EP3963422A1 - Bedienelement - Google Patents

Bedienelement

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Publication number
EP3963422A1
EP3963422A1 EP20710094.2A EP20710094A EP3963422A1 EP 3963422 A1 EP3963422 A1 EP 3963422A1 EP 20710094 A EP20710094 A EP 20710094A EP 3963422 A1 EP3963422 A1 EP 3963422A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control element
electrode
element according
driver arrangement
electrorheological
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20710094.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Biegger
Fabian Schrader
Georg TENCKHOFF
Michael Pantke
Joachim Biller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Publication of EP3963422A1 publication Critical patent/EP3963422A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H13/00—Switches having rectilinearly-movable operating part or parts adapted for pushing or pulling in one direction only, e.g. push-button switch
    • H01H13/02—Details
    • H01H13/12—Movable parts; Contacts mounted thereon
    • H01H13/20—Driving mechanisms
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G1/00—Controlling members, e.g. knobs or handles; Assemblies or arrangements thereof; Indicating position of controlling members
    • G05G1/02—Controlling members for hand actuation by linear movement, e.g. push buttons
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G1/00—Controlling members, e.g. knobs or handles; Assemblies or arrangements thereof; Indicating position of controlling members
    • G05G1/08—Controlling members for hand actuation by rotary movement, e.g. hand wheels
    • G05G1/10—Details, e.g. of discs, knobs, wheels or handles
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G5/00—Means for preventing, limiting or returning the movements of parts of a control mechanism, e.g. locking controlling member
    • G05G5/03—Means for enhancing the operator's awareness of arrival of the controlling member at a command or datum position; Providing feel, e.g. means for creating a counterforce
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H13/00—Switches having rectilinearly-movable operating part or parts adapted for pushing or pulling in one direction only, e.g. push-button switch
    • H01H13/02—Details
    • H01H13/12—Movable parts; Contacts mounted thereon
    • H01H13/14—Operating parts, e.g. push-button

Definitions

  • the invention relates to a control element, as it is preferably used in a vehicle, in particular a motor vehicle, a rail vehicle, an aircraft or egg nem watercraft.
  • the invention is based on the object of providing an operating element that allows the least possible distraction of a user.
  • an operating element comprising an electrorheological material, with at least one driver arrangement for generating a changeable electric field.
  • a change in the haptics of the operating element can be generated by a change in the electrical field. This can be brought about in particular by changing the shape of the control element and / or by changing the rigidity of the control element. In this way, communication with a user of the operating element can be achieved without the user having to look at the operating element himself and thus being distracted.
  • the electrorheological Ma material has an electrorheological elastomer.
  • the electrorheological Ma material has an electrorheological fluid.
  • the electrorheological property of the material can be used to bring about a change in properties when an electric field is applied to the electrorheological material.
  • the elastomer As far as the elastomer is electrorheological, it is an electrically polarizable elastomer. There are some elastomers that are inherently electrically polarizable, such as Polyvinyl chloride, PVC. Other elastomers, however, are hardly polarizable, such as styrene rubber materials, e.g. SEBS / SIBS / SEPS. Polarizable particles can also be dispersed in the elastomer.
  • the driver arrangement comprises a first electrode and a second electrode, between which an electric field can be applied.
  • the driver arrangement preferably has at least one flexible electrode, and the electrorheological material is at least partially arranged between the electrodes.
  • the electrode in question is preferably flexible.
  • the driver arrangement is designed to generate a vibration of the control element, in particular with different frequencies perceptible by the operator, different duration and / or in a terminating output.
  • a vibration could indicate to a user when a correct entry has been made, for example when a telephone number has been entered. Or it could be indicated to a user by different frequencies whether, for example, an input should be made to increase a specific value or to decrease a specific value. Furthermore, different frequencies can be used to give a user specific feedback or specific requirements for an input. In a corresponding manner, different durations and / or intermittent outputs of a frequency can be used in order to communicate with a user.
  • the driver arrangement is designed to allow at least part of the operating element to protrude from a surface when activated or to sink it into a surface.
  • control element when it is not needed, the control element can, for example, remain sunk in a surface and only be moved out when an input is required.
  • the operating element is preferably designed as a push button or button.
  • the operating element comprises a plurality of individual operating elements, each of which has its own driver arrangement. In this way, an entire input field can be implemented, for example for entering a telephone number.
  • the first electrode is designed to actuate an electrical switching device and is at least partially manually movable.
