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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der
Schalter und allgemein auf Schalter, die in verschiedenen Anwendungen
verwendet werden. Diese Schalter sind insbesondere dazu vorgesehen,
beispielsweise auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge Steuerfunktionen
auszuführen
oder zu betätigen
oder Sollwerte zu registrieren.
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In
diesem Tätigkeitsbereich
sind Schalter bekannt, die in der Mehrzahl mechanische Schalter sind,
d. h., dass ein bewegliches Teil einen elektrischen Kontakt herstellt,
der eine entsprechende Funktion gültig macht. Diese Art von Steuerschaltern weist
im Allgemeinen einen bestimmten Betätigungshub auf, der durch Ausüben einer
angemessenen Kraft erreicht werden kann. Ein solcher Hub ermöglicht,
sobald er zurückgelegt
ist, einem Anwender das Erhalten einer Informationsrückgabe des
sensitiven Typs auf die befohlene Funktion hin. Diese Schalter weisen
jedoch einen nicht vernachlässigbaren Raumbedarf
auf, der ihrem Aussehen abträglich
sein kann.
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Überdies
sind die verwendeten mechanischen Teile im Allgemeinen zahlreich
und stellen bei ihrer Montage Dichtheitsprobleme, was ihre Lebensdauer
wesentlich reduziert. Es offensichtlich, dass solche Schalter nicht
vernachlässigbare
Kosten aufweisen oder erzeugen Außerdem sind kapazitive Schalter
bekannt. Diese Schalter weisen den Vorteil auf, keine beweglichen
mechanischen Teile zu besitzen, und verleihen seitens des Aussehens
eine große
Freiheit. Sie weisen im Übrigen
unter der Voraussetzung der Verringerung der Anzahl von Bauteilen einen
reduzierten Raumbedarf, eine gute Dichtheit und folglich eine viel
längere
Lebensdauer bei geringeren Kosten auf. Die kapazitiven Schalter
weisen jedoch einen Hauptnachteil auf, der mit der Tatsache verknüpft ist,
dass sie dem Anwender keine Informationsrückgabe verschaffen.
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Weitere
technische Zielrichtungen wie etwa eine Informationsrückgabe auf
akustischem oder visuellem Wege laufen Gefahr, insbesondere dann, wenn
es sich um einen Fahrzeuglenker handelt, den Anwender zu stören oder
ganz einfach nicht übermittelt
und von dem Anwender nicht verstanden zu werden. Dies ist vor allem
bei einem akustischen System der Fall, das durch die Umgebung des
Fahrers gestört
würde. Überdies
würde eine
visuelle Informationsrückgabe
den Fahrer dazu zwingen, den Schalter ins Auge zu fassen, um eine
solche Informationsrückgabe
zu empfangen, und seine Augen von der Strecke abzuwenden.
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Es
ist bekannt, einen elektrischen Schalter des Typs mit Erfassung
einer Betätigung,
die aus einem Kontakt mit dem Anwender resultiert, ohne dass irgendein
zu dem Schalter gehörenden
mechanisches Organ verlagert wird, mit Mitteln zum Erzeugen einer
Informationsrückgabe
taktiler Art, die dem Anwender meldet, dass eine Erfassung erfolgt
ist und das Schalten vorgenommen wird, herzustellen, wobei die Mittel
zum Erzeugen einer Informationsrückgabe
taktiler Art dann, wenn die Erfassung erfolgt, eine impuls- oder
vibrationsartige Bewegung eines mechanischen Elements, das mit dem
betätigenden Finger
des Anwenders in Kontakt ist, hervorrufen.
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So
ist aus dem Dokument
US-5 982
304 ein elektrischer Schalter des Typs mit Erfassung einer Betätigung,
die aus einem Kontakt mit dem Anwender resultiert, ohne dass ein
zu dem Schalter gehörendes
mechanisches Organ verlagert wird, bekannt.
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Der
Letztere weist Mittel auf, um eine Informationsrückgabe taktiler Art zu erzeugen,
die dem Anwender meldet, dass die Erfassung erfolgt ist und das
Schalten vorgenommen wird.
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Die
Mittel zum Erzeugen einer Informationsrückgabe taktiler Art rufen dann,
wenn die Erfassung erfolgt ist, die impulsartige Bewegung eines
mechanischen Elements, das mit dem betätigenden Finger des Anwenders
in Kontakt ist, hervor.
