EP4172735A1 - Eingabegerät mit haptischer rückmeldung - Google Patents

Eingabegerät mit haptischer rückmeldung

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Publication number
EP4172735A1
EP4172735A1 EP21742736.8A EP21742736A EP4172735A1 EP 4172735 A1 EP4172735 A1 EP 4172735A1 EP 21742736 A EP21742736 A EP 21742736A EP 4172735 A1 EP4172735 A1 EP 4172735A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
unit
rotating part
operating
operating device
coupling
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.)
Pending
Application number
EP21742736.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Battlogg
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.)
Inventus Engineering GmbH
Original Assignee
Inventus Engineering GmbH
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 Inventus Engineering GmbH filed Critical Inventus Engineering GmbH
Publication of EP4172735A1 publication Critical patent/EP4172735A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/10—Input arrangements, i.e. from user to vehicle, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR 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
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0362—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 1D translations or rotations of an operating part of the device, e.g. scroll wheels, sliders, knobs, rollers or belts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K2360/00—Indexing scheme associated with groups B60K35/00 or B60K37/00 relating to details of instruments or dashboards
    • B60K2360/126—Rotatable input devices for instruments
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H19/00—Switches operated by an operating part which is rotatable about a longitudinal axis thereof and which is acted upon directly by a solid body external to the switch, e.g. by a hand
    • H01H19/001—Thumb wheel switches
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H3/00—Mechanisms for operating contacts
    • H01H2003/008—Mechanisms for operating contacts with a haptic or a tactile feedback controlled by electrical means, e.g. a motor or magnetofriction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H19/00—Switches operated by an operating part which is rotatable about a longitudinal axis thereof and which is acted upon directly by a solid body external to the switch, e.g. by a hand
    • H01H19/02—Details
    • H01H19/10—Movable parts; Contacts mounted thereon
    • H01H19/14—Operating parts, e.g. turn knob
    • H01H2019/146—Roller type actuators

Definitions

  • the present invention relates, in particular, to a haptic operating device with at least one operating unit and a method for operating an operating device.
  • the operating unit comprises at least one rotating part with at least one contact surface for rotating the operating unit and at least one rotatably accommodated rotor unit and at least one sensor unit.
  • the sensor unit is suitable at least for determining a rotary movement of the operating unit.
  • the operating device advantageously also comprises a controllable braking device. An input by a user can in particular take place as a result of the rotary movement.
  • Such haptic control devices are found, for example, as mouse wheels in computer mice, control buttons on steering wheels of z.
  • Input devices known in the prior art have the disadvantage that inputs by a user can only be implemented disadvantageously or only with a disproportionately large amount of effort on the part of the user due to their structural shape. This can be the case, for example, with the mouse wheels of computer mice, which are exposed to relatively high levels of friction. So it is possible that high bearing friction and also the influence of basic friction of a braking device have a disadvantageous effect if a user wants to quickly leaf through a long list or also scroll through a long list. So it can be that the friction in the bearing or the friction in a connected controllable braking device can practically lead to a rotation of the mouse wheel being relatively stiff. The mouse wheel must be actively rotated by a user. With long lists, for example, a user has to repeatedly drag his finger over the mouse wheel so that the mouse pointer moves to the end of the list. This can be particularly annoying with long lists.
  • the mouse wheel can be blocked for a certain angle of rotation or angle of rotation range by the adjustable decelerating braking force of the controllable braking device, or it can be set so strongly that the user practically feels a stop there when turning. This basically offers a very intuitive and pleasant way of working.
  • the angle of rotation can advantageously be limited and an angle of rotation range for z.
  • controllable braking device can apply a correspondingly high braking force, so that further turning of the mouse wheel is relatively difficult and the user feels a (virtual) stop.
  • the user has to apply a great deal of force, also to e.g. B. to turn the mouse wheel away from the (virtual) stop.
  • the set braking force must first be overcome until a sensor in the control system detects that the mouse wheel has been turned back and the control system perceives that the mouse wheel is no longer at the angle of rotation of the stop. then the braking force is reduced (suddenly) and further turning is quite easy.
  • control element "sticks" in the angle of rotation of the stop and can only be rotated further with a great deal of force. This is especially the case with control elements with magnetorheological braking devices when the brake is activated An attachment point irritates the user, since turning away from an attachment point should be able to take place without any particular resistance.
  • a method according to the invention is the subject matter of claim 30.
  • Preferred developments of the invention are the subject matter of the subclaims. Further advantages and features of the present invention emerge from the general description and the description of the exemplary embodiments.
  • An operating device has at least one operating unit.
  • the operating unit is rotatably received on a support body.
  • the operating unit comprises at least one rotating part with at least one contact surface for rotating the operating unit and at least one rotatably received and in particular rotatably mounted rotor unit on the support body.
  • the rotor unit and the rotating part are in particular in an operative connection with one another.
  • the rotor unit is arranged radially further inward than the rotating part.
  • There is at least one sensor unit which is particularly suitable for detecting a rotary movement of the operating unit.
  • the operating unit comprises at least one coupling device.
  • the coupling device is suitable and designed to enable (in particular, if necessary) an at least partial rotatability of the rotating part relative to the rotor unit.
  • an at least partial rotation of the rotating part is thereby possible independently of the bearing friction of the rotor unit and / or the braking of the rotor unit.
  • the coupling device is suitable and designed to provide at least partial rotatability of the rotating part relative to the rotor unit when free-wheeling of the operating unit is desired and / or when an operating unit blocked by the braking device is to be rotated further.
  • the coupling device comprises at least one coupling unit.
  • the rotating part and the rotor unit can, in particular, be optionally coupled and decoupled with one another.
  • the rotating part and the rotor unit can (at least essentially) be coupled so as to be non-rotatable. This offers many advantages and enables z. B. when scrolling through long lists a particularly pleasant free run.
  • the coupling unit is suitable and designed to block the rotatability of the rotating part relative to the rotor unit.
  • the coupling unit is suitable and designed to couple the rotating part and the rotor unit with one another in a frictionally engaged manner.
  • the clutch unit comprises at least one friction surface assigned to the rotating part and at least one assigned to the rotor unit Friction surface.
  • the friction surfaces can be pressed against one another for frictional engagement by means of an (e.g. electromagnetic) actuator.
  • the clutch unit enables the rotating part to run freely, which is independent of the bearing friction of the rotor unit and / or the braking of the rotor unit.
  • the clutch unit provides a free-wheeling of the rotating part relative to the rotor unit.
  • the rotating part is free to rotate relative to the rotor unit.
  • at least one full revolution and preferably several full revolutions are possible.
  • the coupling unit is preferably suitable and designed to enable or prevent the rotatability of the rotating part relative to the rotor unit regardless of whether the braking device brakes the operating unit or not.
  • At least one bearing point is provided between the rotating part and the rotor unit and for a bearing surface to be formed, for example.
  • the bearing point serves in particular for the rotatable mounting of the rotating part on the rotor unit, in particular when the rotating part is decoupled from the rotor unit.
  • the rotary movement of the rotary part can preferably be detected by the sensor device, in particular to carry out an input.
  • a common sensor unit is provided for detecting the rotary movement of the rotating part relative to the rotor unit and for detecting a common (coupled) rotary movement of the rotating part and rotor unit.
  • at least two separate sensor units it is also possible for at least two separate sensor units to be provided for this purpose.
  • Non-rotating in the sense of this application also includes that the rotating part and the rotor unit can be connected with some slip.
  • the rotating part and the The rotor unit can easily be rotated elastically with respect to one another, and in particular can be pivoted.
  • the operating device comprises at least one controllable braking device for targeted braking of the operating unit.
  • the invention has many advantages.
  • An essential advantage is that a particularly smooth mobility of the rotating part is made possible independently of the bearing friction of the rotor unit or an existing braking device.
  • a freewheel, d. H. a free rotary movement of the rotating part with respect to the rotor unit is possible in the uncoupled state of the coupling unit.
  • a user only has to set the operating unit in a rotary movement with a sufficiently large angular momentum when the coupling unit is decoupled. In the coupled state, forces can still be transmitted to a controllable braking device. Haptic feedback for the user is still advantageously possible.
  • the negative influence of a relatively high bearing friction and in particular a relatively high basic torque of the rotor unit and / or the braking device is minimized or practically completely eliminated.
  • the storage of the rotor unit can be designed for a long service life and / or good power transmission.
  • the sensor unit can directly detect the rotary movement of the rotating part. In this way, the user input can be reliably recognized in a coupled and a decoupled state. Possible errors in the transmission of the rotary movement through the coupling unit are excluded. The user can use the Continue to turn the control unit directly on the touch surface to make an entry.
