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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Benutzerschnittstelle, z.B. eine Steuerkonsole oder eine Steuerplatine mit einer oder mehreren Tasten, mit mindestens einem Widerstandskraftsensor zur Ermittlung der von einem Benutzer aufgebrachten Kraft. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Benutzerschnittstelle, z. B. eine Steuerkonsole oder eine Steuerplatine, die mindestens einen innovativen Widerstandskraftsensor umfasst.
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Es sind Tasten, Steuerkonsolen und/oder Steuerplatinen bekannt, die Folgendes umfassen: eine Kontaktfläche, die dazu geeignet ist, von einem Benutzer gedrückt zu werden, und eine Vorrichtung, die dazu geeignet ist, die vom Benutzer auf die genannte Kontaktfläche ausgeübte Kraft zu erfassen.
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Die Krafterfassung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, z. B. mit einem Infrarotsensor oder einem kapazitiven Sensor, der die Positionsänderung der Kontaktfläche oder eines damit verbundenen Elements messen kann, dessen Bewegung durch eine Schraubenfeder ausgeglichen wird. Die Infrarotlösung ist besonders kostspielig und schwierig auf einer Steuerplatine zu realisieren. Kapazitive Lösungen sind zwar weniger kostspielig, aber nicht zuverlässig, wenn einige Komponenten der zu messenden Kraft nicht rechtwinklig zur Kontaktfläche verlaufen.
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Es sind auch einige Lösungen zur Bestimmung der auf eine Oberfläche ausgeübten Kraft bekannt, die ein Widerstandssystem verwenden, z. B. Dehnungsmessstreifen-Sensoren oder Strukturen, auf denen Tinte mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebracht ist. Solche Lösungen haben eine inhärente Einschränkung, die im Wesentlichen auf den Kraftbereich zurückzuführen ist, den sie erfassen können; tatsächlich können solche Sensortypen nur für Anwendungen verwendet werden, bei denen die aufgebrachten Kräfte 20N überschreiten. Außerdem können sie sehr große Applikationsflächen erfordern, so dass sie nicht miniaturisiert werden können und/oder keine Bewegung der Oberfläche, auf die die Kraft ausgeübt wird, zulassen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass Bedienpulte oder - tafeln sowie Tasten bei Krafteinwirkung, die jedoch 5N nicht überschreitet, durch Bewegung reagieren und damit die entsprechende Funktion auslösen müssen.
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Darüber hinaus besteht im Automobilbereich ein zunehmender Bedarf an innovativen Lösungen, die in der Lage sind, die Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, und insbesondere an Kraftsensoren, die in der Lage sind, Kräfte von weniger als 5N zu erfassen und genaue Messwerte mit geringer Unsicherheit zu liefern, wobei die Messwerte durch Kräfte, die quer zu den senkrecht auf die Kontaktfläche einwirkenden Kräften verlaufen, nicht beeinträchtigt werden dürfen.
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Die derzeit bekannten Lösungen erlauben weder eine Verringerung der Herstellungskosten noch eine Miniaturisierung dieser Technologie für die Anwendung auf Steuerplatinen oder Tasten, selbst wenn diese klein sind, und dennoch eine hohe Genauigkeit gewährleisten.
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Darüber hinaus ist keine der derzeit bekannten Lösungen in der Lage, die aufgebrachte Kraft korrekt zu erfassen, wenn der Schlüssel einen Weg zurücklegen muss, insbesondere wenn der Weg des Schlüssels höchstens 1 mm beträgt.
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Aus der deutschen Patentanmeldung zum Gebrauchsmuster Nr.
DE202009005995U1 ist ein elektrischer Schalter mit einem beweglichen Betätigungselement bekannt, das bei Krafteinwirkung ausweicht und ein benachbartes elektrisches Schaltelement eines Stromkreises beeinflusst. Das elektrische Schaltelement ist als Dehnungsmessstreifen ausgebildet. Der Dehnungsmessstreifen ist Teil eines verformbaren Trägers und der Träger ist Teil einer elektrischen Leiterplatte.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE102014018497A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Hupenbetätigungssignals unter Verwendung eines Dynamometers, das in einem Lenkrad angeordnet ist, bekannt. Das Dynamometer ändert seinen ohmschen Widerstand, wenn es mit Spannung beaufschlagt und/oder durch ein Kraftübertragungsteil des Lenkrades verformt wird, so dass das Dynamometer seinen ohmschen Widerstand ändert, wenn eine äußere Kraft auf das Kraftübertragungsteil ausgeübt wird. Das Verfahren umfasst eine permanente Messung einer aktuellen Spannung, die vom ohmschen Widerstand des Kraftmessers abhängt. Das Signal zur Hupenbetätigung wird auf der Grundlage der Messung der Ist-Spannung erzeugt. Um auch bei Verwendung preiswerter Standardelektronik zuverlässige Hupenbetätigungssignale zu liefern, hängt die Ist-Spannung neben dem Widerstand des Dynamometers von einer variablen Spannung ab, die von einer Erzeugungseinrichtung für die variable Spannung erzeugt wird, und das Ergebnis der Messung der Ist-Spannung wird permanent mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Die variable Spannung wird in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Ergebnis der Messung der Ist-Spannung und dem vorgegebenen Wert permanent verändert, zumindest solange kein Hupenansteuersignal erzeugt wird, so dass ein Regelkreis für die Ist-Spannung entsteht.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese und andere technische Probleme zu lösen, indem sie eine innovative Lösung für die Herstellung einer Benutzerschnittstelle, z. B. einer Steuerkonsole, bereitstellt, die mindestens einen innovativen Widerstandskraftsensor umfasst.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Benutzerschnittstelle, z. B. ein Bedienpult oder eine Steuertafel, mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1.
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Die Merkmale und Vorteile der Benutzerschnittstelle gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Lichte der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen deutlich, wobei:
- - 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Benutzerschnittstelle in Form einer Steuerkonsole gemäß der vorliegenden Erfindung;
- - 2 zeigt eine Schnittdarstellung relativ zu einer vertikalen Ebene der Benutzerschnittstelle von 1, die eine mögliche Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform des Widerstandskraftsensors gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
- - Die 3A und 3B zeigen einen Teil einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstandskraftsensors in zwei verschiedenen Betriebskonfigurationen der Benutzerschnittstelle; insbesondere zeigt 3A einen Teil des Kraftsensors, insbesondere ein Metallblatt, in einer Ruhekonfiguration der Benutzerschnittstelle, in der keine Kraft auf die Kontaktfläche aufgebracht wird; 3B zeigt denselben Teil des Kraftsensors aus 3A in einer aktiven Konfiguration der Benutzerschnittstelle, in der eine Kraft auf die Kontaktfläche aufgebracht wird;
- - Die 4A und 4B zeigen verschiedene Ansichten der Baugruppe mit dem Widerstandskraftsensor und einer Leiterplatte; insbesondere zeigt 4A eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte mit drei dazugehörigen Widerstandskraftsensoren; 4B zeigt eine weitere perspektivische Ansicht der Leiterplatte von 4A, in der ein Widerstandskraftsensor detaillierter zu sehen ist;
- - 5 ist ein kartesisches Diagramm, das den Trend der Veränderung des Widerstands des Widerstandskraftsensors als Funktion des Weges der Kontaktfläche der Benutzerschnittstelle sowie die Veränderung der Kraft, die auf die Kontaktfläche der Benutzerschnittstelle ausgeübt wird, als Funktion des Weges der Kontaktfläche zeigt;
- - 6 zeigt das Kraftmesssystem, das eine Vielzahl von Widerstandskraftsensoren umfasst, die mit einer Verarbeitungseinheit verbunden sind.