  • the operating element can otherwise be part of an electrical switching device, e.g. can be designed as a plunger or rotary knob for actuating a switch
  • the operating element itself can also be part of an electrical switching device, which is thus actuated directly via the first electrode.
  • the first electrode can preferably have a flexible area over which the actuation takes place.
  • the first electrode is arranged at a first end of the electrorheological elastomer and is designed to make contact with an intermediate electrode during manual activation.
  • the electrical switching device can thus be implemented between the first electrode and the intermediate electrode.
  • the driver arrangement is coupled to the first electrode and the second electrode, which is arranged at the other end of the elastomer.
  • the variable haptics are provided by means of the driver arrangement.
  • control element is designed in a particularly simple and compact manner, on the one hand to implement a switching device and, on the other hand, to provide a changeable haptic in order to be able to communicate with a user.
  • a first electrode is arranged at a first end and the second electrode is arranged at the other end of the elastomer. Both electrodes are coupled to the driver arrangement in order to provide the changeable haptics.
  • the electrical switching device has means for monitoring a change in the capacitance between the first and the second Electrode to register a movement of the first electrode. This allows the electrical switching device to be switched.
  • the operating element can be combined with an electrical switching device and galvanically isolated from the driver arrangement.
  • An operating element according to the invention can preferably be produced using 3D printing.
  • control element can be easily adapted to different applications and requirements.
  • an operating element according to the invention can preferably be used to communicate with an operator, for which purpose a change in the feel of the operating element that can be perceived by an operator is used.
  • a vibration can be used to give an operator feedback on activation of the control element or to prompt the operator to make an entry.
  • an operating element according to the invention can preferably be used in a vehicle, in particular a motor vehicle, a rail vehicle, an aircraft or a watercraft.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a control element according to the invention with an electrorheological elastomer
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an operator control element according to the invention with an electrorheological fluid
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a control element according to the invention, which consists of a plurality of individual electrorheological elements
  • Figure 4 is a partial view of an operating element according to the invention, which in a
  • FIG. 5 shows a view of the operating element according to FIG. 5 in the activated state, this partially protruding from the surface;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an operating element consisting of nine individual elements, each individual element additionally having a switching area
  • FIG. 7 shows an enlarged illustration of a further embodiment of a control element according to the invention, which on the one hand can be used as an electrical switching element and on the other hand has an electrorheological elastomer in order to be able to communicate with a user by changing the feel; and
  • FIG. 8 shows an enlarged illustration of a further embodiment of a control element according to the invention, which on the one hand can be used as an electrical switching element and on the other hand has an electrorheological elastomer in order to be able to communicate with a user through a changed haptic, the electrical switching element electronically evaluating the change in capacitance to trigger a switching process.
  • a schematic representation of an operating element according to the invention is designated as a whole by the number 10. It is an operating element 10 with an electrorheological elastomer 12 in the form of a block, at the two ends of which two electrical electrodes are provided, a first electrode 16 and a second electrode 18. The two electrodes 16, 18 can be connected via a driver arrangement 14 an electrical voltage can be applied.
  • a voltage source indicated only schematically by 20 is provided, as well as a switch 22.
  • the voltage source 20 is usually an electronic voltage source that emits a direct voltage or a variable direct voltage
  • the switch 22 is usually a is an electronic switch that is operated via a suitable controller.
  • polarizable particles are dispersed, which are reversibly polarized when an electric field is applied. This results in a contraction, as indicated by the two arrows 23, 24 in FIG. 1.
  • the elastomer 12 can also already be polarizable by default.
  • the electrodes 16, 18 are arranged at the ends of the elastomer 12, they should be designed to be flexible so that they can take part in a change in shape.
  • the driver arrangement 14 which includes the voltage source 20 and the switch 22, a change in length or change in cross section of the elastomer 12 can be achieved and / or a change in the rigidity. A vibration can also be achieved.
  • the electrorheological elastomer 12 can be designed not only in block form, as shown, but in almost any shape, which can easily be represented by 3D printing.
  • a hollow structure or a structured hollow structure with the same or different individual elements can be present.
  • Fig. 2 shows a second embodiment of an operating element according to the invention in a schematic representation, which is designated as a whole with 10a.
  • corresponding reference numbers are used for corresponding parts.
  • an electrorheological fluid 13 is used which is enclosed in a cavity of an elastomer 12.
  • the electrorheological (polarizable) molecules of the fluid align between the electrodes 16, 18 and thus generate an increased rigidity of the arrangement.