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Die
impulsartige Bewegung wird insbesondere durch ein piezoelektrisches
Element erhalten, das Impulse mit kleiner Amplitude erzeugt. Somit kann
bei der Verwendung des Fahrzeugs, wenn sich dieses fortbewegt, die
impulsartige Bewegung nicht wahrgenommen werden oder durch mit der
Fortbewegung verbundene Vibrationen überdeckt werden. In gleicher
Weise können
impulsartige Bewegungen mit kleiner Amplitude nur sehr schwer wahrgenommen
werden, wenn der Benutzer des Fahrzeugs Handschuhe verwendet.
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Das
Dokument
DE-101 03 563 bezieht
sich auf eine Vorrichtung, die die Versorgung einer Steuereinheit
eines Haushaltsgerätes
(des Typs Waschmaschine) mit Funktionsdaten ermöglicht.
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Das
Dokument beschreibt einen elektrischen Schalter des Typs mit Erfassung
einer Betätigung, die
aus einem Kontakt mit dem Anwender resultiert, ohne dass irgendein
zu dem Schalter gehörendes mechanisches
Organ verlagert wird. Der Letztere enthält Mittel zum Erzeugen einer
Informationsrückgabe
taktiler Art, die dem Anwender melden, dass die Erfassung erfolgt
ist und das Schalten vorgenommen wird.
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Die
Mittel zum Erzeugen einer Informationsrückgabe taktiler Art rufen die
wiederholte Bewegung eines mechanischen Elements, das mit dem Finger der
betätigenden
Person in Kontakt ist, hervor.
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Dieses
Dokument sieht keine Erfassung in Abhängigkeit von der Kraft der
anfänglichen
Betätigung
und keinen Vergleich mit einem Schwellenwert vor, bis zu dem kein
Schalten ausgeführt
wird und kein Informationsrückgabesignal
gesendet wird, es sei denn gegebenenfalls ein Informationssignal,
das einem Anwender das Erkennen einer Fehlfunktion ermöglicht.
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In
einer solchen Anwendung weist die Verwendung eines piezoelektrischen
Elements den Nachteil auf, einen relativ niedrigen Schwellenwert für die Erfassung
von Kräften
zu haben, der von einem Anwender schwer quantitativ bestimmbar und wahrnehmbar
ist.
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Überdies
ist die Wahrnehmung von einem Anwender zum anderen verschieden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist zum einen auf das Beseitigen
der Nachteile des Standes der Technik und auf das Verwirklichen
eines Schalters, der eine Informationsrückgabe an den Anwender erzeugen
kann, ohne deswegen mechanische Teile in relativer Verlagerung aufzunehmen,
gerichtet.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auf das Beseitigen
jeglicher Erfassung von Kräften,
um eine Informationsrückgabe
taktiler Art zu erzeugen, d. h. das Verwenden einer alleinigen Präsenzerfassung,
um das Informationsrückgabesignal zu
erzeugen, gerichtet.
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Gemäß der Erfindung
werden die eine taktile Informationsrückgabe erzeugenden Mittel durch
ein elektrisches Signal gespeist, das ausgesendet wird, wenn die
Erfassung des Kontakts erfolgt, und durch eine elektronische Steuerschaltung
geformt und/oder moduliert wird, wobei die Erfassung kraft eines
kapazitiven Detektors erfolgt, der mit der elektronischen Steuerschaltung
verbunden ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
rufen die Mittel zum Erzeugen einer Informationsrückgabe taktiler
Art die wiederholte Bewegung eines mit dem betätigenden Finger in Kontakt
befindlichen mechanischen Elements hervor.
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Der
Anwender wird folglich sofort über
die Betätigung
einer Funktion informiert.