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Mit Bezug auf die oben genannten Figuren bezeichnet die Kennziffer 1 insgesamt eine Benutzerschnittstelle, z. B. eine Steuerkonsole oder eine Steuertafel.
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Die erfindungsgemäße Benutzerschnittstelle 1 eignet sich insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen, z.B. in Fahrerkabinen von Kraftfahrzeugen, und stellt somit eine Schnittstelle für den Benutzer dar. Bei der Benutzerschnittstelle 1 handelt es sich beispielsweise um eine Steuerkonsole oder ein Steuerpult.
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Die Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: mindestens eine Kontaktfläche 2, auf die ein Benutzer eine Kraft ausübt, um eine oder mehrere Funktionen selektiv zu aktivieren oder zu deaktivieren; und mindestens eine gedruckte Schaltung oder PCB 4, auf der mindestens eine elektronische Schaltung 40 zur geeigneten Steuerung mindestens einer Funktion realisiert ist, wobei diese mindestens eine Funktion durch den Benutzer durch Einwirkung auf die mindestens eine Kontaktfläche 2 aktiviert werden kann.
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Die Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst außerdem mindestens eine Betätigungsvorrichtung 3. Die Betätigungsvorrichtung 3 ist geeignet, eine auf die mindestens eine Kontaktfläche 2 ausgeübte Bewegung in Richtung der Leiterplatte 4 zu übertragen.
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Die Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ferner mindestens einen Kraftsensor 6, der geeignet ist, eine auf die mindestens eine Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft zu erfassen.
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Vorzugsweise ist der Kraftsensor 6 ein Widerstandssensor, und der mindestens eine Kraftsensor 6 befindet sich zwischen der mindestens einen Betätigungsvorrichtung 3 und der mindestens einen Leiterplatte oder PCB 4.
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Da es sich um einen Widerstandssensor handelt, ist der Kraftsensor 6 kostengünstig, kann leicht miniaturisiert werden und eignet sich für verschiedene Arten von Benutzerschnittstellen, wie z. B. Konsolen oder Armaturenbretter, selbst für kleine, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden.
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Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff Funktion oder Funktionen auf eine Funktionalität oder einen Dienst, der vorzugsweise in Fahrzeugen, z. B. in Kabinen von Kraftfahrzeugen, enthalten ist und der mittels der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, die in Form einer Bedienkonsole vorgesehen ist, gesteuert und/oder eingestellt werden kann, z. B. zum Öffnen eines Fahrzeugdachs, zum Aktivieren und Steuern der Heizung und/oder der Klimaanlage, zum Verwenden von Sprachschnittstellen, zum Aktivieren und Steuern von Musikwiedergabegeräten usw. Jede Funktion oder Dienstleistung wird zweckmäßigerweise durch eine entsprechende elektronische Schaltung gesteuert und verwaltet, z.B. durch eine elektronische Schaltung 40, die zumindest teilweise auf der Leiterplatte 4 realisiert ist.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1, bei der der mindestens eine Kraftsensor 6 zwischen der mindestens einen Betätigungsvorrichtung 3 und der mindestens einen Leiterplatte oder PCB 4 angeordnet ist, ermöglicht es, die Kontaktfläche 2 zumindest in geeigneter Weise von der Leiterplatte oder PCB 4 zu beabstanden, wodurch eine gewünschte Bewegung und/oder ein gewünschter Weg der Kontaktfläche 2 ermöglicht wird und sichergestellt wird, dass die von einem Benutzer aufgebrachte Kraft in geeigneter Weise auf den Kraftsensor 6 übertragen wird, insbesondere über die Betätigungsvorrichtung 3. Vorzugsweise stellt die vorliegende Ausführungsform sicher, dass der Kraftsensor 6 nur die Komponente entlang einer Achse „Z“ der auf die Kontaktfläche 2 ausgeübten Kraft wahrnimmt, wobei die Achse „Z“ die Normale auf die Kontaktfläche 2 ist.
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Um nun eine bevorzugte, aber nicht einschränkende, mögliche Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail zu beschreiben, umfasst der Kraftsensor 6: einen elektrischen Schaltungsabschnitt 42 und ein Metallblatt 62.
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In einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) umfasst der Kraftsensor 6: Polster und eine Spitze.
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In der bevorzugten Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 hat der elektrische Schaltungsabschnitt 42 eine vordefinierte Länge. Der elektrische Schaltungsabschnitt 42 ist aus einer Widerstandsverbindung, z. B. einer Widerstandspaste, mit einem bekannten Widerstandswert hergestellt.
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Der Abschnitt des elektrischen Schaltkreises 42, der eine vordefinierte und bekannte Länge, Breite und Dicke hat und aus einem Widerstandsmaterial mit bekanntem Widerstandswert besteht, ermöglicht die Erzeugung einer Widerstandsimpedanz, insbesondere eines Widerstands, mit bekanntem Wert.
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Der elektrische Schaltungsteil 42 ist an einem ersten Ende mit einer elektronischen Schaltung 40 verbunden, die auf der Leiterplatte 4 vorgesehen ist.
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In einer möglichen Ausführungsform ist der elektrische Schaltungsabschnitt 42 ein Teil oder Abschnitt einer elektronischen Schaltung 40, die in der Leiterplatte oder PCB 4 enthalten ist. Vorzugsweise ist der elektrische Schaltungsabschnitt 42 mit der elektronischen Schaltung 40 in Reihe geschaltet, und daher ist das zweite Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 mit der elektronischen Schaltung 40 verbunden. Alternativ dazu kann das zweite Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 frei bleiben.
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Vorzugsweise ist der elektrische Schaltkreisabschnitt 42 ein dünner Film aus Widerstandspaste mit bekannter Dicke, Breite und Länge, der auf der Leiterplatte oder PCB 4 aufgebracht ist.