  • the operating element 10 or 10a according to FIG. 1 or 2 can be part of a switching element with which, for example, an electrical switch is operated.
  • the operating element 10 or 10a can thus be part of a mechanical plunger with which an electrical switch is operated.
  • the driver arrangement 14 is used to generate a variable haptic, which can be perceived by an operator, by changing the shape and / or rigidity of the elastomer 12 or the fluid 13.
  • a vibration of the elastomer 12 can be caused, with different frequencies, a different duration and / or an intermittent output being able to be used in order to exchange certain information with the operator.
  • the operating element can also consist of a plurality of individual elements, as is shown schematically in FIG.
  • the control element 10b according to FIG. 3 consists, for example, of nine individual control elements 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, which are arranged in a checkerboard manner.
  • Each individual operating element 26 to 34 has its own driver arrangement 14 and can be controlled individually (connections not shown). In this way, larger input fields can be implemented, for example like a telephone keypad.
  • a separate switching process can be implemented and communication with a user can take place in that a change in shape or a change in rigidity and thus a changed haptic is generated which is acceptable to a user.
  • FIG. 4 a further embodiment of an operating element according to the invention is shown and designated as a whole with 10d.
  • the operating element 10d is embedded in a surface 45 and is movable within it.
  • part of the operating element 10d ′ can protrude outwardly from the surface 45.
  • FIG. 6 shows a further control element, denoted overall by 10d, which consists of nine individual control elements 26 to 34 arranged in a checkerboard manner.
  • Each individual operating element 26 to 34 also has a switching area 47 which, when manually activated, triggers an electrical switching process.
  • a certain pressure point characteristic results in the non-activated state, by means of which a switching process can be triggered with manual actuation (fail-safe operation).
  • the switching characteristics can be changed and, on the other hand, communication with the user, as described above, can be achieved.
  • a further control element is shown as an example, which is designated as a whole by 10e.
  • This is an operating element in which, on the one hand, an electrical switching element 50 is implemented with two electrodes 16, 49 and which, on the other hand, is combined with an electrorheological elastomer 12 in order to generate a variable feel.
  • a first electrode 16 is provided which has a raised, outwardly protruding switching region 47. Adjacent to this is an intermediate electrode 49 which is electrically insulated from the first electrode 16 via an insulating layer 51. If the raised, outwardly protruding switching area 47 is pressed inward, this results finally, a contact with the intermediate electrode 49 below, so that an electrical switching process takes place between the first electrode 16 and the intermediate electrode 49.
  • the second electrode 18 is arranged at the other end of the electrorheological elastomer 12.
  • An electric field can be applied between the first electrode 16 and the second electrode 18 via a driver arrangement in the manner described above in order to generate a change in shape or length or a variable rigidity.
  • FIG. 8 shows a modification of the embodiment according to FIG. 7.
  • the operating element designated as a whole by 10f again has a first electrode 16 and a second electrode 18, between which an electrorheological elastomer 12 is enclosed.
  • the first electrode 16 in turn has a raised, outwardly protruding switching area 47 which can be operated manually.
  • the use of an intermediate electrode was dispensed with. Instead, the capacitance between the two electrodes 16, 17 is monitored by means of the switching device 50. If the switching area 47 is pressed in, the switching device 50 registers a change in the capacitance and thus carries out a switching process between the two connections 52, 54. Galvanic separation between the two connections 52, 54 on the one hand and the two electrodes 16, 18 on the other hand can be ensured.

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Abstract

Ein Bedienelement umfasst ein elektrorheologisches Material (12, 13) und mindestens eine Treiberanordnung (14) zum Erzeugen eines veränderbaren Magnetfeldes oder elektrischen Feldes. Mittels der Treiberanordnung (14) kann eine variable Haptik zur Wahrnehmung durch einen Bediener erzeugt werden.

Description

Bedienelement
Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, wie es vorzugsweise in einem Fahrzeug, ins besondere einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Luftfahrzeug oder ei nem Wasserfahrzeug verwendet wird.
