, welche senkrecht zu einer Triangulationsebene der Messeinrichtung 7 ausgerichtet ist. Hierdurch führt eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung 10 zu einer Detektionsauslenkung 16, welche sich von der Detektionsruhelage 15 zu der Detektionsposition 12 parallel zu der Triangulationsebene erstreckt. Insbesondere kann beispielsweise ein streifenförmiger Lichtsensor als Detektionseinrichtung 11 linear in der Triangulationsebene angeordnet sein.It can also be advantageous that the deflection device 10 can be tilted about an axis of rotation which is aligned perpendicular to a triangulation plane of the measuring device 7 . As a result, a tilting of the deflection device 10 leads to a detection deflection 16 which extends from the detection rest position 15 to the detection position 12 parallel to the triangulation plane. In particular, for example, a strip-shaped light sensor can be arranged linearly in the triangulation plane as the detection device 11 .

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Detektionseinrichtung 11 als Infrarotempfänger, bzw. IR-Empfänger ausgebildet. Insbesondere ist die Detektionseinrichtung 11 als ladungsgekoppeltes Zeilenbauteil bzw. CCD-Zeile ausgebildet.In the present exemplary embodiment, the detection device 11 is designed as an infrared receiver or IR receiver. In particular, the detection device 11 is designed as a charge-coupled line component or CCD line.

In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung 11 aus mehreren, geeignet kombinierten IR-Empfängern und/oder einer oder mehreren Dioden und/oder einem oder mehreren anderen optisch sensitiven Bauteilen ausgebildet ist.In another embodiment, it can be provided that the detection device 11 is formed from a plurality of suitably combined IR receivers and/or one or more diodes and/or one or more other optically sensitive components.

In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Ablenkungseinrichtung 10 als planarer Spiegel ausgebildet. Hierdurch gehorcht die Ablenkung des Lichtstrahls 8 einem Reflexionsgesetz. Allerdings kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 den Lichtstrahl 8 einem anderen Gesetz als dem Reflexionsgesetz folgend ablenkt.In the present exemplary embodiment, the deflection device 10 is designed as a planar mirror. As a result, the deflection of the light beam 8 obeys a law of reflection. However, it can be provided that the deflection device 10 deflects the light beam 8 according to a law other than the law of reflection.

In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Ablenkungseinrichtung 10 ferner als planarer dielektrischer Spiegel ausgebildet. Ein dielektrischer Spiegel hat hierbei den Vorteil, dass er hohe Reflektivitäten und geringe Kosten aufweist.In the present exemplary embodiment, the deflection device 10 is also designed as a planar dielectric mirror. A dielectric mirror has the advantage here that it has high reflectivities and low costs.

Es kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 beispielsweise ein Parabolspiegel ist, wodurch eine ähnliche Verstärkung der Detektionsauslenkung 16 bzw. eine Verkippung des Lichtstrahls 8 erzielt werden kann.In a further embodiment, it can be provided that the deflection device 10 is a parabolic mirror, for example, whereby a similar amplification of the detection deflection 16 or a tilting of the light beam 8 can be achieved.

Insbesondere kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 ein Hohlspiegel und/oder ein Wölbspiegel ist, welcher ein Teil der Feder 14 ist und welcher seine Brennweite durch eine elastische Verformung der Feder 14 durch die Kraft 4 ändert. Hierdurch kann beispielsweise ein Lichtstrahl 8 entweder abgelenkt oder auch abhängig von der Kraft 4 bzw. der Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 fokussiert oder defokussiert werden. Durch eine kraftabhängige Fokussierung des Lichtstrahls 8 kann eine Kraft 4 anstatt durch eine Detektionsposition 12 durch eine Detektionsintensität bestimmt werden. Auch hierfür kann ein Kalibrationsverfahren vorgesehen sein, um eine Zuordnung zwischen Detektionsintensität und der ausgeübten Kraft zu bestimmen.In particular, in a further embodiment it can be provided that the deflection device 10 is a concave mirror and/or a convex mirror, which is part of the spring 14 and which changes its focal length through an elastic deformation of the spring 14 by the force 4 . In this way, for example, a light beam 8 can either be deflected or focused or defocused depending on the force 4 or the deflection 5 of the user interface 2 . By force-dependent focusing of the light beam 8, a force 4 can be determined by a detection intensity instead of by a detection position 12. A calibration method can also be provided for this in order to determine an association between the detection intensity and the force exerted.