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Das Metallblatt 62 ist ein leitfähiges Metallblatt, das aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Werkstoff, wie z. B. Kupfer, besteht oder mit einer elektrisch leitfähigen Schicht überzogen ist.
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Das Metallblatt 62 kann seine Wechselwirkung mit dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 entlang des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 verändern; beispielsweise kann sich das Metallblatt 62 auf dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 entlang des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 bewegen, vorzugsweise gleiten, oder das Metallblatt 62 kann die Überlappungsfläche in Kontakt mit dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 verändern, z. B. durch Biegen.
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Das Metallblatt 62 kann seine Form ändern, z.B. indem es verformt wird, wodurch sich seine Wechselwirkung mit dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 entlang der Länge des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 ändert.
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Vorzugsweise ist das metallische Blatt 62 an seinem ersten Ende elektrisch mit einer elektronischen Schaltung 40 verbunden, die auf der Leiterplatte oder PCB 4 vorgesehen ist, während das metallische Blatt 62 an seinem gegenüberliegenden oder zweiten Ende elektrisch mit dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 verbunden ist. Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung 40, mit der das erste Ende des Metallblatts 62 verbunden ist, die gleiche elektronische Schaltung 40, mit der das erste Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 verbunden ist.
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Vorzugsweise ist der Kraftsensor 6 in Reihe mit einer elektronischen Schaltung 40 geschaltet.
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Allgemeiner ausgedrückt, verursacht die Veränderung, die in der Wechselwirkung zwischen dem Metallblatt 62 und dem Stromkreisabschnitt 42 auftritt, eine Veränderung des Widerstands, der zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des Stromkreisabschnitts 42 vorhanden und daher messbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor 6 gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, dass mit zunehmender Kraft, die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wird, der Widerstand zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des Stromkreisabschnitts 42 abnimmt. In einer alternativen Ausführungsform führt ein Anstieg der aufgebrachten Kraft zu einem erhöhten Widerstand.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist die Betätigungsvorrichtung 3 so ausgelegt, dass sie auf das Metallblatt 62 einwirkt, vorzugsweise in direkter Weise, wodurch eine Veränderung der Wechselwirkung zwischen dem Metallblatt 62 und dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 in Abhängigkeit von der auf die Kontaktfläche 2 ausgeübten Kraft erzeugt wird, z.B. durch Bewegen, z.B. Gleiten oder Überlappen des Metallblatts 62 entlang des elektrischen Schaltungsabschnitts 42.
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Die vorliegende Ausführungsform bietet eine Entsprechung zwischen der Änderung der auf die Kontaktfläche 2 ausgeübten Kraft und dem Widerstandswert, der an dem Widerstandskraftsensor 6 vorhanden und somit messbar ist.
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In einer bevorzugten, aber lediglich illustrativen und nicht begrenzten Ausführungsform ist der Metallflügel 62 so gestaltet, dass er eine Bewegung entlang einer ersten Achse, z.B. der Achse „Z“, die ihm durch die Betätigungsvorrichtung 3 verliehen wird, in eine Bewegung zumindest des zweiten Endes desselben Metallflügels 62 entlang einer Achse umwandelt, die senkrecht zu der ersten Achse verläuft, z.B. senkrecht zu der Achse „Z“, z.B. entlang der Erstreckungsachse des Stromkreisabschnitts 42.
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Im Allgemeinen ist der Metallflügel 62 so ausgelegt, dass er eine bekannte Elastizitätskonstante aufweist, z. B. im Bereich von 5N/m bis 10N/m.
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Das Metallplättchen 62 kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, die jeweils eine andere Form, Struktur und/oder ein anderes Material aufweisen und alle gleichermaßen geeignet sind, eine Veränderung der Wechselwirkung mit dem Stromkreisabschnitt 42 zu bewirken, wodurch sich der vorhandene und somit messbare Widerstand in Abhängigkeit von der auf die Kontaktfläche 2 ausgeübten Kraft verändert.
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Allgemeiner ausgedrückt kann die Benutzerschnittstelle 1 mindestens zwei verschiedene Betriebskonfigurationen annehmen, insbesondere eine Leerlaufkonfiguration und eine aktive Konfiguration. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „Leerlaufkonfiguration“ auf die Konfiguration der Benutzerschnittstelle 1, in der keine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wird. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung bezieht sich der Begriff „aktive Konfiguration“ auf die Konfiguration der Benutzerschnittstelle 1, in der eine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wird. Wenn eine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wird, verschiebt sich dieselbe Kontaktfläche 2 vorzugsweise über einen Weg von weniger als 1 mm oder noch bevorzugter von weniger als 0,5 m, z. B. etwa 0,4 mm, nach unten.
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Der Widerstandskraftsensor 6 ist so ausgelegt, dass, wenn sich die Benutzerschnittstelle 1 in der Ruhekonfiguration befindet, zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 ein erster Widerstand mit einem bekannten Wert besteht, während, wenn sich die Benutzerschnittstelle 1 in der aktiven Konfiguration befindet, ein zweiter elektrischer Widerstand vorhanden ist, der vorzugsweise niedriger als der erste elektrische Widerstand ist, wobei der zweite elektrische Widerstand zwischen dem 1,5- und 100-fachen des ersten elektrischen Widerstands variieren kann.
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In einer bevorzugten, aber lediglich illustrativen und nicht einschränkenden Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Metallblatt 62 zwei Arme (621, 622). Die Arme (621, 622) sind zwangsweise und elektrisch miteinander verbunden. In dieser illustrativen und nicht-begrenzenden Ausführungsform wirkt die Betätigungsvorrichtung 3 auf den Metallflügel 62 an dem Punkt der gegenseitigen Verbindung zwischen den beiden Armen (621, 622) des Metallflügels 62. Die beiden Arme (621, 622) des metallischen Blattes 62 sind entlang gegenseitig einfallender Richtungen angeordnet, und die Arme (621, 622) sind am Punkt der gegenseitigen Einschränkung gegenseitig einfallend.
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In der vorliegenden Ausführungsform ändert sich der Abstand zwischen den Enden der beiden Arme (621, 622) in Abhängigkeit von der Kraft, die über die Betätigungsvorrichtung 3 auf das Metallblatt 62 ausgeübt wird. Daher ändert das Metallblatt 62 seine eigene Form.
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Um nun eine bevorzugte, aber lediglich illustrative und nicht einschränkende Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung näher zu beschreiben, ist ein erster Arm 621 des Metallblatts 62 an einem ersten Ende an der Leiterplatte oder PCB 4 und insbesondere an einer elektronischen Schaltung 40 befestigt, während der erste Arm 621 an seinem anderen Ende oder zweiten Ende an einem ersten Ende eines zweiten Arms 622 befestigt ist. An seinem anderen Ende oder zweiten Ende ist der zweite Arm 622 geeignet, sich auf dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 zu bewegen, vorzugsweise zu gleiten.