In Fahrzeugen sind zahlreiche Bedienelemente vorgesehen, deren Betätigung leicht zu einer Ablenkung des Bedieners führen kann. Hierdurch können unerwünschte Reaktio nen oder ggf. sogar die Gefahr eines Unfalls entstehen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bedienelement bereitzustellen, das eine möglichst geringe Ablenkung eines Benutzers ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement, umfassend einen elektrorheologisches Material gelöst, mit mindestens einer Treiberanordnung zum Erzeugen eines veränder baren elektrischen Feldes.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß kann durch eine elektrische Feldänderung eine Veränderung der Haptik des Bedienelementes erzeugt werden. Dies kann insbesondere durch eine Ver änderung der Form des Bedienelementes und/oder durch eine Veränderung der Steifig keit des Bedienelementes bewirkt werden. Auf diese Weise kann eine Kommunikation mit einem Benutzer des Bedienelementes erreicht werden, ohne dass der Benutzer das Bedienelement selbst anschauen muss und somit abgelenkt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrorheologische Ma terial ein elektrorheologisches Elastomer auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrorheologische Ma terial ein elektrorheologisches Fluid auf. In beiden Fällen kann die elektrorheologische Eigenschaft des Materials genutzt wer den, um bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das elektrorheologische Material eine Eigenschaftsänderung zu bewirken.
Soweit das Elastomer elektrorheologisch ist, handelt es sich um ein elektrisch polari sierbares Elastomer. Es gibt einige Elastomere, die von Haus aus elektrisch polarisier bar sind, wie z.B. Polyvinylchlorid, PVC. Andere Elastomere sind dagegen kaum polari sierbar, wie etwa Styrolgummimaterialien, z.B. SEBS / SIBS / SEPS. Es können auch polarisierbare Partikel im Elastomer dispergiert sein.
Soweit ein elektrorheologisches Fluid verwendet wird, so versteht es sich, dass dieses in einem geeigneten Hohlraum eines Elastomers dichtend eingeschlossen sein muss.
Während bei elektrorheologischen Elastomeren unter Einfluss eines elektrischen Feldes sowohl eine Formänderung als auch eine Veränderung der Steifigkeit auftreten kann, beschränkt sich der Effekt im Falle eines elektrorheologischen Fluides auf eine Verän derung der Viskosität.
In beiden Fällen ergibt sich jedoch eine Veränderung der Haptik, die von einem Benut zer des Bedienelementes wahrnehmbar ist.
Die Treiberanordnung umfasst im einfachsten Fall eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, zwischen denen ein elektrisches Feld anlegbar ist.
Hierbei weist die Treiberanordnung bevorzugt zumindest eine flexible Elektrode auf, und das elektrorheologische Material ist zumindest teilweise zwischen den Elektroden angeordnet.
Da somit zumindest eine der Elektroden am Ende des durch das elektrorheologische Elastomer gebildeten Körpers angeordnet ist, und sich die Form, insbesondere die Länge oder Breite des Körpers, verändern kann, ist die betreffende Elektrode bevorzugt flexibel ausgebildet. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Treiberanordnung zur Erzeu gung einer Vibration des Bedienelementes ausgebildet, insbesondere mit unterschiedli chen vom Bediener wahrnehmbaren Frequenzen, unterschiedlicher Dauer und/oder in termittierender Ausgabe.
Auf diese Weise ist es ermöglicht, dem Benutzer durch eine Vibration anzuzeigen, dass eine Eingabe beispielsweise korrekt erfolgt ist.
So könnte einem Benutzer beispielsweise durch eine Vibration angezeigt werden, wenn eine korrekte Eingabe erfolgt ist, beispielsweise die Eingabe einer Telefonnummer ab geschlossen ist. Öder es könnte einem Benutzer durch unterschiedliche Frequenzen angezeigt werden, ob beispielsweise eine Eingabe zu einer Erhöhung eines bestimmten Wertes oder zu einer Erniedrigung eines bestimmten Wertes erfolgen soll. Ferner kön nen unterschiedliche Frequenzen genutzt werden, um einen Benutzer bestimmte Rück meldungen zu geben oder bestimmte Anforderungen an einer Eingabe. In entsprechen der Weise können unterschiedliche Dauern und/oder intermittierende Ausgaben einer Frequenz genutzt werden, um mit einem Benutzer zu kommunizieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Treiberanordnung dazu aus gebildet, zumindest einen Teil des Bedienelementes bei Aktivierung aus einer Oberflä che heraus hervortreten zu lassen oder in einer Oberfläche zu versenken.
Auf diese Weise kann das Bedienelement dann, wenn es nicht benötigt wird, beispiels weise in einer Oberfläche versenkt bleiben und nur dann herausgefahren werden, wenn eine Eingabe erforderlich ist.