Die genannten Ausführungsformen und Bauformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 haben den Vorteil, dass die Kraftmesseinrichtung 1 sehr kompakt und platzsparend realisiert werden kann.The mentioned embodiments and designs of the device 1 according to the invention have the advantage that the force-measuring device 1 can be implemented in a very compact and space-saving manner.

Dies zeigt sich insbesondere daran, dass beispielsweise eine Verkürzung der Kröpfung 22 im Vergleich zu der Auslenkung 5 zu einer größeren Verstärkung der Detektionsauslenkung 16 führt. Eine Kompaktierung der Bauform führt hierbei demnach zu einer Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.This is particularly evident from the fact that, for example, a shortening of the bend 22 compared to the deflection 5 leads to a greater amplification of the detection deflection 16 . A compacting of the design accordingly leads to an improvement in the signal-to-noise ratio.

Hierzu kann das Verhältnis zwischen Auslenkung 5 und Detektionsauslenkung 16 für beispielsweise eine in 1 aus dem Stand der Technik bekannte Kraftmesseinrichtung auf Grundlage eines Triangulationsverfahrens beachtet werden.For this purpose, the ratio between deflection 5 and detection deflection 16 for, for example, an in 1 known from the prior art force measuring device based on a triangulation method.

Hieraus ergibt sich, dass ein Verstärkungsfaktor lediglich durch eine minimale Länge bzw. maximale Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 limitiert ist.From this it follows that an amplification factor is only limited by a minimum length or maximum tilting 18 of the deflection device 10 .

Um eine insbesondere bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug vorteilhafte Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Schwingungen zu erzielen, kann es von besonderem Vorteil sein, beispielsweise eine Feder 14 im Bereich der Kröpfung 22 besonders elastisch zu machen, sofern die Kröpfung 22 nur eine sehr geringe Länge aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kröpfung 22 lediglich eine Länge von weniger als einem Millimeter bzw. von Bruchteilen eines Millimeters Länge, jedoch bei beispielsweise einer Kraft von 1 Newton, welche auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübt wird, bereits um einen Winkel von 45° verkippt wird. Hierdurch kann eine deutlich verstärkte Detektionsauslenkung 16 bewirkt werden.In order to achieve insensitivity to vibrations and oscillations, which is particularly advantageous when used in a motor vehicle, it can be of particular advantage, for example, to make a spring 14 particularly elastic in the area of the bend 22 if the bend 22 is only very short. In particular, it can be provided that the bend 22 only tilts a length of less than one millimeter or fractions of a millimeter in length, but already at an angle of 45° with a force of 1 Newton, for example, which is exerted on the user interface 2 will. A significantly increased detection deflection 16 can be brought about as a result.

In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Feder 14 in einem Bereich der Kröpfung 22 weniger steif ist, da die beispielsweise dünner ist, ist als in anderen Bereichen. Die Feder 14 gehorcht also in verschiedenen Größenbereichen der Kraft 4 jeweils einem anderen Federgesetz. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Kröpfung 22 eine sehr geringe Länge von Bruchteilen von einem Millimeter aufweist. Wird eine Kraft 4 auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübt, so wird bereits bei geringer Kraft 4 die Feder 14 im Bereich der Kröpfung 22 stark deformiert und somit die Ablenkungseinrichtung 10 stark verkippt. Durch die geringe Länge der Kröpfung ist die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 jedoch auf eine sehr geringe maximale Auslenkung 5 begrenzt. Wird die maximale Auslenkung 5 überschritten, beispielsweise weil die Kröpfung 22 annähernd vollständig in eine Richtung der Kraft 4 ausgerichtet ist, gehorcht die Feder 14 einem anderen Federgesetz und ist steifer. Hierdurch wird ein Eindruck einer hohen Stabilität erzielt, während zugleich eine vorteilhaft starke Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 bewirkt werden kann.In a further embodiment it can be provided that the spring 14 is less stiff in a region of the bend 22, since the example wise thinner than other areas. The spring 14 thus obeys a different spring law in different magnitude ranges of the force 4 in each case. Provision can be made here for the bend 22 to have a very small length of fractions of a millimeter. If a force 4 is exerted on the user interface 2, the spring 14 is severely deformed in the area of the offset 22 even with a low force 4, and the deflection device 10 is thus severely tilted. Due to the small length of the offset, however, the deflection 5 of the user interface 2 is limited to a very small maximum deflection 5 . If the maximum deflection 5 is exceeded, for example because the bend 22 is aligned almost completely in one direction of the force 4, the spring 14 obeys a different spring law and is stiffer. This gives the impression of high stability, while at the same time an advantageously strong tilting 18 of the deflection device 10 can be brought about.

Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass eine Auslenkung 5, welche durch eine auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübte Kraft 4 bedingt ist, zu einer Detektionsauslenkung führt, welche in Abhängigkeit von der ausgeübten Kraft eine andere Richtung gegenüber der Detektionsruhelage 17 aufweist. In diesem Falle ist die Detektionseinrichtung 11 zur zweidimensionalen Detektion der Detektionsposition 12 eingerichtet. Beispielsweise kann die Detektionseinrichtung 11 als Quadrantenphotodiode bzw. QPD ausgebildet sein.It can also be provided that the deflection device is designed in such a way that a deflection 5, which is caused by a force 4 exerted on the user interface 2, leads to a detection deflection which, depending on the force exerted, has a different direction compared to the detection rest position 17 . In this case, the detection device 11 is set up for the two-dimensional detection of the detection position 12 . For example, the detection device 11 can be designed as a quadrant photodiode or QPD.

Durch eine Übersetzung einer Kraft 4 in eine Richtung der Detektionsauslenkung 16 anstatt in einen Absolutbetrag der Detektionsauslenkung 16, kann vorteilhafter Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Translating a force 4 in a direction of the detection deflection 16 instead of in an absolute amount of the detection deflection 16 can advantageously improve the signal-to-noise ratio.

Eine richtungsabhängige Ablenkung des Lichtstrahls 8 ergibt sich beispielsweise durch Ablenkungseinrichtung 10, welche einen Astigmatismus aufweist.A direction-dependent deflection of the light beam 8 results, for example, from the deflection device 10, which has an astigmatism.

Ein weiterer Vorteil einer zweidimensional arbeitenden Detektionseinrichtung 11 ist, dass beispielsweise eine Richtung einer auf die Oberfläche 2 ausgeübten Kraft 4 festgestellt werden kann. Hierdurch können vorteilhafter Weise beispielsweise Richtungsanzeigen eines Bedieners berücksichtigt werden.A further advantage of a two-dimensionally working detection device 11 is that, for example, a direction of a force 4 exerted on the surface 2 can be determined. In this way, for example, direction indicators from an operator can advantageously be taken into account.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 um eine variable Drehachse verkippbar ist. Durch eine aus der Triangulationsebene weisende Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 kann beispielsweise ermöglicht werden, dass die Detektionseinrichtung 11 in eine Richtung außerhalb der Triangulationsebene orientiert wird. Hierdurch kann unter Umständen eine vorteilhaft verbesserte Ausnutzung eines zur Verfügung stehenden Bauraumes erzielt werden. Insbesondere kann auch eine Richtung der Kraftausübung parallel zu der Bedienoberfläche 2 berücksichtigt werden.It can be provided that the deflection device 10 can be tilted about a variable axis of rotation. A tilting 18 of the deflection device 10 pointing out of the triangulation plane can make it possible, for example, for the detection device 11 to be oriented in a direction outside the triangulation plane. In this way, under certain circumstances, an advantageously improved utilization of an available installation space can be achieved. In particular, a direction in which the force is exerted parallel to the user interface 2 can also be taken into account.

Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 um eine Drehachse verkippbar ist, welche an der Ablenkungseinrichtung 10 angeordnet ist und/oder mindestens in unmittelbarer Nähe zu der Ablenkungseinrichtung 10 angeordnet ist.Advantageously, it can also be provided that the deflection device 10 can be tilted about an axis of rotation, which is arranged on the deflection device 10 and/or is arranged at least in the immediate vicinity of the deflection device 10 .

Hierdurch wird sichergestellt, dass die Ablenkungseinrichtung 10 selbst nur eine geringe Auslenkung 20 erfährt, während die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 um ein Vielfaches größer sein kann. Hierdurch wird wiederum eine kompakte Bauweise begünstigt, was insbesondere bei einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug von großem Vorteil ist.This ensures that the deflection device 10 itself experiences only a small deflection 20, while the deflection 5 of the user interface 2 can be many times greater. This in turn promotes a compact design, which is of great advantage in particular when used in a motor vehicle.