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Die Änderung der Position des zweiten Endes des zweiten Arms 622 entlang des Stromkreisabschnitts 42 verursacht eine Änderung des Widerstands, der zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des Stromkreisabschnitts 42 vorhanden und daher messbar ist, was von der Kraft abhängt, die durch die Betätigungsvorrichtung 3 auf das Metallblatt 62 ausgeübt wird.
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Je größer die auf das Metallblatt 62 ausgeübte Kraft ist, desto mehr nähert sich das zweite Ende des Metallblatts 62, insbesondere das zweite Ende des zweiten Arms 622, durch Gleiten dem ersten Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 an, wodurch der Teil der Widerstandsverbindung des elektrischen Schaltungsabschnitts 42, durch den Strom fließen kann, und somit der Widerstand zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 verringert wird. In der vorliegenden Ausführungsform ändert sich der Abstand zwischen dem ersten Arm 621, der direkt oder indirekt an der Leiterplatte oder PCB 4 befestigt ist, und dem zweiten Arm 622 in Abhängigkeit von der Kraft, die durch die Betätigungsvorrichtung 3 auf das Metallblatt 62 ausgeübt wird, wobei sich der zweite Arm 622 entlang des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 bewegen, vorzugsweise gleiten, kann.
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In einer möglichen Ausführungsform sind die Arme (621, 622) des Metallblatts in der Lage, ihren gegenseitigen Abstand zu verändern, wodurch die Betätigungsvorrichtung 3 einen im Wesentlichen linearen Weg von 0,2 mm bis 0,4 mm zurücklegen kann. Eine solche Veränderung der Form des Metallblatts 62 kann mit einer Kraft von etwa 0,5N bis 4,5N erreicht werden.
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Im Allgemeinen ist die Bewegung, vorzugsweise die Gleitbewegung, des zweiten Endes des Metallblatts 62, insbesondere des zweiten Endes des zweiten Arms 622, auf dem Abschnitt des elektrischen Schaltkreises 42 so beschaffen, dass ein elektrischer oder elektronischer Strom ohne Lösung der Kontinuität fließen kann, auch während der Anwendung und/oder Veränderung der Kraft auf der Kontaktfläche 2.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Metallblatt 62 aus einem Stück gefertigt und in geeigneter Weise gebogen. In alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) besteht das Metallblatt aus zwei Teilen, die mechanisch miteinander verbunden, z. B. gelenkig, und elektrisch miteinander verbunden sind.
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In der bevorzugten Ausführungsform ist das Metallblatt 62 aus einem Stück gefertigt und gebogen, um den ersten Arm 621 und den zweiten Arm 622 zu definieren. Vorzugsweise haben der erste Arm 621 und der zweite Arm 622 in ihrem jeweiligen Mittelteil eine im Wesentlichen ähnliche Form, z. B. eine ähnliche Dicke, Breite und Länge. Eine solche Lösung ermöglicht es, die Steifigkeit des Metallflügels 62 zu erhöhen, um ein Durchbiegen eines oder beider Arme (621, 622) zu vermeiden. In einer alternativen Ausführungsform ist die Struktur des zweiten Arms 622 anders als die des ersten Arms 621, insbesondere ist der zweite Arm 622 dünner.
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Ganz allgemein kann die Form der Arme (621, 622) des Metallblatts entsprechend den spezifischen Anforderungen festgelegt werden, z. B. dem Bereich der wahrzunehmenden Kräfte, dem zurückzulegenden Weg, der Gesamtzahl der Sensoren der Benutzerschnittstelle 1, dem Material des Metallblatts 62 usw.
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Die 3A und 3B zeigen einen Teil einer möglichen Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 gemäß der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Betriebskonfigurationen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Metallblatt 62 aus einem Stück gefertigt. Das erste Ende des Metallblatts 62 ist mechanisch eingespannt und elektrisch mit der Leiterplatte oder PCB 4 verbunden, während das zweite Ende des Metallblatts 62 in elektrischem Kontakt mit dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 steht, der wiederum mit einer elektronischen Schaltung 40 verbunden ist. Auf das metallische Blatt 62 wirkt die Betätigungsvorrichtung 3, von der ein Teil in der Zeichnung dargestellt ist.
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3A zeigt einen Teil des Kraftsensors 6, insbesondere ein Metallplättchen 62, in einer Leerlaufkonfiguration der Benutzerschnittstelle 1, in der keine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wird. Der Abstand zwischen den Enden des Metallblatts 62 ist bekannt und wird in der Zeichnung als Doppelpfeil dargestellt. 3B zeigt denselben Abschnitt des Kraftsensors 6 aus 3A in einer aktiven Konfiguration der Benutzerschnittstelle 1, in der eine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wird. Diese Kraft wird von der Betätigungsvorrichtung 3 auf den Kraftsensor 6 übertragen, wodurch das zweite Ende des Metallblatts 62 entlang des Stromkreisabschnitts 42 gleitet. Beim Vergleich von 3B und 3A ist zu erkennen, dass sich der Abstand zwischen den Enden des Metallblatts 62, in den Zeichnungen als Doppelpfeil dargestellt, vergrößert hat.
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In der Konfiguration von 3A befindet sich zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des Stromkreisabschnitts 42 ein erster elektrischer Widerstand, dessen Wert als Richtwert bekannt ist, z.B. kleiner als 40kΩ, z.B. etwa 36kΩ. In der Konfiguration von 3B hingegen befindet sich zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des Stromkreisabschnitts 42 ein zweiter elektrischer Widerstand, der vorzugsweise niedriger ist als der erste elektrische Widerstand, z. B. um das 1,5- bis 10-fache niedriger, z. B. niedriger als 20 kQ, z. B. etwa 18 kΩ.
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Im Allgemeinen ist der Widerstandskraftsensor 6 gemäß der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, dass er in der Lage ist, auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Kräfte zu erfassen, die etwa 5N nicht überschreiten. Vorzugsweise ist der Widerstandskraftsensor 6 so ausgelegt, dass er eine Änderung seines elektrischen Widerstands zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert erfährt, wobei der Maximalwert 1,5 bis 10 mal, vorzugsweise 2 bis 5 mal, größer ist als der Minimalwert. Als nicht einschränkendes Beispiel ist der Kraftsensor 6 so ausgelegt, dass er eine Änderung seines elektrischen Widerstands von 10 kQ bis 40 kQ erfährt, insbesondere für aufgebrachte Kräfte im Bereich von 0,5N bis 4,5N.