Das Bedienelement ist vorzugsweise als Druckknopf oder Taster ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Bedienelement eine Mehrzahl von Einzelbedienelementen, die jeweils eine eigene Treiberanordnung auf weisen. Auf diese Weise kann ein ganzes Eingabefeld realisiert werden, beispielsweise zur Ein gabe einer Telefonnummer.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode zur Betäti gung einer elektrischen Schalteinrichtung ausgebildet und zumindest teilweise manuell beweglich.
Während das Bedienelement sonst Teil einer elektrischen Schalteinrichtung sein kann, z.B. als Stößel oder Drehknopf zur Betätigung eines Schalters ausgebildet sein kann, kann auch das Bedienelement selbst Teil einer elektrischen Schalteinrichtung sein, die so unmittelbar über die erste Elektrode betätigt wird. Hierzu kann die erste Elektrode vorzugsweise einen flexiblen Bereich aufweisen, worüber die Betätigung erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei die erste Elektrode an einem ersten Ende des elektrorheologischen Elastomers angeordnet und zur Kontaktierung einer Zwischenelektrode bei manueller Aktivierung ausgebildet.
So kann zwischen der ersten Elektrode und der Zwischenelektrode die elektrische Schalteinrichtung realisiert werden. Dagegen ist die Treiberanordnung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gekoppelt, die am anderen Ende des Elastomers angeordnet ist. Mittels der Treiberanordnung wird die veränderbare Haptik bereitge stellt.
Auf diese Weise ist das Bedienelement auf besonders einfache und kompakte Weise ausgestaltet, um einerseits eine Schalteinrichtung zu realisieren und um andererseits eine veränderbare Haptik bereitzustellen, um mit einem Benutzer kommunizieren zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an einem ersten Ende eine erste Elektrode angeordnet und die zweite Elektrode am anderen Ende des Elastomers ange ordnet. Beide Elektroden sind mit der Treiberanordnung gekoppelt, um die veränder bare Haptik bereitzustellen. Dabei weist die elektrische Schalteinrichtung Mittel zur Überwachung einer Veränderung der Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode auf, um eine Bewegung der ersten Elektrode zu registrieren. Dadurch kann die elektrische Schalteinrichtung geschaltet werden.
Auf diese Weise kann das Bedienelement mit einer elektrischen Schalteinrichtung kom biniert sein und von der Treiberanordnung galvanisch getrennt sein.
Ein erfindungsgemäßes Bedienelement ist vorzugsweise im 3D-Druck herstellbar.
Im 3D-Druck können nahezu beliebige Formen realisiert werden, so dass das Bedien element an unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen ohne weiteres anpass bar ist.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist ein erfindungsgemäßes Bedienelement vorzugs weise verwendbar, um mit einem Bediener zu kommunizieren, wozu eine von einem Bediener wahrnehmbare Änderung der Haptik des Bedienelementes verwendet wird. Hierbei kann etwa eine Vibration benutzt werden, um einem Bediener eine Rückmel dung auf eine Aktivierung des Bedienelementes zu geben oder um den Bediener zu ei ner Eingabe aufzufordern.
Wie bereits erwähnt, ist ein erfindungsgemäßes Bedienelement vorzugsweise in einem Fahrzeug verwendbar, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Luftfahrzeug oder einem Wasserfahrzeug.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläu ternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelemen tes mit einem elektrorheologischen Elastomer;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelemen tes mit einem elektrorheologischen Fluid;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelemen tes, das aus einer Mehrzahl von elektrorheologischen Einzelelementen besteht;
Figur 4 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Bedienelementes, das in einer
Oberfläche versenkt ist, im nicht aktivierten Zustand;
Figur 5 eine Ansicht des Bedienelementes gemäß Fig. 5 im aktivierten Zustand, wobei dieses teilweise aus der Oberfläche hervorsteht;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Bedienelementes bestehend aus neun Einzelelementen, wobei jedes Einzelelement zusätzlich einen Schaltbereich aufweist;
Figur 7 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungs gemäßen Bedienelementes, das einerseits als elektrisches Schaltelement verwendbar ist und andererseits ein elektrorheologisches Elastomer auf weist, um durch eine veränderte Haptik mit einem Benutzer kommunizie ren zu können; und
Figur 8 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungs gemäßen Bedienelementes, das einerseits als elektrisches Schaltelement verwendbar ist und andererseits ein elektrorheologisches Elastomer auf weist, um durch eine veränderte Haptik mit einem Benutzer kommunizie ren zu können, wobei das elektrischen Schaltelement die Kapazitätsverän derung elektronisch auswertet, um einen Schaltvorgang auszulösen. In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelementes insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Es handelt sich um ein Bedienelement 10 mit einem elektrorheologischen Elastomer 12 in Form eines Blockes, an dessen beiden En den zwei elektrische Elektroden vorgesehen sind, eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18. Die beiden Elektroden 16, 18 können über eine Treiberanordnung 14 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Hierzu ist eine lediglich sche matisch mit 20 angedeutete Spannungsquelle vorgesehen, sowie ein Schalter 22. Es versteht sich, dass die Spannungsquelle 20 üblicherweise eine elektronische Span nungsquelle ist, die eine Gleichspannung oder eine veränderliche Gleichspannung ab gibt und dass der Schalter 22 in der Regel ein elektronischer Schalter ist, der über eine geeignete Steuerung betrieben wird.