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Die
Mittel zum Erzeugen einer Informationsrückgabe taktiler Art rufen dann,
wenn die Erfassung erfolgt, beispielsweise die wiederholte Bewegung
eines mechanischen Elements, das mit dem betätigenden Finger in Kontakt
ist, hervor. Die Erfassung erfolgt, noch ehe der Anwender seinen
Finger von der berührungsempfindlichen
Taste nimmt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalters
rufen die Mittel zum Erzeugen einer Informationsrückgabe taktiler
Art dann, wenn die Erfassung erfolgt, die veränderliche Bewegung eines mit
dem betätigenden
Finger in Kontakt befindlichen mechanischen Elements in Abhängigkeit
von der Dauer, der Amplitude oder der Kraft der anfänglichen
Betätigung
hervor. Der Anwender weiß folglich,
bis zu welchem Niveau oder Grad die befohlene Funktion erfüllt worden
ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
enthalten die Mittel zum Erzeugen einer taktilen Informationsrückgabe einen
Elektromotor, der eine Drehung eines Fliehgewichts hervorruft, dessen
Schwerpunkt in Bezug auf seine Drehachse radial exzentrisch ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalters
rufen Mittel zum Erzeugen einer Informationsrückgabe taktiler Art in Reaktion
auf die Erfassung des durch den Anwender hergestellten Kontakts
eine Vibration hervor.
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Die
Vibration wird beispielsweise durch eine piezoelektrische Komponente
erhalten, deren mechanische Vibration durch Speisung wenigstens
einer Elektrode mit einem elektrischen Signal, das nach der Erfassung
des Kontakts mit dem Anwender ausgesendet wird, hervorgerufen wird.
Eine solche Komponente weist den Vorteil einer großen Kompaktheit
und folglich einer guten Integration in jede Form auf, ohne dem
Aussehen der Gesamtheit abträglich
zu sein.
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Das
Speisesignal wird vorteilhafterweise durch eine elektronische Schaltung
zum Steuern der Erfassung erzeugt.
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Die
Erfassung des Kontakts mit dem Anwender wird beispielsweise mittels
eines kapazitiven Detektors ausgeführt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalters
kann eine Elektrode der piezoelektrischen Komponente als Antenne
für den
kapazitiven Detektor dienen.
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Die
piezoelektrische Komponente wird dann über ein Schaltorgan des Typs
Relais, Multiplexer oder dergleichen von einer Antennen-Betriebsart
in eine Schwingungsbetriebsart umgeschaltet.
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Das
Speisesignal der piezoelektrischen Komponente ist ein Signal mit
sinusförmigem
Verlauf, das mit einer Frequenz ausgesendet wird, die vorzugsweise
im Bereich von 220 Hz bis 300 Hz liegt.
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Das
Speisesignal kann durch ein niederfrequentes sinusförmiges Signal
amplitudenmoduliert werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalters
wird das sinusförmige
Signal in regelmäßigen Schauern
geschickt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile gehen gleichfalls aus der im Folgenden gegebenen
genauen Beschreibung hervor, die auf die beigefügten Zeichnungen, die nicht
einschränkende
Beispiele angeben, Bezug nimmt, worin:
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1 ein
Prinzipschaltplan des erfindungsgemäßen Schalters ist,
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2 ein
Ablaufplan des erfindungsgemäßen Schalters
ist, in dem eine Elektrode einer piezoelektrischen Komponente als
Antenne dient,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Schalters
ist,
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4 eine
schematische Darstellung von Funktionsblöcken der verschiedenen Schritte
der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Schalters ist,
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5 ein
Ablaufplan ist, der eine andere Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Schalters zeigt,
und
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6 eine
Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schalters
ist.
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Der
erfindungsgemäße Schalter 1 umfasst eine
Komponente oder ein piezoelektrisches Plättchen 2 mit einem
piezoelektrischen Keramikelement und eine Metallelektrode 3,
die durch irgendein herkömmliches
Mittel, beispielsweise durch Klebung, fest zusammengefügt sind.
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Der
Schalter 1 umfasst außerdem
einen kapazitiven Detektor 4, der mit der Metallelektrode 3 elektrisch
verbunden ist. Eine elektronische Steuerschaltung 5 ermöglicht das
Analysieren des von dem kapazitiven Detektor 4 ausgegebenen
Signals. Die Steuerschaltung 5 ist außerdem mit Mitteln zur Erzeugung
eines Signals 6 verbunden, die durch das übertragene
Signal das Betätigen
oder Aktivieren des piezoelektrischen Plättchens 2 ermöglichen.
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Die
durch das piezoelektrische Plättchen 2 erzeugten
Vibrationen bzw. Schwingungen sind durch den Pfeil 7 angedeutet.