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5 zeigt als nicht einschränkendes Beispiel ein kartesisches Diagramm, das den Trend der Veränderung des Widerstands des Widerstandskraftsensors 6 in Abhängigkeit vom Weg der Kontaktfläche 2 der Benutzerschnittstelle 1 sowie die Veränderung der auf die Kontaktfläche 2 der Benutzerschnittstelle 1 ausgeübten Kraft in Abhängigkeit vom Weg der Kontaktfläche 2 anzeigt. Betrachtet man das Diagramm, so zeigt die Abszissenachse den Weg der Kontaktfläche 2, ausgedrückt in Millimetern, die linke Ordinatenachse zeigt die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft, ausgedrückt in Newton, während die rechte Ordinatenachse den Widerstand, ausgedrückt in kOhm, anzeigt, der über den Widerstandskraftsensor 6 gemessen werden kann.
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Aus der Analyse dieses Diagramms geht hervor, dass der Kraftsensor 6 so ausgelegt ist, dass sich bei einem Weg der Kontaktfläche 2 von etwa 0,4 mm eine Widerstandsänderung ergibt, die insbesondere bei 38 kΩ beginnt und 20 kΩ erreicht, was einer auf die Kontaktfläche 2 ausgeübten Kraft von etwa 4,5 N entspricht. Das hier gezeigte Diagramm stellt einen experimentellen Test dar, der an einer möglichen Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1, z. B. wie in 1 dargestellt, mit einem einzigen Kraftsensor 6 durchgeführt wurde. In dieser Grafik ist zu erkennen, dass die Kraft linear mit dem Weg der Kontaktfläche 2 zunimmt. Darüber hinaus zeigt die Implementierungslösung des Widerstandskraftsensors 6 mit einem metallischen Blatt 62 einen im Wesentlichen linearen Trend im Wegbereich von 0 bis 0,4 mm der Kontaktfläche 2.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verarbeitungseinheit 7. Die Verarbeitungseinheit 7 ist geeignet, die auf die mindestens eine Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft in Abhängigkeit von der durch den mindestens einen Widerstandskraftsensor 6 erfassten Kraft zu bestimmen. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Verarbeitungseinheit 7 die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft bestimmen, indem sie die Widerstandsänderungen überwacht, die über den Widerstandskraftsensor 6 messbar sind, z. B. zwischen dem ersten Ende des Metallblatts 62 und dem ersten Ende des elektrischen Schaltungsabschnitts 42 oder über ein Paar von Pads.
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Indem man beispielsweise einen konstanten Strom durch einen elektronischen Schaltkreis 40 fließen lässt, insbesondere durch den elektrischen Schaltkreis, an den sowohl der elektrische Schaltkreisabschnitt 42 als auch das metallische Blatt 62 des Kraftsensors 6 angeschlossen sind, ist es möglich, die Spannungsänderung zwischen dem ersten Ende des metallischen Blattes 62 und dem ersten Ende des elektrischen Schaltkreisabschnitts 42 oder umgekehrt zu bestimmen.
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Im Allgemeinen kann die Widerstandsänderung, die durch die veränderte Wechselwirkung zwischen dem Metallblatt 62 und dem elektrischen Schaltungsabschnitt 42 verursacht wird, von der Verarbeitungseinheit 7 erfasst werden, die im Allgemeinen dazu geeignet ist, Messungen elektrischer Größen wie z. B. Spannung, Strom, Widerstand, Impedanz usw. durchzuführen.
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In einer möglichen Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 ist die Betätigungsvorrichtung 3 geeignet, die vom Benutzer auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Bewegung durch Aufbringen einer Kraft in eine Bewegung umzuwandeln, die eine Zustandsänderung in Bezug auf die mit der Kontaktfläche 2 oder zumindest einem Teil davon verbundene Funktion gewährleistet. Diese Bewegung kann ein mechanisches Schalten von elektrischen Kontakten bewirken oder durch einen Bewegungssensor und/oder einen Berührungssensor erfasst werden, der bei Erreichen eines bestimmten Punktes entlang des Weges der Betätigungsvorrichtung 3 ein elektrisches Signal erzeugt.
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Allgemeiner ausgedrückt, ist die Betätigungsvorrichtung 3 zumindest geeignet, die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft auf die Leiterplatte 4 und insbesondere auf den mindestens einen Widerstandskraftsensor 6 zu übertragen.
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Es sind viele verschiedene Ausführungsformen und Umsetzungen der Betätigungsvorrichtung 3 denkbar, auch unter funktionalen Gesichtspunkten, die auch von den Designvorgaben der Benutzerschnittstelle 1 diktiert werden, wie z. B. dem erforderlichen Weg und dem Tastgefühl, das der Benutzer bei der Betätigung der Kontaktfläche 2 wahrnehmen soll. Aus diesem Grund wird die Betätigungsvorrichtung 3 hier nicht in ihren Konstruktionsdetails, sondern ausschließlich unter funktionalen Gesichtspunkten beschrieben; dennoch wird ein Fachmann in der Lage sein, die wesentlichen mechanischen Aspekte zu verstehen, die für ihre korrekte Umsetzung und Funktion notwendig sind.
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Die mindestens eine elektronische Schaltung 40, die in der Leiterplatte oder PCB 4 enthalten ist, kann eine Vielzahl von Leiterbahnen sein, die den Weg der elektronischen Signale definieren, die geeignet sind, mindestens eine oder mehrere Funktionen oder Funktionalitäten zu steuern und/oder für den Betrieb des mindestens einen Widerstandskraftsensors 6 erforderlich sind. Vorzugsweise ist mindestens eine elektronische Schaltung 40 geeignet, den Kraftsensor 6 elektronisch mit der Verarbeitungseinheit 7 zu verbinden, die entweder in der in der Benutzerschnittstelle 1 enthaltenen Leiterplatte oder PCB 4 enthalten sein kann oder in einer von der Benutzerschnittstelle 1 und/oder der Leiterplatte oder PCB 4 entfernten Position angeordnet sein kann. In einer bevorzugten, aber lediglich illustrativen und nicht einschränkenden Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 ist der Widerstandskraftsensor 6 und insbesondere der elektrische Schaltungsabschnitt 42 und das metallische Blatt 62 des Widerstandskraftsensors 6 in Reihe mit einer elektronischen Schaltung 40 geschaltet, die auf der gedruckten Schaltungsplatine oder PCB 4 vorgesehen ist, wobei die elektronische Schaltung 40 geeignet ist, den entsprechenden Kraftsensor 6 mit der Verarbeitungseinheit 7 elektronisch zu verbinden, wobei der elektrische Schaltungsabschnitt 42 vorzugsweise in Reihe mit der elektronischen Schaltung 40 geschaltet ist.