Im elektrorheologischen Elastomer 12 sind polarisierbare Teilchen dispergiert, die bei Anlegung eines elektrischen Feldes reversibel polarisiert werden. Hierdurch ergibt sich eine Kontraktion, wie durch die beiden Pfeile 23, 24 in Fig. 1 angedeutet. Auch kann das Elastomer 12 von Haus aus bereits polarisierbar sein.
Da die Elektroden 16, 18 an den Enden des Elastomers 12 angeordnet sind, sollten diese flexibel ausgebildet sein, so dass diese eine Formänderung mitmachen können. Durch die Treiberanordnung 14, die die Spannungsquelle 20 und den Schalter 22 um fasst, kann eine Längenänderung bzw. Querschnittsänderung des Elastomers 12 er reicht werden und/oder eine Veränderung der Steifigkeit. Auch kann eine Vibration er zielt werden.
Es versteht sich, dass das elektrorheologische Elastomer 12 nicht nur in Blockform, wie dargestellt, sondern in nahezu jeder beliebigen Form ausgebildet sein kann, was leicht durch 3D-Druck darstellbar ist. Es kann also beispielsweise eine Hohlstruktur oder eine strukturierte Hohlstruktur mit gleichen oder in unterschiedlichen Einzelelementen vorlie gen.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Bedienelementes in schematischer Darstellung, die insgesamt mit 10a bezeichnet ist. Hier werden, wie auch bei den nachfolgenden Figuren, entsprechende Bezugsziffern für entsprechende Teile verwendet.
Bei der Ausführung gemäß Figur 2 wird anstelle eines elektrorheologischen Elastomers ein elektrorheologisches Fluid 13 verwendet, das in einem Hohlraum eines Elastomers 12 eingeschlossen ist.
Bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 16, 18 richten sich die elektrorheologischen (polarisierbaren) Moleküle des Fluides zwischen den Elektroden 16, 18 aus und erzeugen so eine erhöhte Steifigkeit der Anordnung.
Das Bedienelement 10 oder 10a gemäß Fig. 1 bzw. 2 kann Teil eines Schaltelementes sein, mit dem etwa ein elektrischer Schalter betätigt wird. Das Bedienelement 10 bzw. 10a kann also beispielsweise Teil eines mechanischen Stößels sein, mit dem ein elektrischer Schalter betätigt wird. Die Treiberanordnung 14 wird dazu genutzt, um durch eine veränderte Form und/oder Steifigkeit des Elastomers 12 bzw. des Fluides 13 eine variable Haptik zu erzeugen, die von einem Bediener wahrnehmbar ist.
Somit kann an einen Bediener eine Rückmeldung gegeben werden, ob beispielsweise das Bedienelement korrekt getätigt wurde, um eine bestimmte Eingabe zu tätigen. Des Weiteren kann insbesondere eine Vibration des Elastomers 12 bewirkt werden, wobei unterschiedliche Frequenzen, eine unterschiedliche Dauer und/oder eine intermittie rende Ausgabe genutzt werden können, um mit dem Bediener bestimmte Informationen auszu tauschen.
Ferner kann das Bedienelement auch aus einer Mehrzahl von Einzelelementen beste hen, wie in Figur 3 schematisch dargestellt ist.