  • the coupling unit can advantageously be switched so that it couples or also decouples depending on the user's wishes. Due to the coupling device, it is therefore possible to run freely or overrun even when there is high friction in the bearing of the rotor unit or when a controllable braking device is used.
  • the coupling unit is so small and lightweight that the one operating unit with a coupling device cannot be differentiated from an operating unit without a coupling device, and no significantly larger installation space has to be used.
  • Freewheeling and / or trailing of the rotating part within the meaning of this application includes, in particular, a relative rotary movement between a rotating part and, for example, a finger of the user touching the contact surface in the decoupled state after the input of an angular momentum.
  • the freewheel and / or the caster comprise at least one partial full revolution (by 360 °) of the rotating part after a single input of an angular momentum, without the user touching the contact surface of the rotating part.
  • the freewheeling and / or caster preferably comprises a plurality of revolutions of the rotating part or even a multiplicity of revolutions of the rotating part with respect to the rotor unit after the user has entered an angular momentum once, without the user touching the contact surface of the rotating part.
  • the coupling device has at least one elastic spring unit which connects the rotor unit and the rotating part in an elastically pivotable manner with respect to one another.
  • an elastic deformation of the spring unit allows the rotating part to be at least partially rotatable relative to the rotor unit possible.
  • the force of the spring unit is less and preferably several times less than the braking force which is provided for a (virtual) stop which is to be overcome with the spring unit for a specific angle of rotation.
  • At least the pivoting of the rotating part can preferably be detected by the sensor unit.
  • the sensor unit is preferably provided, which is also provided for detecting a common (coupled) rotary movement of the rotating part and the rotor unit.
  • the spring unit which is in particular at least partially elastic, enables a rotation of the rotating part to be detected, even if the rotor unit is decelerated, held or even completely blocked by a particularly magnetorheological braking device.
  • the rotating part can advantageously be pivoted at least to a small extent by the user even when the rotor unit is blocked. This prevents the operating unit from “sticking”, in particular in a blocked state. This pivoting or rotation of the rotating part can be detected by the sensor unit. This allows an input from a user to be detected despite the blocked braking device.
  • the spring unit can also be of advantage when the effort required to rotate the operating part is very great for a user.
  • a preset deceleration of the braking device can be difficult to overcome, especially for old, weak, physically disabled people.
  • a user must e.g. B. when turning back the rotating part at a stop defined by the control device and the braking device no longer overcome the (full) resistance of the braking device in order to turn the rotating part back a little.
  • the Spring unit Through the Spring unit, the input of the user is recorded so that the braking device when z. B. turning back can be controlled accordingly.
  • An existing deceleration of the braking device can only be reduced in a targeted manner in one direction of rotation. In one direction of rotation, there is only a slight or no noticeable resistance for the user, while in the other direction of rotation the braking resistance is fully maintained.
  • the spring element advantageously makes it possible to already detect a rotation request with a corresponding direction, although a rotation of the rotating part is currently blocked or at least very difficult to move.
  • the spring unit enables a higher spatial resolution of the action of the braking device within the range of motion of the operating unit. In this way, a user input can already be used to control the braking device before the rotor unit itself has rotated. In this way, a changed control of the braking device can be implemented immediately and before the connected rotor unit is rotated. This advantageously enables the braking device and the operating unit to be controlled with greater dynamics.
  • the coupling unit preferably comprises at least one magnetic coupling.
  • the coupling unit particularly advantageously comprises an electromagnetic coupling. Transmission by magnetic forces is particularly advantageous, since it is not or only slightly susceptible to contamination. At the same time, in particular, high forces between the Rotor unit and the rotating part are transmitted.
  • the electrical signal can switch a force-transmitting connection almost directly without a time delay.
  • the clutch itself has low internal friction and low losses. Wear is also low as a result.
  • the coupling unit particularly preferably has at least one mechanical coupling.
  • the clutch unit advantageously has at least one movable switching unit.
  • the movable switching element can advantageously be at least partially as a cylinder, cone, bolt, disc, cone, transmission arm,
  • Transfer base, cuboid and / or pin be executed and or comprise at least one such shaped element.
  • the movable switching unit can in particular be at least partially axially and / or also radially movable. It is also possible that the switching unit is designed to be at least partially tiltable about a pivot point.
  • the mechanical clutch advantageously has at least one friction lining.
  • the friction lining is designed in particular as a lamella and / or friction surface.
  • a frictional connection is advantageously generated by friction through the friction surface.
  • a frictional coupling is particularly compact and robust. The clutch can easily be replaced. Friction linings are inexpensive to manufacture. Friction linings can also be used with high speed differences without any problems.
  • Slipping is preferably also made possible by a friction lining. This can be of advantage, for example, in the event of unforeseeable malfunctions or very high forces.
  • the clutch slips through, so to speak as overload protection and protection for the user. An injury to a user due to excessive force can be targeted and controllable be excluded.
  • the mechanical coupling preferably has at least two interlocking shaped elements.
  • the mechanical coupling can also have several and / or a plurality of interlocking shaped elements.
  • the shaped elements advantageously comprise at least partially toothed elements, tongue and groove elements and / or also bolt elements, which can preferably engage in a bore.
  • mechanically form-fitting flange, claw or tooth elements are also possible.
  • a mechanically positive coupling can also be designed at least partially as a centrifugal clutch or at least partially comprise a centrifugal clutch and / or be based on the principle of inertia.
  • a form-fitting coupling has a freewheel, which enables a power transmission only in a certain direction and / or under certain conditions.
  • Positive-locking couplings are advantageously mechanically robust and also allow a coupling that is conformal to the angle.
  • the coupling unit has at least one control unit for controlling the movable switching unit.
  • the switching unit can be externally controlled or also self-controlled. Externally controlled coupling units are controlled externally.
  • Self-controlled coupling units have an internal control.
  • the control unit advantageously worked in particular electrically, electromagnetically, electromechanically (piezo element) or also purely mechanically.
  • electric motors and servomotors and sensor units with connected computer units are used as actuators.
  • a speed or an angle of rotation a speed or also an acceleration of a movement of the operating unit, in particular of the rotating part, an acting force, a in particular electrical power, an electrical current and / or a voltage and / or also other signals and parameters are used.
  • temperature-controlled systems are also conceivable.
  • Self-controlled clutch units can also use a centrifugal clutch with a spring preload or also a change in the mechanical and / or fluid mechanical properties of a fluid, such as the viscosity.
  • the mechanical coupling unit advantageously comprises at least one preloading unit.
  • the coupling unit can advantageously be preloaded into the coupled or the decoupled position.
  • the other position is then preferably implemented by the movable switching unit and a control unit.
  • the preload unit enables a defined initial state of the coupling unit.
  • force peaks and torque peaks can be advantageously buffered.
  • the preloading unit advantageously comprises at least one resilient element.
  • the coupling unit is preloaded, in particular in the coupled state, by the resilient element.
  • at least one tension / compression rod, an annular spring, a leaf spring, a spiral spring, a plate spring, a torsion bar spring and / or a cylindrical helical compression spring are advantageously used as metallic resilient elements.
  • spring elements can also be used.
  • the list presented here is not exhaustive.
  • a rubber buffer, fiber-reinforced plastic spring or even gas springs can also be used as the resilient element.
  • other effects for preloading such as resilient gas cushions, a pressurized and, in particular, flexible fluid bellows, etc., can also be used.
  • the coupling device in particular the coupling unit and / or the spring unit, at least partially received on the rotor unit.
  • the coupling device in particular the coupling unit and / or the spring unit, is at least partially received on the rotating part.
  • a space-saving and compact arrangement is advantageously made possible in this way.
  • the coupling device and in particular the coupling unit is arranged directly where the forces also have to be transmitted.
  • the rotating part is rotatably received on the rotor unit.
  • the rotating part is supported by at least one roller bearing and z.
  • the bearings can be integrated into the coupling unit, so that the coupling unit is arranged between the rotating part and the rotor unit. A coupling can thereby be made possible in a particularly simple and efficient manner and with a small structure.
  • the spring unit preferably comprises at least one elastomer spring element. This advantageously includes
  • Elastomer spring element at least one rubber buffer or also a (z. B. fiber-reinforced) plastic spring.
  • the spring element is at least partially ring-shaped and at least partially encloses the rotor unit.
  • the elastomer spring element can advantageously be loaded with torsion. Small rotations and / or pivoting movements can be implemented advantageously.
  • a progressive spring characteristic of a rubber buffer can be very advantageous. The elastic restoring force increases with increasing pivoting. In the event of a large overload, the rubber can burst away as a predetermined breaking point, so that a safety function is also provided.
  • the spring unit comprises at least one fixing unit for limiting the Suspension travel.
  • the fixing unit can be used to switch off the elastic suspension completely and to bypass it. This can be advantageous in the case of a very high rotational accuracy.