Die Informationsrückgabe
taktiler Art wird somit durch das piezoelektrische Plättchen 2 verwirklicht,
das nach einer Erfassung durch den kapazitiven Detektor 4 zum
Vibrieren bzw. Schwingen gebracht wird. Die Metallelektrode 3 dient
somit auch als Antenne für
den kapazitiven Detektor. Die Metallelektrode 3 wechselt
somit zwischen einer Antennen-Betriebsart und einer Schwingungsbetriebsart,
wie dies in 2 schematisch dargestellt ist.
Die elektronische Steuerschaltung 5 umfasst beispielsweise
einen Mikrocontroller, der das Erzeugen verschiedener Informationen
ermöglicht,
die zum einen mit der Erfassung des kapazitiven Detektors 4 und
zum anderen mit der Natur des Rückgabesignals,
das über
das piezoelektrische Plättchen 1 zu dem
Anwender übertragen
werden soll, verknüpft sind.
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Die
Metallelektrode 3 ist vorzugsweise geschmeidig. Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform,
die in 3 gezeigt ist, kann das piezoelektrische Plättchen 1 eine
Metallelektrode 3 und zwei beiderseits der Metallelektrode 2 angeordnete
Keramikelemente 2a, 2b aufweisen. Jedes der Keramikelemente 2a, 2b wird über einen
ersten Leiter 8 auf dasselbe elektrische Potential gebracht, wobei
ein zweiter Leiter 8a die Metallelektrode 3 auf ein
zweites elektrisches Potential bringt. Die zwei Keramikelemente 2a, 2b sind
außerdem
so angeordnet, dass ihre Polarisation in eine selbe Richtung gerichtet
ist. Ihre Verlagerungen unter der Einwirkung der Vibrationen erfolgen
dann in einer selben Richtung. Die sandwichartige Aufnahme der Metallelektrode 3 zwischen
den zwei Keramikelementen 2a, 2b ermöglicht somit
das Verstärken
der Vibrationen.
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Der
kapazitive Detektor 4, dessen Funktionsweise beispielsweise
in 4 schematisch dargestellt ist, ermöglicht das
Erfassen der Gegenwart eines Fingers, der betätigender Finger genannt wird, auf
einer Taste 9, die das piezoelektrische Plättchen 2 umschließt, um die
Umschaltfunktion zu verwirklichen, und zwar, indem eine Kapazitätsveränderung gemessen
wird. Der kapazitive Sensor 4 liefert am Ausgang S einen
Impuls mit fester Dauer. Dieser Impuls wird zu der elektronischen
Steuerschaltung 5 übertragen.
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Der
in 2 gezeigte Ablaufplan zeigt schematisch die Funktionsweise
des erfindungsgemäßen Schalters 1.
Ein Beginn des Funktionsablaufs wird erreicht, wenn der Anwender
beispielsweise einen Kontaktschlüssel
betätigt,
um so den Schalter 1 zu initialisieren und infolgedessen
die Erfassungsbetriebsart des Letzteren zu initialisieren.
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Anschließend geht
er, wenn der kapazitive Detektor 4 die Gegenwart eines
Fingers auf der Taste 9 erfasst, von der Erfassungsbetriebsart
in eine Schwingungsbetriebsart über,
wobei die elektronische Steuerschaltung 5 und die Mittel
zur Erzeugung eines taktilen Rückgabesignals 6 ein
Signal erzeugen, das die Vibrationen des piezoelektrischen Plättchens 2 hervorrufen.
Die Amplitude der Vibrationen und/oder ihre Dauer sind an die Dauer
der Betätigung der
Taste 9 angepasst.
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Wenn
der kapazitive Sensor 4 keine Gegenwart eines Fingers auf
der Taste 9 erfasst, bleibt das piezoelektrische Plättchen 2 in
einer Erfassungs- und Initialisierungsbetriebsart. Wenn der kapazitive
Sensor bei der Annäherung
des Fingers des Anwenders eine Kapazitätsveränderung erfasst, geht somit
das piezoelektrische Plättchen 2 über ein
Relais oder einen anderen Schalter des Typs Multiplexer, nicht gezeigt,
in eine Betriebsart "taktile
Rückgabe" über und beginnt für eine bestimmte
Dauer zu vibrieren. Diese Vibration dient somit als taktile Rückgabe an
den Finger des Anwenders. Die Metallelektrode 3 dient demnach
als Antenne.