Das Bedienelement 10b gemäß Fig. 3 besteht beispielhaft aus neun Einzelbedienele menten 26, 27, 28, 29, 30, 31 , 32, 33, 34, die schachbrettartig angeordnet sind. Jedes Einzelbedienelement 26 bis 34 weist eine eigene Treiberanordnung 14 auf und kann einzeln angesteuert werden (Anschlüsse nicht dargestellt). Auf diese Weise können größere Eingabefelder realisiert werden, beispielsweise wie bei einer Telefontastatur. Mit jedem Einzelbedienelement 26 bis 34 kann ein eigener Schaltvorgang realisiert werden und eine Kommunikation mit einem Benutzer erfolgen, indem eine Formänderung bzw. eine Änderung der Steifigkeit und somit eine verän derte Haptik erzeugt wird, welche von einem Benutzer annehmbar ist.
In den Figuren 4 und 5 ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Bedien elementes dargestellt und insgesamt mit 10d bezeichnet. Hierbei ist das Bedienelement 10d in einer Oberfläche 45 eingelassen und innerhalb dieser beweglich. Bei Aktivierung kann, wie etwa in Fig. 5 beispielhaft angedeutet, ein Teil des Bedienelementes 10d' aus der Oberfläche 45 nach außen erhaben hervorstehen.
Fig. 6 zeigt ein weiteres insgesamt mit 10d bezeichnetes Bedienelement, welches aus neun schachbrettartig angeordneten Einzelbedienelementen 26 bis 34 besteht. Jedes Einzelbedienelement 26 bis 34 weist ferner einen Schaltbereich 47 auf, welcher bei ma nueller Aktivierung einen elektrischen Schaltvorgang auslöst. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Konstruktion ergibt sich im nicht aktivierten Zustand eine bestimmte Druckpunktcharakteristik, durch welche ein Schaltvorgang bei manueller Betätigung ausgelöst werden kann (Fail-Safe-Betrieb). Im aktivierten Zustand kann einerseits die Schaltcharakteristik verändert werden und andererseits eine Kommunikation mit dem Benutzer, wie vorstehend beschrieben, erreicht werden.
In Fig. 7 ist beispielhaft ein weiteres Bedienelement dargestellt, das insgesamt mit 10e bezeichnet ist. Hierbei handelt es sich um ein Bedienelement, bei dem einerseits ein elektrisches Schaltelement 50 mit zwei Elektroden 16, 49 realisiert ist und das anderer seits mit einem elektrorheologischen Elastomer 12 kombiniert ist, um eine variable Hap tik zu erzeugen.
An einem ersten Ende des elektrorheologischen Elastomers 12 ist eine erste Elektrode 16 vorgesehen, welche einen erhaben nach außen hervorstehenden Schaltbereich 47 aufweist. Daran angrenzend befindet sich eine Zwischenelektrode 49, die über eine Iso lierschicht 51 von der ersten Elektrode 16 elektrisch isoliert ist. Wird der erhaben nach außen hervorstehende Schaltbereich 47 nach innen eingedrückt, so ergibt sich schließlich ein Kontakt mit der darunterliegenden Zwischenelektrode 49, so dass zwi schen der ersten Elektrode 16 und der Zwischenelektrode 49 ein elektrischer Schaltvor gang erfolgt.
Am anderen Ende des elektrorheologischen Elastomers 12 ist die zweite Elektrode 18 angeordnet. Zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 kann über eine Treiberanordnung ein elektrisches Feld in der vorstehend beschriebenen Weise angelegt werden, um eine Formänderung bzw. Längenänderung oder eine variable Steifigkeit zu erzeugen.
Fig. 8 zeigt schließlich eine Abwandlung der Ausführung gemäß Fig. 7. Das insgesamt mit 10f bezeichnete Bedienelement weist wiederum eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18 auf, zwischen denen ein elektrorheologisches Elastomer 12 einge schlossen ist. Die erste Elektrode 16 weist wiederum einen erhaben nach außen her vorstehenden Schaltbereich 47 auf, der manuell betätigt werden kann.
Im Unterschied zu der Ausführung gemäß Figur 7 wurde jedoch auf die Verwendung ei ner Zwischenelektrode verzichtet. Stattdessen wird mittels der Schalteinrichtung 50 die Kapazität zwischen den beiden Elektroden 16, 17 überwacht. Wird der Schaltbereich 47 eingedrückt, so registriert die Schalteinrichtung 50 eine Veränderung der Kapazität und führt somit einen Schaltvorgang zwischen den beiden Anschlüssen 52, 54 aus. Dabei kann eine galvanische Trennung zwischen den beiden Anschlüssen 52, 54 einerseits und den beiden Elektroden 16, 18 andererseits gewährleistet sein.