  • the fixing unit makes it possible to adapt the pivoting to the user.
  • the spring unit comprises at least one metal spring element.
  • the metal spring element can at least partially comprise a tension / compression rod, an annular spring, a leaf spring, a spiral spring, a helical spring, a plate spring, a torsion bar and / or a cylindrical helical compression spring.
  • Metallic spring elements are durable and robust.
  • Metal springs advantageously allow greater spring travel and / or pivoting than elastomer spring elements.
  • the spring characteristic can be composed of several different elements.
  • the spring characteristic of the spring unit is advantageously adjustable at least in certain areas.
  • the individual spring elements can be exchangeable.
  • it can be advantageous to set the preload of the spring element directly on the operating unit.
  • it is conceivable to fix individual turns of metal springs in a targeted manner or to block them and release them again if necessary. So the spring characteristic can be advantageous to a user who
  • Sensor device and / or a connected electrical system can be adapted.
  • the spring unit comprises at least one pretensioning unit.
  • the spring unit can advantageously be prestressed at least in sections by the prestressing unit.
  • the response behavior of the spring unit can be advantageously adapted. It is particularly advantageous to adjust the preload during operation. This is how it is coordinated in connection with a particularly magnetorheological braking device advantageously possible.
  • a maximum pivot angle between the rotating part and the rotor unit is less than 60 ° or 45 ° or even 30 ° or even in particular only 10 ° or even less z. B. less than 5 ° or 2 ° or even 1 °.
  • Such (large and small) pivoting and / or pivoting angles can particularly advantageously be implemented by means of metal springs.
  • a large swivel angle can also advantageously be used for an additional input by the operating unit.
  • additional functions in computer games can be made usable by a targeted rotation of several 5 ° or 10 ° (+/- 30 °). These can be reliably detected by the sensor unit.
  • a pivoting can also advantageously be used for input, preferably in computer programs and in particular in computer games. It is possible that a pivoting against the spring element can correspond to the cocking of an arrow bow or a catapult or the cocking of a trigger of a rifle. It is preferably possible here to adjust the spring element in such a way that the force of the spring element is preferably similar to the tension force of the bow, the bow being relaxed by letting go of the rotating part. A restoring force of the spring element is preferably so great that, in particular when the pivoted rotating part is relieved or released, it automatically pivots back into an in particular at least partially non-pivoted starting position due to the restoring force of the spring element.
  • the rotor unit is preferably blocked by the braking device and the rotating part can be rotated against the rotor unit.
  • Such an input can preferably be interpreted by a control software or a software program of a connected computer device as at least one rotational movement at a constant rotational speed. When the spring element is relaxed (or pivoted back), this is interpreted as a "movement stop".
  • a maximum pivot angle between the rotating part and the rotor unit of between 0.1 ° and 1 ° and in particular of approx. 0.05 ° (+/- 25%) is advantageously possible. Such a small one
  • Pivoting is advantageously possible, in particular, by a rubber spring element.
  • Spring units with a small pivoting angle can advantageously be used in conjunction with the sensor unit to overcome large decelerations of the braking device or to block the rotation. In this way, the deceleration and / or blocking of the braking device can be specifically canceled when a (very) small pivoting is already detected.
  • a user practically does not even notice that the elastically resilient unit is present, but has to become active himself and actuate the rotating part and pivot it slightly.
  • the rotating part at least partially comprises the rotor unit.
  • the rotating part is advantageously designed to be ring-shaped, at least in sections. This advantageously ensures good power transmission.
  • the annular rotating part can advantageously be arranged on the rotor unit. An annular rotating part is also easy to handle for a user.
  • the rotating part comprises at least one core element.
  • the turned part faces outside advantageously a rubber coating and / or a rubber coating for better adhesion, in particular of a finger and / or the hand of a user.
  • the core element preferably has a high density.
  • the density of the core element is between 2 kg / dm A 3 and 15 kg / dm A 3 and can in particular be up to 30 kg / dm A 3 or even more.
  • the core element can advantageously consist at least partially of steel, iron and / or lead.
  • the core element advantageously runs around in an annular rotating part, in particular in an annular manner.
  • the high density of the core element makes the turned part particularly sluggish. This improves the suitability for free or overrun.
  • the sensor unit preferably detects at least one change in the angle of rotation.
  • the sensor unit advantageously detects at least one angle of rotation position of the rotating part.
  • the sensor unit advantageously comprises at least one inductive, optical and / or mechanical displacement sensor, a sensor with variable resistance or a potentiometer, an ultrasonic sensor and / or a capacitively operating sensor and / or a magnetic sensor, in particular a Hall sensor, advantageously in Combination with a polarized magnetic ring.
  • at least one incremental encoder and / or at least one light barrier are used as sensors.
  • a digital electrical contact is also conceivable, which alone detects a rotation.
  • the electrical contact is particularly advantageous in connection with the spring unit when only "sticking", i.e. a blocking of the rotational movement by the braking device, is to be removed.
  • every possible configuration of the sensor unit enables a resolution of the angle of rotation of less than 0.05 °.
  • small swiveling and swiveling angles can also be recorded.
  • a more precise control of the braking device and an input is made possible.
  • At least one second sensor unit is particularly preferably present.
  • the second sensor unit is advantageously suitable for Detection of a rotary movement of the rotor unit.
  • the second sensor unit is also advantageously based on the same measuring principles as the first sensor unit. In this way, the rotation of the rotor unit relative to the rotating part can preferably be determined in general when the operating unit is in operation.
  • An initial acceleration can advantageously be derived from the rotation, which is particularly suitable for interpreting the user's input request quickly and reliably.
  • Initial acceleration can be used, for example, to set a high scrolling speed.
  • At least one magnetic ring can advantageously be used in combination with at least two Hall sensors, in particular as rotation angle sensors.
  • the magnetic ring is preferably arranged and in particular fastened on the rotating part in a rotationally fixed manner.
  • a Hall sensor is placed in a stationary manner next to the magnetic ring, which is suitable and designed to detect, in particular, at least one change in a magnetic field of the magnetic ring.
  • the second Hall sensor is advantageously arranged in particular non-rotatably on the rotor unit or is advantageously arranged at least partially therein.
  • the coupling unit when the coupling unit is in a coupled state, the rotor unit advantageously rotates with the rotating part and the one magnetic ring.
  • the coupling device advantageously comprises at least one coupling unit and at least one elastic spring unit. As a result, both functions are combined in one control unit.
  • the operating device preferably comprises at least one support body.
  • the operating unit is advantageously at least partially accommodated on the support body.
  • the support body enables the force support and / or at least partially installation in a housing or another component.
  • the rotor unit is preferably at least partially rotatably received on the support body.
  • the rotor unit is at least partially mounted on the support body.
  • at least one storage unit is advantageously formed on the support body and / or on the rotor unit.
  • the rotor unit advantageously at least partially encloses a stator unit.
  • the stator unit is in particular at least one component of the braking device.
  • the rotor unit advantageously at least partially encloses the stator unit.
  • the stator unit is advantageously at least partially fixed and / or at least partially fixedly received and / or supported on the support body.
  • the rotor unit is preferably at least partially or completely freely rotatable and / or received on the stator unit so that it can be pivoted through a limited angle.
  • the rotor unit and / or the stator unit are at least partially rotatably received on the support body.
  • the rotor unit and / or the stator unit can preferably also be held non-rotatably, that is to say statically, on the support body.
  • the braking device is preferably designed at least partially as a magnetorheological braking device.
  • At least one magnetorheological medium is present at least in regions between the rotor unit and the stator unit of the magnetorheological braking device.
  • the stator unit and / or the rotor unit advantageously comprises at least one electrically conductive coil.
  • the properties of the magnetorheological medium and in particular its viscosity can be influenced by the coil.
  • a mobility of the rotating part can advantageously be influenced by the braking device.
  • at least one haptic feedback or bidirectional communication can thereby be generated. The user receives haptic feedback through his input, which he made by rotating the rotating part.
  • a free run and / or overrun can advantageously be used in order to use the operating unit even more advantageously.
  • "Sticking" of the braking device can advantageously be prevented by the elastic spring unit.
  • inputs from users can be recorded directly and with high sensitivity.
  • a method according to the invention is used to operate an operator control device, and in particular an operator control device, as it is described here.
  • the method is designed in such a way that the operating device described above can then be operated.
  • the operating device according to the invention is suitable and designed to be operated according to the method.
  • an operating device with at least one operating unit and a specifically controllable braking device is provided.
  • the Operating unit can comprise at least one rotating part with at least one contact surface for rotating the operating unit and at least one rotor unit and at least one sensor unit.
  • the sensor unit is at least suitable for determining the rotary movement of the operating unit.