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Eine beispielhafte, aber nicht einschränkende, mögliche Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. 1 zeigt in der Tat eine perspektivische Ansicht einer möglichen Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In 1 ist die Kontaktfläche 2 sichtbar, die auf einer äußeren Struktur 12 der Benutzerschnittstelle 1 liegt. Diese äußere Struktur 12 definiert ein inneres Volumen, in dem die Elemente und Vorrichtungen, die in der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind, in geeigneter Weise untergebracht sind, ohne jedoch in der genannten 1 sichtbar zu sein. In der dargestellten Ausführungsform ist die Kontaktfläche 2 als eine einzige Fläche dargestellt. In alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann mehr als eine Kontaktfläche 2 vorgesehen sein, auch mit unterschiedlichen Formen, die als Tasten identifizierbar sein können.
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Im Allgemeinen ist die Kontaktfläche 2 für den Benutzer sichtbar, sobald die Benutzerschnittstelle 1 an ihrem endgültigen Standort montiert ist, der das Innere eines Fahrzeugs, z. B. ein Armaturenbrett oder eine Konsole, sein kann, während die äußere Struktur 12 normalerweise für den Benutzer nicht sichtbar ist.
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Allgemeiner ausgedrückt, kann der Benutzer auf die mindestens eine Kontaktfläche 2 eine Kraft ausüben, die vorzugsweise eine Komponente entlang einer Achse „Z“ hat, z.B. entlang einer Achse, die senkrecht zu der durch die Kontaktfläche 2 selbst definierten Oberfläche verläuft.
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Der mindestens eine Widerstandskraftsensor 6, der in der Benutzerschnittstelle 1 enthalten ist, ist vorteilhafterweise elektronisch mit der Verarbeitungseinheit 7 verbunden, so dass letztere die auf die mindestens eine Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft als eine Funktion der von dem mindestens einen Kraftsensor 6 erfassten Kraft bestimmen kann, wobei der Kraftsensor 6 vorzugsweise so angepasst ist, dass er die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft in der Komponente erfasst, die parallel zu der Achse „Z“ ist.
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Allgemeiner ausgedrückt können ein oder mehrere Widerstandskraftsensoren 6 mit der Verarbeitungseinheit 7 verbunden sein. Wenn mehr als ein Kraftsensor 6, der der gleichen Kontaktfläche 2 zugeordnet ist, elektronisch mit der Verarbeitungseinheit 7 verbunden ist, kann die Verarbeitungseinheit 7 in geeigneter Weise programmiert werden, um einen Ort, einen Punkt oder einen Teilbereich der Kontaktfläche 2 zu bestimmen, auf den der Benutzer eine Kraft ausübt. Eine solche Ausführungsform definiert ein Kraftmesssystem. In dieser Ausführungsform können einer Kontaktfläche 2 mehrere Funktionen oder Dienste zugeordnet werden, da jedem Ort, Punkt oder Teilbereich, der auf der Kontaktfläche 2 bestimmbar ist, eine andere Funktion oder ein anderer Dienst zugeordnet werden kann.
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6 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Kraftmesssystems. Die dargestellte Ausführungsform zeigt eine Vielzahl von Kraftsensoren 6, vorzugsweise alle vom resistiven Typ, die elektronisch mit einer Verarbeitungseinheit 7 verbunden sind. Wie aus der Figur leicht ersichtlich ist, kann die Anzahl der Kraftsensoren 6, die beispielsweise in dem Kraftmesssystem enthalten sind, von den vier in 6 gezeigten Sensoren abweichen. Darüber hinaus kann, wie bereits erwähnt, durch die Erhöhung der Anzahl der Kraftsensoren 6 und die zweckmäßige Gestaltung ihrer Anordnung, z. B. ihrer Verteilung, in Bezug auf die Kontaktfläche 2, die Verarbeitungseinheit 7 so programmiert werden, dass sie feststellt, auf welche Stelle, welchen Punkt oder welchen Teilbereich der Kontaktfläche 2 der Benutzer eine Kraft ausübt.
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Eine bevorzugte, aber lediglich illustrative und nicht einschränkende Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens drei Widerstandskraftsensoren 6, die auf der durch die Leiterplatte oder PCB 4 definierten Ebene angeordnet sind. Das Vorhandensein von mindestens drei Kraftsensoren 6 ermöglicht eine Triangulation des Ortes, des Punktes oder des Teilbereichs der Krafteinwirkung auf die Kontaktfläche 2 durch einen Benutzer. Eine noch bevorzugtere Ausführungsform, wie die in 4A beispielhaft gezeigte, umfasst nur drei Kraftsensoren 6, die so angeordnet sind, dass sie über die Verarbeitungseinheit 7 eine Triangulation des Ortes, des Punktes oder des Unterbereichs der Kraftaufbringung auf die Kontaktfläche 2 durch einen Benutzer ermöglichen.
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Wenn die Kraft, die auf die genannte Kontaktfläche 2 ausgeübt wird, asymmetrisch in Bezug auf die von der Kontaktfläche 2 definierte Fläche ist, z. B. in Bezug auf eine Symmetrieachse „X“, kann festgestellt werden, auf welchen Bereich einer Kontaktfläche 2 eine Kraft ausgeübt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst nur eine Betätigungsvorrichtung 3, auch wenn sie mehrere Kontaktflächen 2 umfasst.
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Eine alternative, jedoch lediglich illustrative und nicht einschränkende Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine zweite Ausführungsform eines Widerstandskraftsensors 6. In einer solchen beispielhaften Ausführungsform (nicht dargestellt) umfasst der Widerstandskraftsensor 6 mindestens eine Spitze und mindestens ein Paar von Pads. Die mindestens eine Spitze besteht aus viskoelastischen Polymermaterialien mit leitenden Eigenschaften, z. B. leitenden Elastomeren wie leitendem Gummi, leitendem Silikon oder Elastomeren mit einer leitenden Beschichtung usw. und daher geeignet sind, elektrischen Strom zu leiten. Als nicht einschränkendes Beispiel umfasst die leitende Beschichtung Kupfer- oder Graphitpigmente. Das Paar Pads ist nahe beieinander angeordnet, z.B. nebeneinander, aber nicht elektrisch miteinander verbunden. Das Paar von Pads ist auf der Leiterplatte oder PCB 4 realisiert. In einer möglichen Ausführungsform ist das Paar von Pads in einer elektronischen Schaltung 40 enthalten, die elektronisch mit der Verarbeitungseinheit 7 verbunden ist. Die mindestens eine Spitze ist so ausgelegt, dass sie auf das Paar Pads einwirkt, um sie elektrisch mit einem gewissen elektrischen Widerstand miteinander zu verbinden. Ein solcher elektrischer Widerstand ist variabel, wobei diese Variabilität vorzugsweise umgekehrt proportional zur Veränderung der Fläche der Spitze ist, die in Kontakt mit dem Paar von Kontaktflächen steht. Im Allgemeinen ändert sich der elektrische Widerstand, der zwischen dem Paar von Kontaktflächen gemessen werden kann, mit der Fläche der Spitze, die mit dem Paar von Kontaktflächen in Kontakt ist. Je größer die Fläche der Spitze in Kontakt mit dem Kontaktflächenpaar ist, desto geringer ist der Widerstand, der zwischen den Kontaktflächen gemessen werden kann. Umgekehrt gilt: Je kleiner die Fläche der Spitze in Kontakt mit dem Kontaktflächenpaar ist, desto höher ist der Widerstand, der über die Kontaktflächen gemessen wird. Vorzugsweise sind die Spitzen in geeigneten Gehäusen untergebracht, die in der Struktur der Betätigungsvorrichtung 3 ausgebildet sind, um die Spitzen in Position zu halten. Diese alternative Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 kann in der Benutzerschnittstelle 1 als redundanter Kraftsensor verwendet werden, der die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 ergänzt, der ein Metallblatt 62 umfasst.