Bezuqszeichen , 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f Bedienelement Elastomer
Fluid
Treiberanordnung
Spule
erste Elektrode
zweite Elektrode
Spannungsquelle
Schalter
Pfeil
Pfeil
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzelbedienelement
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Einzeltreiberanordnung
Oberfläche
Schaltbereich Zwischenelektrode Schaltelement Anschluss
Anschluss

Claims

Patentansprüche
1. Bedienelement, umfassend ein elektrorheologisches Material (12, 13) und mindestens eine Treiberanordnung (14) zum Erzeugen eines veränderbaren elektrischen Feldes.
2. Bedienelement nach Anspruch 1 , bei dem das elektrorheologische Material ein elektrorheologisches Elastomer (12) aufweist.
3. Bedienelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das elektrorheologische Ma terial ein elektrorheologisches Fluid (13) aufweist.
4. Bedienelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Treiberanord nung (14) eine erste Elektrode (16) und eine zweite Elektrode (18) umfasst, zwischen denen ein elektrisches Feld anlegbar ist.
5. Bedienelement nach Anspruch 4, bei dem die Treiberanordnung (14) zumin dest eine flexible Elektrode (16, 18) aufweist und das elektrorheologische Ma terial (12, 13) zumindest teilweise zwischen den Elektroden (16, 18) angeord net ist.
6. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das dazu ausge bildet ist, eine variable Haptik zur Wahrnehmung durch einen Bediener zu er zeugen.
7. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trei beranordnung (14) dazu ausgebildet ist, eine variable Steifigkeit des Bedien elementes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f ) zu bewirken.
8. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trei beranordnung (14) dazu ausgebildet ist, eine variable Form des Bedienele mentes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f ) zu bewirken.
9. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trei beranordnung (14) zur Erzeugung einer Vibration des Bedienelementes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) ausgebildet ist, insbesondere mit unterschiedli chen vom Bediener wahrnehmbaren Frequenzen, unterschiedlicher Dauer und/oder intermittierender Ausgabe.
10. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trei beranordnung (14) dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Bedienele mentes (10c) bei Aktivierung aus einer Oberfläche (45) heraus hervortreten zu lassen oder in einer Oberfläche (45) zu versenken.
11. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Druck knopf oder Taster ausgebildet ist.
12. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von Einzelbedienelementen (26, 27. 28, 29, 30, 31 , 32, 33, 34), die jeweils eine eigene Treiberanordnung (35, 36, 37, 38, 39, 40, 41 , 42, 43) auf weisen.
13. Bedienelement nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei der die erste Elekt rode (16) zur Betätigung einer elektrischen Schalteinrichtung (50) zumindest teilweise manuell beweglich ist.
14. Bedienelement nach Anspruch 13, mit einer ersten Elektrode (16) an einem ersten Ende, die zur Kontaktierung einer Zwischenelektrode (49) bei manuel ler Aktivierung angeordnet ist, um die elektrische Schalteinrichtung (50) zu re alisieren, und mit einer zweiten Elektrode (18), die am anderen Ende des Elastomers angeordnet ist und die zusammen mit der ersten Elektrode (16) mit der Treiberanordnung (14) gekoppelt ist, um die veränderbare Haptik be reitzustellen.
15. Bedienelement nach Anspruch 13, mit einer ersten Elektrode (16) an einem ersten Ende, und mit einer zweiten Elektrode (18), die am anderen Ende des Elastomers angeordnet ist und die zusammen mit der ersten Elektrode (16) mit der Treiberanordnung (14) gekoppelt ist, um die veränderbare Haptik be reitzustellen, wobei die elektrische Schalteinrichtung (50) Mittel zur Überwa chung einer Veränderung der Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (16, 18) umfasst, um bei Bewegung der ersten Elektrode (16) eine elektrische Schaltung zu realisieren.
16. Bedienelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, hergestellt durch 3D-Druck.
17. Verwendung des Bedienelementes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) nach ei nem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bedienelement (10, 10a,
10b, 10c, 10d, 10e, 10f ) dazu verwendet wird, über eine von einem Bediener wahrnehmbare Änderung der Haptik des Bedienelementes (10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f), mit einem Bediener zu kommunizieren, insbesondere durch eine Vibration eine Rückmeldung auf eine Aktivierung des Bedienelementes
(10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f) zu geben oder um den Bediener durch eine Vibration zu einer Eingabe aufzufordern.
18. Verwendung des Bedienelementes nach Anspruch 17 in einem Fahrzeug, ins besondere einem Kraftfahrzeug, einem Luftfahrzeug oder einem Wasserfahr zeug.
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