  • the rotating part and the rotor unit are preferably coupled and decoupled from one another as required (by means of a coupling device, in particular with a coupling unit and / or an elastic spring unit), in particular so that at least partial rotatability of the rotating part relative to the rotor unit is available when the operating unit is desired to run freely and / or if an operating unit blocked by means of the braking device is to be turned further.
  • a coupling device in particular with a coupling unit and / or an elastic spring unit
  • the rotating part and the rotor unit are coupled and decoupled from one another as required (by means of a coupling device), so that the rotating part can be at least partially rotated relative to the rotor unit if the operating unit should free-run and / or if an operating unit blocked by the braking device is to be rotated further (and in particular is to be rotated further with a force which is less than the braking force and / or which corresponds to the force of the elastic spring unit).
  • the decoupling enables at least partial rotation of the rotating part, which is independent of the bearing friction of the rotor unit and / or the braking of the rotor unit.
  • a rotary movement of the contact surface of the rotary part is decoupled or coupled to a rotary movement of the rotor unit by at least one coupling unit.
  • the sensor unit detects the rotary movement of the rotating part.
  • a rotary movement of the contact surface of the rotary part is effected by at least one elastic movement Spring unit is transmitted at least one coupling device by an elastic pivoting and / or rotation to the rotor unit.
  • the rotation is detected by the sensor unit or can be detected by the sensor unit.
  • a rotary movement of the rotor unit is preferably delayed, held (blocked) or also released by at least one braking device and in particular an agnetorheological braking device.
  • the rotating part can preferably be rotated and / or pivoted independently of the bearing friction of the rotor unit and / or the braking force of the braking device.
  • FIGS. 2a-2b show highly schematic representations of an operating device according to the invention in a sectional side view
  • 3a-3c show highly schematic representations of different embodiments of the area of the coupling device of an operating device according to the invention in a sectional view;
  • FIG. 4 shows a highly schematic representation of an operating device according to the invention in a perspective view; and 5 shows a highly schematic representation of a further operating device according to the invention in a sectional side view.
  • FIGS. 1 a to 1 f input devices 100 according to the invention are shown which are equipped with magnetorheological braking devices 11 and are operated according to the method according to the invention.
  • the input devices 100 here have input elements 102 designed as an input wheel 103.
  • FIG. 1 a shows an input device 100 configured as an operating button 106.
  • FIG. 1 b shows an input device 100 configured as a thumb roller 107.
  • FIGS. 1 c and 1 d show an input device 100 configured as a computer mouse 101.
  • the input wheel 103 is configured here as a mouse wheel 104.
  • FIG. 1e shows an input device 100 designed as a joystick 105.
  • FIG. 1f shows an input device 100 designed as a gamepad with a rotatable control button.
  • a linear movement 108 and a pivoting movement and / or rotary movement 109 are also identified in FIG.
  • FIG. 2a shows an exemplary embodiment of a haptic operating device 100 according to the invention in a highly schematic form in a sectional view. This embodiment is discussed on the basis of a possible application as an input wheel 103 in a computer mouse 101, but not restricted to this application.
  • the haptic operating device 100 comprises a supporting body 20 and an operating unit 2.
  • the operating unit 2 is received on the supporting body 20.
  • the operating unit 2 comprises a stator unit 21 which is firmly received on the support body 20.
  • the stator unit 21 also includes a coil unit, which is not shown in detail here.
  • the rotor unit 5 is also rotatably received on the support body 20 by the bearing unit 10 and, in particular, is supported. The rotary movement 7 takes place around the axis of symmetry shown Rotor unit 5.
  • the rotor unit 5 comprises and completely encloses the stator unit 21. Between the rotor unit 5 and the stator unit 21 there is a magnetorheological medium 22 which can be controlled in a targeted manner by the coil unit. By applying a voltage and a coil current, the viscosity of the magnetorheological medium 22 is changed. The rotary movement 7 can thereby be braked in a targeted manner. In this way, a user can in particular receive haptic feedback via an input.
  • a coupling device 8 is provided here.
  • a rotating part 3 is rotatably mounted on the coupling device 8 and the rotor unit 5.
  • a rotary movement 7 can be introduced into the system by a user via the contact surface 4.
  • the coupling device 8 can optionally be designed as a coupling unit 9 or as an elastic spring unit 12.
  • a rotary movement 7 of the rotary part 3 is detected here by a first sensor unit 6.
  • a pick-up of the sensor unit 6 is arranged on the support body 20, while a signal transmitter, such as a perforated disk, is arranged on the rotating part 3 itself.
  • a second sensor unit 6 for detecting the rotational movement 7 of the rotor unit.
  • the coupling device 8 can be designed as a coupling unit 9, for example.
  • the coupling unit 9 can couple the movement between the rotating part 3 and the rotor unit 5 in a rotationally secure manner.
  • a small elastic deformation or slipping is also possible, depending on the embodiment of the coupling unit 9.
  • forces can be transmitted between the rotor unit 5 and the rotating part 3.
  • a user can use a rotary movement 7 Input, for example in a computer unit, receive a response.
  • the mobility of the rotating part 3 can be influenced by the magnetorheological braking device 11.
  • the rotating part 3 can rotate freely with respect to the rotor unit 5. This greatly reduces the friction. A freewheeling or after-running of the rotating part 3 is possible. This enables an improved operability of the operating device 100 and the operating unit 2.
  • the rotating part 3 here comprises a core element 19 with a high density.
  • the core element 19 can be made of iron, for example. Due to the high density, the rotating part 3 has a high degree of inertia. This supports the after-run.
  • the coupling device 8 can also be designed here as an elastic spring unit 12.
  • the spring unit 12 can be designed here as an elastomer spring element 15 or as a metal spring element 16. In both cases, the spring unit enables pivoting 18 between the rotating part 3 and the rotor unit 5.
  • an input from a user can also be recorded when the rotor unit 5 is blocked by the magnetorheological braking device 11.
  • "sticking" of the operating unit 2 is prevented if the braking device 11 blocks a rotary movement 7 of the operating unit 2 or is very much delayed and a movement is to be initiated in the opposite direction, in the z. B. should not be braked.
  • FIG. 2b An alternative embodiment of the coupling unit 9 is shown in FIG. 2b.
  • the coupling unit 9 comprises two parts. On the one hand, part of the coupling unit 9 is arranged between the rotor unit 5 and the rotating part 3, so that the rotating part 3 can run freely.
  • the coupling is achieved here by the second part of the coupling unit 9, which is designed as a movable switching unit 13. This second part is arranged here next to the rotating part 3 and is axially movable.
  • the coupling can take place here, for example, by interlocking tooth elements or also a friction lining.
  • the coupling unit 9 is through a
  • Biasing unit 14 is biased into the coupled position.
  • the preload unit 14 is designed here as a spiral spring which is supported on the support body.
  • the coupling unit and the movable switching unit 13 can be switched between the coupled and the decoupled state by means of a switching unit (not shown).
  • FIG. 3a shows a purely schematic sectional view along the section line A-A from FIGS. 2a and 2b.
  • the coupling device 8 designed as a coupling unit 9 surrounds the rotor unit 5.
  • the rotating part 3 is also arranged here on the coupling unit 9.
  • a rotary movement 7, which is initiated by the contact surface 4, is not transmitted to the rotor unit 5 in the decoupled state. This enables freewheeling.
  • FIG. 3b also shows a purely schematic sectional view along the section line AA from FIGS. 2a and 2b.
  • the coupling device 8 is designed as a spring unit 12 and, in detail, as an elastomer spring element 15.
  • the elastomer spring element 15 is a rubber buffer here.
  • the rubber buffer surrounds the rotor unit 5 in a ring shape and connects the rotor unit 5 to the rotating part 3 Movement of the rotating part 3 can pivot and / or rotate it relative to the rotor unit 5 by the pivot angle 18. It can thus be ensured that an input by the user can also take place when the rotor unit 5 is blocked by the braking device 11.
  • a rotation can here, for example, amount to approx. 0.05 °, which can be detected by the sensor unit 6.
  • FIG 3c an alternative embodiment of the spring unit 12 from Figure 3b is shown.
  • a plurality of metal spring elements 16 in the form of leaf springs are arranged between the rotating part 3 and the rotor unit 5.
  • metal spring elements 16 By means of metal spring elements 16, a greater pivoting 18 or a greater pivoting angle 18 between the rotor unit 5 and the rotating part 3 can be generated. Up to 30 ° in particular are possible here.
  • a fixing and pretensioning unit 17 is also provided here.
  • the spring unit 12 can be bridged and fixed here by the fixing unit 17.