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Um nun auf die Konstruktionsdetails einer möglichen Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 einzugehen, zeigt 2 eine mögliche Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1, insbesondere die in 1 dargestellte Ausführungsform. Besagte 2 zeigt eine mögliche Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie zu sehen ist, ist die Betätigungsvorrichtung 3 an der Kontaktfläche 2 befestigt und bewegt sich integral mit dieser, vorzugsweise so, dass zumindest die Komponente entlang der Achse „Z“ der vom Benutzer auf die Kontaktfläche 2 aufgebrachten Kraft auf die Betätigungsvorrichtung 3 übertragen wird. Vorzugsweise ist ein erstes Ende der Betätigungsvorrichtung 3 an die Kontaktfläche 2 gebunden, während das gegenüberliegende Ende der Betätigungsvorrichtung 3 der Leiterplatte oder PCB 4 zugewandt ist. Zwischen der Leiterplatte oder PCB 4 und der Betätigungsvorrichtung 3 befindet sich, wie dargestellt, ein Kraftsensor 6. Die Betätigungsvorrichtung 3 ist so ausgelegt, dass sie direkt auf den Kraftsensor 6 und insbesondere auf das Metallblatt 62 wirkt. In der dargestellten Ausführungsform ist die mindestens eine Kontaktfläche 2 mechanisch mit der mindestens einen Betätigungsvorrichtung 3 verbunden, so dass sie sich gemeinsam bewegen. Die mindestens eine Betätigungsvorrichtung 3 ist vorzugsweise über geeignete Dämpfungsmittel mit der äußeren Struktur 12 der Benutzerschnittstelle 1 verbunden. Die Dämpfungsmittel sind beispielsweise geeignet, jegliche Querkräfte in Bezug auf die Achse „Z“ zu absorbieren und abzuschwächen, die auf die Kontaktfläche 2 und damit auf die Betätigungsvorrichtung 3 einwirken könnten.
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In 2 sind auch weitere Konstruktionsdetails der äußeren Struktur 12 und der Leiterplatte (PCB) 4 zu sehen. Diese Details sind für den Fachmann leicht zu verstehen und werden daher nicht weiter beschrieben.
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Schließlich befindet sich die in 2 dargestellte Benutzerschnittstelle 1 im Ruhezustand.
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Die 4A und 4B zeigen in verschiedenen Ansichten die Baugruppe mit dem Widerstandskraftsensor 6 und einer Leiterplatte (PCB) 4.
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4A zeigt insbesondere eine perspektivische Ansicht einer gedruckten Schaltung oder Leiterplatte 4 mit drei ihr zugeordneten Widerstandskraftsensoren 6. In der dargestellten Ausführungsform, die lediglich beispielhaft und nicht einschränkend ist, sind die drei Kraftsensoren 6 so angeordnet, dass sie die Spitzen eines gleichschenkligen oder gleichseitigen Dreiecks bilden.
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Im Allgemeinen sind die Kraftsensoren 6, vorzugsweise drei Kraftsensoren 6, in geeigneter Weise auf der durch die Leiterplatte 4 definierten Ebene angeordnet, so dass eine Triangulation des Ortes der Krafteinwirkung auf die Kontaktfläche 2, z. B. über die Verarbeitungseinheit 7, möglich ist.
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4A zeigt verschiedene mögliche Ausführungsformen von Metallblättern 62, die im Kraftsensor 6 enthalten sind. Insbesondere sind zwei metallische Blätter 62 zu sehen, die zwei unterschiedliche Formen haben; insbesondere hat ein metallisches Blatt 62 Arme mit im Wesentlichen ähnlichen zentralen Abschnitten, während ein anderer Kraftsensor 6 ein metallisches Blatt 62 umfasst, bei dem die beiden Arme des metallischen Blattes 62 voneinander verschieden sind. Die Figur zeigt auch verschiedene elektrische Schaltungsabschnitte 42, die in den jeweiligen Kraftsensoren 6 enthalten sind. Die Änderung, die bei der Wechselwirkung zwischen dem Metallblatt 62 und dem jeweiligen elektrischen Schaltungsabschnitt 42 auftritt, ermöglicht es, die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Kraft auf der Grundlage der sich ergebenden Widerstandsänderung zu bestimmen, die an einem solchen Kraftsensor 6 messbar ist.
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4B zeigt in einer anderen perspektivischen Ansicht die Leiterplatte von 4A und nur einen Widerstandskraftsensor 6. Anhand dieser Figur lassen sich weitere Konstruktionsdetails der bevorzugten Ausführungsform des Widerstandskraftsensors 6 erkennen.
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Die Figur zeigt das Metallblatt 62, das aus einem einzigen Körper oder Stück besteht. In dieser Figur ist der erste Arm 621 des Metallblatts 62 zu sehen, der an einem ersten Ende an der Leiterplatte oder PCB 4 und insbesondere an einer elektronischen Schaltung 40 befestigt ist. Die Verbindung des ersten Arms 621 mit der Leiterplatte oder PCB 4 ist sowohl elektrisch als auch mechanisch. Insbesondere kann der erste Arm 621 den Punkt der mechanischen und elektrischen Verbindung mit der elektronischen Schaltung 40 nicht verändern. Am anderen Ende oder zweiten Ende setzt sich der erste Arm 621 mit einem gekrümmten Abschnitt fort, auf den die Betätigungsvorrichtung 3 einwirkt, und wird zum ersten Ende des zweiten Arms 622. Das andere Ende oder zweite Ende des zweiten Arms 622 ist geeignet, sich auf dem Abschnitt der elektrischen Schaltung 42 zu bewegen, insbesondere auf dem Teil davon, der aus Widerstandspaste besteht.
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Aus der 4B ist ersichtlich, wie die Betätigungsvorrichtung 3 auf das Metallblatt einwirkt und es in eine Bewegung versetzt, die durch den Doppelpfeil angezeigt wird. Je nach der Wirkung, die die Betätigungsvorrichtung 3 auf die Metallplatte 62 ausübt, verformt sich diese und lässt das zweite Ende ihres zweiten Arms 622 gleiten, wie durch den Pfeil angezeigt.