Ein weiterer Vorteil der zu einer relativ steifen Feder 14 führenden Federkonstante von 50 Newton pro Millimeter, bzw. N/mm, bis 100 N/mm ist eine hieraus resultierende hohe Eigenfrequenz bei einer unerwünschten Schwingung des Bediengrundkörpers 3, welche unter Umständen für einen Bediener nicht mehr störend wahrnehmbar sein kann. Eine Feder 14 mit einer Federkonstante von beispielsweise 50 N/mm kann bei einer, beispielsweise durch den Bediengrundkörper 3 und die Bedienoberfläche 2 aufgebrachten, Belastung mit einer Masse von 0,5 Kilogramm eine Eigenfrequenz von ungefähr 50 Hertz aufweisen.Another advantage of the spring constant of 50 Newtons per millimeter, or N/mm, to 100 N/mm, which leads to a relatively stiff spring 14, is a resulting high natural frequency in the event of an undesirable vibration of the operating base body 3, which an operator may not feel can be more disturbingly noticeable. A spring 14 with a spring constant of 50 N/mm, for example, can have a natural frequency of approximately 50 Hertz when subjected to a load with a mass of 0.5 kilograms applied, for example, by the operating base body 3 and the operating surface 2 .

Claims

Device (1) for measuring a force (4) exerted on a user interface (2), with a measuring device (7) for measuring a deflection of the user interface (2) from a rest position (6), the measuring device (7) having at least one light beam (8) emitting transmission device (9), a deflection device (10) that deflects the at least one light beam (8) and a detection device (11) that detects the at least one light beam (8) for determining a detection position (12) of the at least one light beam (8) wherein the deflection (5) of the operating surface (2) results from an elastic deformation, caused by the force (4) exerted, of a spring (14) which is at least indirectly connected to the operating surface (2) on the one hand and to a base area (13) on the other hand , and with a conversion device (15) for determining the force (4) exerted on the user interface (2) from a detection deflection (16) of the detection position (12) from a detection rest position (17), wherein the deflection device (10) is arranged at least indirectly on the spring (14) in such a way that a deflection (5) of the user interface (2) results in exactly one tilting (18) of the deflection device (10) from a rest orientation (19), characterized in that the spring (14) is a leaf spring having a bend (22), the deflection device (10) being arranged in a region of the bend (22).

device after claim 1 , characterized in that the spring (14) and the deflection device (10) are designed in such a way and/or the deflection device (10) is arranged at least indirectly on the spring (14) in such a way that a deflection (5) of the operating surface ( 2) exactly one tilting (18) of the deflection device (10) from a rest orientation (19) results in such a way that a detection deflection (16) results, which is increased compared to a detection deflection without the tilting of the deflection device (10).

Device according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the deflection device (10) is arranged at least indirectly on the spring (14) in such a way that a deflection (5) of the operating surface (2) causes exactly one deflection (20) of the deflection device (10) from a rest position ( 21) which is equal to or less than the deflection (5) of the user interface (2).

Device according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the length of the bend (22) corresponds at most to three times a maximum deflection (5) of the operating surface (2).

Device according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the deflection device (10) is designed as a mirror.

Method for measuring a force (4) exerted on an operating surface (2), a detection deflection (16) of a detection position (12) from a detection rest position (17) being determined as a measured variable, the detection deflection (16) resulting from a exerted force (4) results in elastic deformation of a spring (14) connected at least indirectly to the operating surface (2) on the one hand and to a base area (13) on the other hand, with a light beam (8) from a transmitting device (9) starting from a deflection device ( 10) is deflected and is detected by a detection device (11), the detection deflection (16) of the light beam (8) being determined by the detection device (11) with at least one-dimensional spatial resolution, and the force (4 ) is determined from the measured detection deflection (16) by means of a conversion device (15), the deflection device (10) on of the spring (14) is arranged at least indirectly in such a way that a tilting (18) of the deflection device (10) from a rest orientation (19) is set by elastic deformation of the spring (14), the tilting (18) increasing the detection deflection (16), compared to a detection deflection without tilting, the detection deflection (16) being measured, characterized in that the spring (14) is a leaf spring which has an offset (22), the deflection device (10) being in a region the offset (22) is arranged.

procedure after claim 6 , characterized in that a localization of the effect of the force (4) exerted on the user interface (2) is carried out.

procedure after claim 6 or 7 , characterized in that exactly one detection deflection (16) is assigned to each exerted force (4) by means of a calibration method.

Procedure according to one of Claims 6 until 8th , characterized in that depending on the measured detection deflection (16), the user interface (2) is accelerated in such a way that a force feedback is given to an operator.