  • Metal spring element 16 are adapted. So it is possible to set the length of a spring travel or a certain part of the spring so that the spring characteristic changes. The spring characteristic can be adjusted in particular during operation. In addition, it is possible to exchange individual elastomer spring elements 15 or also metal spring elements 16. A combined use of elastomer spring elements 15 and metal spring elements 16 is also possible.
  • FIG. 4 shows a purely schematic perspective illustration of an operating device 100 according to the invention.
  • a coupling device 8 is arranged between the rotating part 3 and the rotor unit 5.
  • the coupling device 8 can be used as a coupling unit 9 or also as a spring unit 12 be executed.
  • the rotor unit 5 comprises the stator unit 21.
  • the rotor unit 5 and the stator unit 21 together form a magnetorheological braking device 11, which influences the mobility of the entire operating unit 2.
  • a user can rotate the operating unit 2 via the touch surface 4.
  • FIG. 5 shows an advantageously configured operating device 100.
  • the stator unit 21 which has a magnetic coil (not shown here).
  • a magnetically conductive rotor unit 5 is arranged around the stator unit 21 here.
  • a damping gap 31, which is filled with a magnetorheological medium, is formed between the two 5, 21.
  • the damping gap 31 is sealed off from the outside world by a seal 41, shown here as a simple sealing ring.
  • a rotating part 3 designed as an end cap is flanged onto the rotor unit 5 and can rotate with the rotor unit 5.
  • the rotating part 3 carries the contact surface here.
  • the rotating part 3 holds a magnetic ring 26 of the sensor unit 6 which, together with a Hall sensor 36, can measure the angle of rotation.
  • the rotor unit 5 is rotatably supported here by two bearing points of the storage unit 10. By applying a magnetic field, the viscosity of the magnetorheological medium is changed in a targeted manner in order to set a desired damping force. Rolling bodies (not shown here) or magnetic field concentrators firmly connected to the stator unit 21 can be located in the damping gap 31.
  • a coupling device 8 with a coupling unit 9 is used here in order to enable the freewheel in a targeted manner if necessary. If this z. If, for example, only the rotating part 3 with the contact surface 4 is decoupled and then rotated itself, then it cannot be detected with the sensor unit 6 (sensor 36 on print; magnetic ring 26) and an additional sensor would have to be installed. It is therefore advantageous to decouple the rotating part 3 together with the end cap from the rotor unit 5.
  • the decoupling takes place here by axially displacing the rotor unit 5 (the double arrow indicates the movement).
  • the coupling takes place on a respective conical friction surface 49 or contact surface of the rotor unit 5 and the rotating part 3 (facing one another), e.g. B. here purely through friction.
  • the surface can be provided with a coating that increases friction.
  • a toothing or other contour can also be attached to both friction surfaces 49, which produce a non-rotatable form fit.
  • the rotating part 3 together with the end cap is then rotatably supported by a bearing surface 30.
  • the rotation is only braked by the friction between the bearing surface 30 and the rotor unit 5.
  • the damping is considerably less than the friction or damping force that would result from the seals.
  • an electromagnet 29 can be used to move the rotor unit 5 and thus to decouple the rotating part 3.
  • the electromagnet 29 is switched on and the magnetically conductive rotor unit 5 is pulled in the direction of the electromagnet 29.
  • the coupling can then take place by a spring element (not shown here) which pushes the rotor unit 5 back into the coupled position.
  • z. B. the bearing point shown here on the left of the storage unit 10 can be moved and thus drag the rotor unit 5.
  • the medium here is an agnetorheological fluid which, for example, comprises an oil as a carrier fluid in which ferromagnetic particles 19 are present.
  • Glycol, grease, silicone, water, wax and viscous or thin-bodied substances can also be used as a carrier medium, without being restricted to them.
  • the carrier medium can also be gaseous and / or a gas mixture (e.g. air or ambient air) or the carrier medium can be dispensed with (vacuum or air and e.g. ambient air).
  • a gas mixture e.g. air or ambient air
  • the carrier medium can be dispensed with (vacuum or air and e.g. ambient air).
  • the magnetic field e.g. carbonyl iron
  • Mixing with other - preferably with lubricating properties - particles such as graphite, molybdenum, plastic particles, polymer materials is possible.
  • the powder with the designation CIP ER from the company BASF can be used with a minimum iron content of 97%, without coating and an average size of the particles of 5 lpm, or the CIP SQ- R from BASF with at least 98.5% iron content, 4.5 ⁇ m average size and Si02 coating.
  • the different powders differ in the size distribution of the particles, in the coating, in the particle shape etc.
  • the ferromagnetic or ferrimagnetic particles 19 are preferably carbonyl iron powder with spherical microparticles, the size distribution and shape of the particles depending on the specific application. Specifically preferred is a distribution of the particle size between one and twenty micrometers, but smaller ( ⁇ 1 micrometer) to very small (a few nanometers, typically 5 to 10 nanometers) or larger particles of twenty, thirty, forty and fifty micrometers are also possible. Depending on the application, the particle size can also be significantly larger and even penetrate into the millimeter range (particle spheres).
  • the particles can also be a special one Coating / jacket (titanium coating, ceramic, carbon jacket, polymer coating, etc.) so that they can better withstand the high pressure loads that occur depending on the application or are stabilized.
  • the particles can also have a coating against corrosion or electrical conduction.
  • the magnetorheological particles can not only consist of carbonyl iron powder (pure iron;
  • Iron pentacarbonyl but z. B. made of special iron (harder steel) or other special materials (magnetite, cobalt ...), or a combination thereof.
  • Superparamagnetic particles with low hysteresis are also possible and advantageous.
  • control unit 22 magnetorheological

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Abstract

Bedieneinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Bedieneinrichtung. Die Bedieneinrichtung weist eine Bedieneinheit auf, welche ein Drehteil mit einer Berührfläche zum Drehen der Bedieneinheit und eine drehbar aufgenommene Rotoreinheit und eine Sensoreinheit aufweist. Die Sensoreinheit ist zur Bestimmung einer Drehbewegung der Bedieneinheit geeignet. Die Bedieneinheit umfasst eine Kopplungseinrichtung, welche dazu geeignet und ausgebildet ist, eine wenigstens teilweise Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit zu ermöglichen.

Description

EINGABEGERÄT MIT HAPTISCHER RÜCKMELDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine insbesondere haptische Bedieneinrichtung mit wenigstens einer Bedieneinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer Bedieneinrichtung. Die Bedieneinheit umfasst wenigstens ein Drehteil mit wenigstens einer Berührfläche zum Drehen der Bedieneinheit und wenigstens eine drehbar aufgenommene Rotoreinheit und wenigstens eine Sensoreinheit. Die Sensoreinheit ist wenigstens zur Bestimmung einer Drehbewegung der Bedieneinheit geeignet. Die Bedieneinrichtung umfasst vorteilhaft ebenfalls eine steuerbare Bremseinrichtung. Durch die Drehbewegung kann insbesondere eine Eingabe eines Benutzers erfolgen.
Derartige haptische Bedieneinrichtungen finden beispielsweise als Mausräder in Computermäusen, Bedienknöpfen an Lenkrädern von z.
B. Autos, Smart Devices, haptischen Telefonhüllen, Hi-Fi-Anlagen, Fernbedienungen oder auch Fahrzeugsteuerungen vielfache Verwendung.
Im Stand der Technik bekannte Eingabegeräte haben den Nachteil, dass Eingaben eines Benutzers aufgrund der Bauform nur unvorteilhaft oder nur mit einem unverhältnismäßig großen Aufwand des Benutzers umgesetzt werden können. Dies kann zum Beispiel bei Mausrädern von Computermäusen der Fall sein, welche einer relativ hohen Reibung ausgesetzt sind. So ist es möglich, dass eine hohe Lagerreibung und auch der Einfluss einer Grundreibung einer Bremsvorrichtung sich nachteilig auswirken, wenn ein Benutzer schnell durch eine lange Liste blättern oder auch scrollen möchte. So kann es sein, dass die Reibung in der Lagerung oder die Reibung in einer verbundenen steuerbaren Bremseinrichtung praktisch dazu führen können, dass eine Drehbewegung des Mausrads relativ schwergängig ist. Das Mausrad muss durch einen Benutzer aktiv gedreht werden. So muss ein Benutzer beispielsweise bei langen Listen den Finger immer wieder über das Mausrad ziehen, damit sich der Mauszeiger zum Ende der Liste hin bewegt. Das kann besonders bei langen Listen stören.
Bei haptischen Bedieneinrichtungen mit einem zum Beispiel durch eine steuerbare Bremseinrichtung bremsbaren Mausrad kann das Mausrad durch die einstellbare verzögernde Bremskraft der steuerbaren Bremseinrichtung für einen gewissen Drehwinkel oder Drehwinkelbereich blockiert oder so stark eingestellt werden, dass der Benutzer beim Drehen dort praktisch einen Anschlag spürt. Das bietet grundsätzlich ein sehr intuitives und angenehmes Arbeiten.