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Aus derselben 4B lassen sich auch die Längs- und Querabmessungen des Stromkreisabschnitts 42 ablesen, der elektrisch mit einer elektronischen Schaltung 40 verbunden ist.
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Diese Figur zeigt auch eine Ausführungsform des Metallblatts, bei der die Mittelteile der beiden Arme (621, 622) im Wesentlichen ähnlich sind. Die mittleren Abschnitte der beiden Arme (621, 622) haben nämlich eine ebene Form mit trapezförmigem Umriss.
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Allgemeiner ausgedrückt, ermöglicht die Verwendung eines Widerstandskraftsensors 6, der seinen elektrischen Widerstand zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert ändern kann, wobei der Maximalwert 1,5 bis 10 mal, vorzugsweise 2 bis 5 mal, größer ist als der Minimalwert, z.B. 10kO bis 40kQ, die einfache Verknüpfung eines solchen Kraftsignals 6 mit elektronischen Signalen, z.B. digitalen elektronischen Signalen.
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Vorzugsweise umfasst die Benutzerschnittstelle 1 eine oder mehrere Vorrichtungen, wie z. B. Wandler und/oder Aktoren, die in der Lage sind, dem Benutzer eine Rückmeldung zu geben, nachdem eine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt wurde und eine oder mehrere zugehörige Funktionen aktiviert oder deaktiviert wurden, insbesondere nach einer Zustandsänderung mindestens einer elektronischen Schaltung 40, die in der Leiterplatte oder PCB 4 enthalten ist. Die eine oder die mehreren Vorrichtungen können auch eine optische, akustische und/oder taktile Rückmeldung an den Benutzer geben, der eine Kraft auf die Kontaktfläche 2 ausübt. Die Arten von Rückmeldungen, die einem Benutzer, der mit der Benutzerschnittstelle 1 interagiert, gegeben werden können, sind an sich bekannt und können auf mehrere mögliche Arten erhalten werden, je nach der Art der visuellen, akustischen und/oder taktilen Rückmeldung, die dem Benutzer gegeben werden muss.
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In einer bevorzugten möglichen Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1, die hier als nicht einschränkendes Beispiel beschrieben wird, ist ein Aktor mit haptischer Rückmeldung enthalten. Der haptische Rückkopplungsaktuator ist so ausgelegt, dass er auf die Kontaktfläche 2 einwirkt, um dem Benutzer eine haptische Rückmeldung zu geben, wenn die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte und von dem mindestens einen Kraftsensor 6 erfasste Kraft einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet. Allgemeiner ausgedrückt, kann der haptische Rückkopplungsaktuator in der Lage sein, dem Benutzer eine haptische Rückmeldung zu geben, wenn eine elektronische Schaltung 40, die in einer Leiterplatte oder PCB 4 enthalten ist, ihren Zustand ändert, insbesondere nachdem der Benutzer die Kontaktfläche 2 berührt hat. In einer bevorzugten Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Aktor für die haptische Rückmeldung vom magnetischen Typ. In einer möglichen Ausführungsform umfasst der magnetische haptische Rückkopplungsaktuator mindestens einen Permanentmagneten und mindestens einen Elektromagneten. Der Elektromagnet kann in geeigneter Weise aktiviert werden, um den Dauermagneten durch Anziehung und/oder Abstoßung entsprechend zu verschieben. Der Aktor mit haptischer Rückkopplung ist vorteilhafterweise auf einem beweglichen Träger montiert, der sich vorzugsweise entlang einer vertikalen Achse „Z“ bewegen kann, um in geeigneter Weise auf die Kontaktfläche 2 einzuwirken. Im Allgemeinen kann der haptische Rückkopplungsaktuator mindestens einen Impuls oder eine Vibration auf die Kontaktfläche 2 ausüben.
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Allgemeiner ausgedrückt, kann die Benutzerschnittstelle 1 eine oder mehrere Tasten (nicht dargestellt) umfassen, die sogar nicht mit dem mindestens einen Kraftsensor 6 verbunden sein können.
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Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Benutzerschnittstelle 1 betrifft vorzugsweise Steuerkonsolen oder - tafeln, über die der Benutzer durch entsprechendes Einwirken auf die Kontaktfläche 2 einen Befehl übermitteln kann, wobei er eine Rückmeldung, z. B. eine haptische Rückmeldung, über die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübte Aktion erhält.
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Die erfindungsgemäße Benutzerschnittstelle 1 ermöglicht es, die von einem Benutzer auf eine für einen Benutzer sichtbare Kontaktfläche 2 ausgeübte Betätigungskraft zu erkennen und vorzugsweise zu bestimmen.
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Die erfindungsgemäße Benutzerschnittstelle 1 kann mit Hilfe von Widerstandskraftsensoren 6 die Kraft oder zumindest deren vertikale Komponente erfassen, die auf die Kontaktfläche 2 ausgeübt und über die Betätigungseinrichtung 3 übertragen wird.
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Die bevorzugte Ausführung des Kraftsensors 6 ist besonders kostengünstig, robust und zuverlässig, da er nicht durch Querbewegungen beeinträchtigt wird und somit ziemlich unempfindlich gegenüber Querkraftkomponenten ist. Außerdem ist er klein und lässt sich besonders leicht herstellen und montieren.
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Darüber hinaus ist die bevorzugte Ausführungsform der Benutzerschnittstelle 1 so konzipiert, dass die Geometrie und die Anordnung des Sensors die Widerstandsvariation innerhalb des Kraftbereichs maximieren, der normalerweise für die Interaktion mit Steuerplatinen verwendet wird, insbesondere für Kräfte zwischen 1N und 4N.
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Darüber hinaus ermöglicht die bevorzugte Ausführungsform einen zuverlässigen und langlebigen Sensor, da dieser nicht von Drifts und/oder Fehlfunktionen betroffen ist.
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Alle alternativen Ausführungsformen, die hier nicht abgebildet und/oder beschrieben sind, die aber von einem Fachmann in Anbetracht der vorliegenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen erschlossen werden können, gelten als in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Benutzerschnittstelle
- 12
- Externe Struktur
- 2
- Kontaktfläche
- 3
- Betätigungseinrichtung
- 4
- Gedruckte Leiterplatte
- 40
- Elektronische Schaltungen
- 42
- Abschnitt Stromkreislauf
- 6
- Kraftsensor
- 62
- Metallblatt
- 621
- Erster Arm
- 622
- Zweiter Arm
- 7
- Verarbeitungseinheit
- „Z“
- Achse
- „X“
- Symmetrie-Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009005995 U1 [0009]
- DE 102014018497 A1 [0010]