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5 zeigt
ein weiteres Funktionsbeispiel eines Schalters 1, bei dem
die Metallelektrode 3 nicht als Antenne für den kapazitiven
Detektor 2 dient. Die Erfassung und die taktile Rückgabe erfolgen
somit über
verschiedene Mittel. Die Erfassungsbetriebsart ist immer aktiviert
und durch den Block DA (Détection Activé, Erfassung
aktiviert) in 5 angedeutet. Es ist nicht erforderlich,
die Metallelektrode 3 zwischen einer Erfassungsbetriebsart
und einer Schwingungsbetriebsart wechseln zu lassen.
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Das
die Vibration des piezoelektrischen Plättchens 2 erzeugende
Grundsignal ist vorzugsweise ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz
im Bereich zwischen 220 und 300 Hz. Der Vorteil dieses Signals ist,
dass es im Gegensatz zu Rechteck- oder Dreiecksignalen, die reich
an Oberschwingungen sind, keine Töne erzeugt. Außerdem sei
angemerkt, dass gerade um eine Frequenz von 250 Hz die Pacini-Korpuskel
die für
Vibrationen am empfindlichsten menschlichen mechanischen Hautrezeptoren
sind.
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Um
die Wahrnehmung der Vibration zu verstärken, könnte das Grundsignal gegebenenfalls
geringfügig
modifiziert werden, indem insbesondere das Grundsignal von etwa
250 Hz mit einem niederfrequenten Signal kombiniert wird. Das beispielsweise
sinusförmige
niederfrequente Signal kann beispielsweise eine Frequenz im Bereich
zwischen 10 Hz und 20 Hz aufweisen. In dieser Weise kann das Signal
amplitudenmoduliert werden, oder es können sinusförmige Schauern erzeugt werden.
Diese modifizierten Grundsignale bieten im Allgemeinen eine stärker wahrnehmbare
und angenehmere Empfindung als eine rein sinusförmige Vibration.
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Diese
verschiedenen Signale könnten
beispielsweise mit Hilfe eines Quarzoszillators oder eines Digital/Analog-Umsetzers über eine
Summierschaltung oder über
eine programmierbare Komponente, die eine Impulsbreitenmodulationsbetriebsart integriert,
gefolgt von einem Integrator, erzeugt werden.
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Der
Vorteil eines erfindungsgemäßen Schalters 1 beruht
auf seiner sehr großen
Anpassungsfähigkeit.
Es kann somit an einer zentralen Konsole vorgesehen sein, dass jede
Taste ein anderes taktiles Rückgabesignal
liefert. Außerdem
kann die Frequenz des Signals, die Form des modulierten Signals oder
die Frequenz des modulierten Signals verändert werden. Die Verwendung
kann somit einen taktilen Rückgabetyp,
der einer gegebenen Wahrnehmung entspricht, einer bestimmten Funktion
zuordnen.
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Die
Schalter 1 umfassen ein piezoelektrisches Plättchen 2,
das im Übrigen
das wesentliche Reduzieren ihres Raumbedarfs ermöglicht. Sie weisen außerdem sehr
kurze Ansprechzeiten im Millisekundenbereich auf; außerdem ist
ihr Verbrauch von elektrischer Energie gering.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel,
das in 6 teilweise gezeigt ist, umfassen die Mittel zum Erzeugen
einer Informationsrückgabe
taktiler Art einen Elektromotor 10, der eine Achse 11 rotatorisch antreibt.
Der Letztere ist einem Fliehgewicht 12 zugeordnet, das
durch irgendwelche Mittel und insbesondere über einen zylindrischen Befestigungsring 13 an der
Achse 11 angebracht ist.
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Das
Fliehgewicht 12 weist die Form eines Halbzylinders oder
eines Zylinderstumpfes auf, derart, dass es einen Schwerpunkt aufweist,
der in Bezug auf die Achse 11 radial exzentrisch ist.
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Bei
der Drehung der Achse 11 wird somit eine Vibration erhalten,
deren Frequenz von der Drehgeschwindigkeit der Achse 11 abhängt.
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Der
Motor ist den Stromversorgungsmitteln 14, 15 zugeordnet,
wobei die Speisung des Motors 10 vorteilhafterweise durch
die elektronische Steuerschaltung 5 für die Erfassung gesteuert wird.