Beispielsweise kann vorteilhaft der Drehwinkel begrenzt und ein Drehwinkelbereich für z. B. Einstellvorgänge in
Computerprogrammen oder anderen Eingabefeldern definiert werden. An den Enden des Eingabefeldes kann die steuerbare Bremseinrichtung eine entsprechend hohe Bremskraft aufbringen, sodass ein Weiterdrehen des Mausrads nur relativ schwer möglich ist und der Benutzer einen (virtuellen) Anschlag spürt.
Nachteilig ist aber, dass ein Benutzer eine relativ gesehen sehr große Kraft benötigt, um die Bedieneinheit wieder von einem solchen Anschlag wegzudrehen. Die eingestellte Bremskraft wirkt bei angezogener Bremse ggf. sogar in beide Drehrichtungen.
Deshalb muss der Benutzer eine große Kraft aufbringen, auch, um z. B. das Mausrad von dem (virtuellen) Anschlag wegzudrehen. Zunächst muss jedenfalls die eingestellte Bremskraft überwunden werden, bis ein Sensor der Steuerung feststellt, dass das Mausrad zurückgedreht wurde und die Steuerung wahrnimmt, dass sich das Mausrad nicht mehr im Drehwinkel des Anschlags befindet. Dann wird die Bremskraft (schlagartig) reduziert und das weitere Drehen geht recht leichtgängig.
Praktisch bedeutet dies, dass das Bedienelement in dem Drehwinkel des Anschlags „festklebt" und nur mit sehr viel Kraft weiter gedreht werden kann. Dies ist vor allem bei Bedienelementen mit magnetorheologischen Bremseinrichtungen der Fall, wenn die Bremse aktiviert ist. Dieses „Kleben" an einem Anschlagpunkt irritiert den Benutzer, da ein Wegdrehen von einem Anschlagpunkt an sich ja ohne besonderen Widerstand erfolgen können sollte.
Die zuvor beschriebenen Effekte können zu einem großen Zeitverlust und einer schnellen Ermüdung der Fingermuskulatur führen, beispielsweise wenn schnell und oft zwischen Anschlägen hin und her gescrollt wird.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Bedieneinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche diese nachteiligen Effekte wenigstens teilweise überwindet.
Die Aufgabe wird durch eine Bedieneinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruch 30. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Eine erfindungsgemäße Bedieneinrichtung weist wenigstens eine Bedieneinheit auf. Insbesondere ist die Bedieneinheit drehbar an einem Tragkörper aufgenommenen. Die Bedieneinheit umfasst wenigstens ein Drehteil mit wenigstens einer Berührfläche zum Drehen der Bedieneinheit und wenigstens eine drehbar an dem Tragkörper aufgenommene und insbesondere drehbar gelagerte Rotoreinheit. Die Rotoreinheit und das Drehteil stehen insbesondere in einer Wirkverbindung zueinander. Insbesondere ist die Rotoreinheit radial weiter innen als das Drehteil angeordnet. Es ist wenigstens eine Sensoreinheit vorhanden, welche insbesondere dazu geeignet ist, eine Drehbewegung der Bedieneinheit zu erfassen. Die Bedieneinheit umfasst wenigstens eine Kopplungseinrichtung. Dabei ist die Kopplungseinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, (insbesondere bedarfsweise) eine wenigstens teilweise Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit zu ermöglichen. Insbesondere ist dadurch unabhängig von der Lagerreibung der Rotoreinheit und/oder der Bremsung der Rotoreinheit eine wenigstens teilweise Drehung des Drehteils möglich. Insbesondere ist die Kopplungseinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, eine wenigstens teilweise Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit bereitzustellen, wenn ein Freilauf der Bedieneinheit gewünscht ist und/oder wenn eine mittels der Bremseinrichtung blockierte Bedieneinheit weitergedreht werden soll.
Mit einer solchen Kopplungseinrichtung werden die zuvor beschriebenen Effekte, welche zu einer schnellen Ermüdung der Fingermuskulatur führen, wirkungsvoll vermieden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kopplungseinrichtung wenigstens eine Kupplungseinheit. Vorzugsweise sind mittels der Kupplungseinheit das Drehteil und die Rotoreinheit insbesondere wahlweise miteinander koppelbar und entkoppelbar. Insbesondere sind das Drehteil und die Rotoreinheit (wenigstens im Wesentlichen) verdrehsicher koppelbar. Das bietet viele Vorteile und ermöglicht z. B. beim Scrollen durch lange Listen einen besonders angenehmen Freilauf.
Insbesondere ist die Kupplungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, die Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit zu blockieren. Insbesondere ist die Kupplungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, das Drehteil und die Rotoreinheit reibschlüssig miteinander zu koppeln. Insbesondere umfasst die Kupplungseinheit wenigstens eine dem Drehteil zugeordnete Reibfläche und wenigstens eine der Rotoreinheit zugeordnete Reibfläche. Insbesondere können die Reibflächen für einen Reibschluss mittels eines (z. B. elektromagnetischen) Aktuators aneinander gedrückt werden.
Insbesondere ist mittels der Kupplungseinheit ein Freilauf des Drehteils möglich ist, welcher unabhängig von der Lagerreibung der Rotoreinheit und/oder der Bremsung der Rotoreinheit ist. Insbesondere wird durch die Kupplungseinheit ein Freilauf des Drehteils relativ zur Rotoreinheit bereitgestellt. Insbesondere ist das Drehteil im Freilauf relativ zur Rotoreinheit frei drehbar. Insbesondere sind wenigstens eine volle Umdrehung und vorzugsweise mehrere volle Umdrehungen möglich. Vorzugsweise ist die Kupplungseinheit dazu geeignet und ausgebildet, die Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit unabhängig davon zu ermöglichen oder zu verhindern, ob die Bremseinrichtung die Bedieneinheit bremst oder nicht.
Es ist möglich, dass zwischen dem Drehteil und der Rotoreinheit wenigstens eine Lagerstelle vorgesehen und beispielsweise eine Lagerfläche ausgebildet ist. Die Lagerstelle dient insbesondere zur drehbaren Lagerung des Drehteils auf der Rotoreinheit, insbesondere wenn das Drehteil von der Rotoreinheit entkoppelt ist.
Vorzugsweise ist die Drehbewegung des Drehteils durch die Sensoreinrichtung erfassbar, insbesondere zur Durchführung eine Eingabe. Insbesondere ist eine gemeinsame Sensoreinheit zur Erfassung der Drehbewegung des Drehteils relativ zur Rotoreinheit und zur Erfassung einer gemeinsamen (gekoppelten) Drehbewegung von Drehteil und Rotoreinheit vorgesehen. Möglich ist aber auch, dass dazu wenisgtens zwei separate Sensoreinheiten vorgesehen sind.
Verdrehsicher im Sinne dieser Anmeldung umfasst auch, dass das Drehteil und die Rotoreinheit mit etwas Schlupf verbunden sein können. Außerdem oder statt dessen können das Drehteil und die Rotoreinheit zueinander leicht elastisch verdrehbar, und insbesondere verschwenkbar, sein.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Bedieneinrichtung wenigstens eine steuerbare Bremseinrichtung zur gezielten Bremsung der Bedieneinheit.
Die Erfindung hat viele Vorteile. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass eine besonders leichtgängige Beweglichkeit des Drehteils unabhängig von der Lagerreibung der Rotoreinheit oder einer vorhandenen Bremseinrichtung ermöglicht werden. Ein Freilauf, d. h. eine freie Drehbewegung des Drehteils gegenüber der Rotoreinheit, ist im entkoppelten Zustand der Kupplungseinheit möglich. Ein Benutzer kann mit der Einbringung eines Drehimpulses in das Drehteil insbesondere einen Freilauf oder auch Nachlauf des Drehteils erzeugen. So können lange Listen oder Dokumente schnell zu einer gesuchten Stelle durchsucht werden. Für einen Benutzer nicht relevante Passagen können dabei beispielsweise durch den Freilauf schnell übersprungen werden. Ein Benutzer muss lediglich die Bedieneinheit bei entkoppelter Kupplungseinheit mit einem genügend großen Drehimpuls in einer Drehbewegung versetzen. Im gekoppelten Zustand können weiterhin Kräfte einer steuerbaren Bremseinrichtung übertragen werden. Ein haptisches Feedback für den Benutzer ist weiterhin vorteilhaft möglich. Der negative Einfluss einer relativ hohen Lagerreibung und insbesondere eines relativ hohen Grunddrehmoments der Rotoreinheit und/oder der Bremseinrichtung wird minimiert oder praktisch ganz beseitigt.
Die Lagerung der Rotoreinheit kann auf eine lange Haltbarkeit und/oder eine gute Kraftleitung ausgelegt werden.
Weiter ist es ein besonderer Vorteil, dass die Sensoreinheit direkt die Drehbewegung des Drehteils erfassen kann. So kann in einem gekoppelten und einem entkoppelten Zustand die Benutzereingabe jeweils zuverlässig erkannt werden. Mögliche Fehler bei der Übertragung der Drehbewegung durch die Kupplungseinheit sind ausgeschlossen. Der Benutzer kann die Bedieneinheit weiterhin direkt an der Berührfläche zur Durchführung einer Eingabe drehen. Die Kupplungseinheit ist vorteilhaft so schaltbar, dass diese in Abhängigkeit des Wunsches des Benutzers koppelt oder auch entkoppelt. Durch die Kopplungseinrichtung ist es daher auch bei hoher Reibung der Lagerung der Rotoreinheit oder bei einer Nutzung einer steuerbaren Bremseinrichtung ein Frei- bzw. Nachlauf möglich.
Vorteilhaft ist die Kupplungseinheit dabei so klein und leichtbauend ausgeführt, dass die eine Bedieneinheit mit Koppeleinrichtung nicht von einer Bedieneinheit ohne Koppeleinrichtung unterscheidbar ist, bzw. kein wesentlicher größerer Bauraum genutzt werden muss.
Ein Freilauf und/oder ein Nachlauf des Drehteils im Sinne dieser Anmeldung umfasst insbesondere eine relative Drehbewegung zwischen einem Drehteil und beispielsweise einem die Berührfläche berührenden Finger des Benutzers im entkoppelten Zustand nach Eintrag eines Drehimpulses. Insbesondere umfasst der Freilauf und/oder der Nachlauf wenigstens eine teilweise volle Umdrehung (um 360°) des Drehteils nach einem einmaligen Eintrag eines Drehimpulses, ohne dass der Benutzer die Berührfläche des Drehteils berührt. Bevorzugt umfasst der Freilauf und/oder Nachlauf eine Mehrzahl an Umdrehungen des Drehteils oder sogar eine Vielzahl an Umdrehungen des Drehteils gegenüber der Rotoreinheit nach dem einmaligen Eintrag eines Drehimpulses durch den Benutzer, ohne dass der Benutzer die Berührfläche des Drehteils berührt.
Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass die Kopplungseinrichtung wenigstens eine elastische Federeinheit aufweist, welche die Rotoreinheit und das Drehteil zueinander elastisch verschwenkbar verbindet. Vorzugsweise ist durch eine elastische Verformung der Federeinheit auch bei aktiver Bremseinrichtung (bei gebremster und insbesondere blockierter Rotoreinheit) eine wenigstens teilweise Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit möglich. Insbesondere ist die Kraft der Federeinheit geringer und vorzugsweise um ein Mehrfaches geringer als die Bremskraft, welche für einen (virtuellen) Anschlag vorgesehen ist, der mit der Federeinheit für einen bestimmten Drehwinkel überwunden werden soll.
Vorzugsweise ist wenigstens die Verschwenkung des Drehteils durch die Sensoreinheit erfassbar. Vorzugsweise ist dazu die Sensoreinheit vorgesehen, welche auch zur Erfassung einer gemeinsamen (gekoppelten) Drehbewegung von Drehteil und Rotoreinheit vorgesehen.
Auch eine solche Bedieneinrichtung hat viele Vorteile. Die insbesondere wenigstens teilweise elastisch ausgeführte Federeinheit ermöglicht die Erfassung einer Drehung des Drehteils, auch wenn die Rotoreinheit durch eine insbesondere magnetorheologische Bremseinrichtung sehr stark verzögert, festgehalten oder sogar vollständig blockiert wird. Vorteilhaft kann das Drehteil durch den Benutzer auch bei blockierter Rotoreinheit wenigstens in einem geringen Maße verschwenkt werden. So wird ein „Kleben", insbesondere in einem blockierten Zustand, der Bedieneinheit verhindert. Diese Verschwenkung bzw. Drehung des Drehteils kann durch die Sensoreinheit erfasst werden. Dadurch kann eine Eingabe eines Benutzers trotz blockierter Bremseinrichtung erfasst werden.
Die Federeinheit kann bereits auch dann von Vorteil sein, wenn der benötigte Kraftaufwand zur Drehung des Bedienteils für einen Benutzer sehr groß ist. Eine voreingestellte Verzögerung der Bremseinrichtung kann vor allem für alte, schwache, körperlich behinderte Menschen schwer überwindbar sein.
Ein Benutzer muss z. B. beim Zurückdrehen des Drehteils an einem durch die Steuereinrichtung und die Bremseinrichtung definierten Anschlag den (vollen) Widerstand der Bremseinrichtung nicht mehr überwinden, um das Drehteil ein wenig zurückzudrehen. Durch die Federeinheit wird die Eingabe des Benutzers erfasst, sodass die Bremseinrichtung beim z. B. Zurückdrehen dementsprechend angesteuert werden kann. Eine vorhandene Verzögerung der Bremseinrichtung kann gezielt nur in eine Drehrichtung reduziert werden. So ist in eine Drehrichtung nur ein geringer bzw. kein spürbarer Widerstand mehr für den Benutzer vorhanden, während in die andere Drehrichtung der Bremswiderstand vollständig aufrechterhalten bleibt.
Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Benutzerwunsch bei gleichzeitig blockierter Bremseinrichtung zu erfassen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn keine sinnvolle Eingabe durch das blockierte Drehteil möglich ist oder das Drehteil für eine zeitlich nachfolgende Eingabe genau positioniert und blockiert bleiben muss. Das Federelement ermöglicht hierbei vorteilhaft einen Drehwunsch mit entsprechender Richtung bereits zu erfassen, obwohl eine Drehung des Drehteils zurzeit an sich blockiert oder zumindest sehr schwergängig ist.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Federeinheit eine höhere örtliche Auflösung der Wirkung der Bremseinrichtung innerhalb des Bewegungsbereichs der Bedieneinheit ermöglicht. So kann eine Benutzereingabe bereits zur Steuerung der Bremseinrichtung genutzt werden, bevor eine Drehbewegung der Rotoreinheit selbst stattgefunden hat. So kann eine geänderte Ansteuerung der Bremseinrichtung sofort und noch vor einer Drehung der verbundenen Rotoreinheit realisiert werden. So wird vorteilhaft eine Steuerung der Bremseinrichtung und der Bedieneinheit mit höherer Dynamik ermöglicht.
Bevorzugt umfasst die Kupplungseinheit wenigstens eine magnetische Kupplung. Besonders vorteilhaft umfasst die Kupplungseinheit eine elektromagnetische Kupplung. Besonders vorteilhaft ist die Übertragung durch magnetische Kräfte, da diese nicht oder nur gering anfällig für Verschmutzungen ist. Gleichzeitig können insbesondere hohe Kräfte zwischen der Rotoreinheit und dem Drehteil übertragen werden. Insbesondere bei einer elektromagnetischen Kupplung kann das elektrische Signal quasi direkt ohne Zeitverzögerung eine kraftübertragende Verbindung schalten. Die Kupplung selbst weist eine geringe innere Reibung und geringe Verluste auf. Auch der Verschleiß ist dadurch gering.
Besonders bevorzugt weist die Kupplungseinheit wenigstens eine mechanische Kupplung auf. Die Kupplungseinheit weist vorteilhaft wenigstens eine bewegliche Schalteinheit auf. Vorteilhaft kann das bewegliche Schaltelement wenigstens teilweise als Zylinder, Konus, Bolzen, Scheibe, Kegel, Übertragungsarm,
Übertragungsboden, Quader und/oder Stift ausgeführt sein und oder wenigstens ein solches Formelement umfassen. Diese Aufzählung ist nicht abschließend und soll hier lediglich Anhaltspunkte für mögliche Ausgestaltungen liefern. Dabei kann die bewegliche Schalteinheit insbesondere wenigstens teilweise axial und/oder auch radial beweglich sein. Es ist außerdem möglich, dass die Schalteinheit wenigstens teilweise um einen Schwenkpunkt kippbar ausgeführt ist.
Vorteilhaft weist die mechanische Kupplung wenigstens einen Reibbelag auf. Der Reibbelag ist insbesondere als Lamelle und/oder Reibfläche ausgeführt. Durch die Reibfläche wird vorteilhaft ein Kraftschluss durch Reibung erzeugt. Eine kraftschlüssige Kupplung ist insbesondere kleinbauend und robust. Die Kupplung kann einfach erneuert werden. Reibbeläge sind günstig in der Herstellung. Reibbeläge können auch bei hohen Geschwindigkeitsunterschieden problemlos eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird durch einen Reibbelag auch ein Durchrutschen ermöglicht. Dies kann zum Beispiel bei unvorhersehbaren Fehlfunktionen oder sehr hohen auftretenden Kräften von Vorteil sein. Quasi als Überlastschutz und Schutz für den Benutzer rutscht die Kupplung durch. Eine Verletzung eines Benutzers durch eine zu hohe Krafteinwirkung kann gezielt und steuerbar ausgeschlossen werden.
Vorzugsweise weist die mechanische Kupplung wenigstens zwei ineinandergreifende Formelemente auf. Darüber hinaus kann die mechanische Kupplung auch mehrere und/oder eine Vielzahl ineinandergreifender Formelemente aufweisen. Die Formelemente umfassen vorteilhaft wenigstens teilweise Zahnelemente, Nut- und Federelemente und/oder auch Bolzenelemente, welche bevorzugt in eine Bohrung eingreifen können. Darüber hinaus sind auch mechanisch formschlüssige Flansch-, Klauen- oder auch Zahnelemente möglich. Eine mechanisch formschlüssige Kupplung kann darüber hinaus auch wenigstens teilweise als Fliehkraftkupplung ausgelegt sein bzw. wenigstens teilweise eine Fliehkraftkupplung umfassen und/oder auf dem Prinzip der Trägheit basieren beruhen.
Außerdem wäre es denkbar, dass eine formschlüssige Kupplung über einen Freilauf verfügt, welche eine Kraftübertragung nur in eine bestimmte Richtung und/oder unter bestimmten Bedingungen ermöglicht. Vorteilhaft sind formschlüssige Kupplungen mechanisch robust und erlauben außerdem eine winkeltreue Kupplung.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Kupplungseinheit wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung der beweglichen Schalteinheit auf. Dabei kann die Schalteinheit fremdgesteuert oder auch selbstgesteuert sein. Fremdgesteuerte Kupplungseinheiten werden von außen gesteuert. Selbstgesteuerte Kupplungseinheiten verfügen über eine interne Steuerung. Vorteilhaft arbeitete die Steuereinheit insbesondere elektrisch, elektromagnetisch, elektromechanisch (Piezoelement) oder auch rein mechanisch. Als Aktoren kommen insbesondere Elektromotoren und Servomotoren und Sensoreinheiten mit angeschlossenen Rechnereinheiten zum Einsatz. Zur Steuerung kann insbesondere eine Drehzahl oder ein Drehwinkel, eine Geschwindigkeit oder auch eine Beschleunigung einer Bewegung der Bedieneinheit, insbesondere des Drehteils, eine wirkende Kraft, eine insbesondere elektrische Leistung, ein elektrischer Strom und/oder eine Spannung und/oder auch andere Signale und Kenngrößen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind auch temperaturgeregelte Systeme denkbar.
Selbstgesteuerte Kupplungseinheiten können auch eine Fliehkraftkupplung mit einer Federvorbelastung oder auch eine Änderung der mechanischen und/oder strömungsmechanischen Eigenschaften eines Fluids, wie zum Beispiel der Viskosität, nutzen.
Vorteilhaft umfasst die mechanische Kupplungseinheit wenigstens eine Vorbelastungseinheit. So kann die Kupplungseinheit vorteilhaft in die gekoppelte oder die entkoppelte Stellung vorbelastet werden. Die andere Stellung wird dann vorzugsweise durch die bewegliche Schalteinheit und eine Steuereinheit realisiert. Die Vorbelastungseinheit ermöglicht einen definierten Ausgangszustand der Kupplungseinheit. Außerdem können Kraftspitzen und Drehmomentspitzen vorteilhaft gepuffert werden. Die Vorbelastungseinheit umfasst vorteilhaft wenigstens ein federndes Element. Durch das federnde Element wird die Kupplungseinheit insbesondere in dem gekoppelten Zustand vorbelastet. Als metallische federnde Elemente kommt insbesondere wenigstens ein Zug-/Druckstab, eine Ringfeder, eine Blattfeder, eine Spiralfeder, eine Tellerfeder, eine Drehstabfeder und/oder auch eine zylindrische Schraubendruckfeder vorteilhaft zum Einsatz. Darüber hinaus können auch andere Federelemente zum Einsatz kommen. Die hier dargestellte Aufzählung ist nicht abschließend. Als federndes Element kann außerdem ein Gummipuffer, faserverstärkte Kunststofffeder oder auch Gasfedern zum Einsatz kommen. Darüber hinaus können auch andere Effekte zur Vorbelastung wie federnde Gaskissen, ein mit Druck beaufschlagter und insbesondere flexibler Fluidbalg, etc. zum Einsatz kommen.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kopplungseinrichtung, insbesondere die Kupplungseinheit und/oder die Federeinheit, wenigstens teilweise an der Rotoreinheit aufgenommen. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Kopplungseinrichtung, insbesondere die Kupplungseinheit und/oder die Federeinheit, wenigstens teilweise an dem Drehteil aufgenommen. Vorteilhaft wird so eine platzsparende und kleinbauende Anordnung ermöglicht. Die Kopplungseinrichtung und insbesondere Kupplungseinheit ist direkt dort angeordnet, wo auch die Kräfte übertragen werden müssen.
Vorzugsweise ist das Drehteil drehbar an der Rotoreinheit aufgenommen. Insbesondere ist das Drehteil durch wenigstens ein Wälzlager und z. B. Kugellager drehbar mit der Rotoreinheit verbunden und/oder gelagert. So wird eine effiziente Konstruktion mit kurzer Kraftleitung ermöglicht. Es können auch Gleitlager zum Einsatz kommen. Die Lager können in die Kupplungseinheit integriert sein, sodass die Kupplungseinheit zwischen dem Drehteil und der Rotoreinheit angeordnet ist. Eine Kupplung kann dadurch besonders einfach und effizient und kleinbauend ermöglicht werden.
Bevorzugt umfasst die Federeinheit wenigsten ein Elastomerfederelement. Vorteilhaft umfasst das
Elastomerfederelement wenigstens einen Gummipuffer oder auch eine (z. B. faserverstärkte) Kunststofffeder. Das Federelement ist insbesondere wenigstens teilweise ringförmig ausgeführt und umschließt die Rotoreinheit wenigstens teilweise. Das Elastomerfederelement kann vorteilhaft auf Torsion belastet werden. Kleine Verdrehungen und/oder Verschwenkungen können vorteilhaft umgesetzt werden. Dabei kann eine progressive Federkennlinie eines Gummipuffers sehr vorteilhaft sein. Die elastische Rückstellkraft wird mit steigender Verschwenkung immer größer. Bei großer Überlast kann das Gummi als Sollbruchstelle wegplatzen, sodass auch eine Sicherheitsfunktion gegeben ist.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Federeinheit wenigstens eine Fixiereinheit zur Begrenzung des Federwegs. Außerdem kann die Fixiereinheit genutzt werden, um die elastische Federung ganz auszuschalten und zu überbrücken. Dies kann bei einer sehr hohen Drehgenauigkeit vorteilhaft sein. Durch die Fixiereinheit ist es möglich, die Verschwenkung an den Benutzer anzupassen.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Federeinheit wenigstens ein Metallfederelement. Das Metallfederelement kann wenigstens bereichsweise einen Zug- /Druckstab, eine Ringfeder, eine Blattfeder, eine Spiralfeder, eine Schraubenfeder, eine Tellerfeder, einen Drehstab und/oder auch eine zylindrische Schraubendruckfeder umfassen. Metallische Federelemente sind langlebig und robust. Metallfedern ermöglichen vorteilhaft größere Federwege und/oder Verschwenkungen als Elastomerfederelemente. Die Federkennlinie kann durch mehrere verschiedene Elemente zusammengesetzt werden.
Vorteilhaft ist die Federkennlinie der Federeinheit wenigstens bereichsweise einstellbar. Hierzu können die einzelnen Federelemente austauschbar sein. Außerdem kann es vorteilhaft sein, die Vorspannung von dem Federelement direkt an der Bedieneinheit einzustellen. Außerdem ist es denkbar, einzelne Windungen von Metallfedern gezielt festzusetzen oder auch zu sperren und bei Bedarf wieder freizugeben. So kann die Federkennlinie vorteilhaft an einen Benutzer, die
Sensoreinrichtung und/oder eine angeschlossene Elektrik angepasst werden.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Federeinheit wenigstens eine Vorspanneinheit. Durch die Vorspanneinheit kann die Federeinheit vorteilhaft wenigstens abschnittsweise vorgespannt werden. Dadurch kann das Ansprechverhalten der Federeinheit vorteilhaft angepasst werden. Eine Einstellung der Vorspannung im Betrieb ist insbesondere vorteilhaft möglich. Eine Abstimmung in Verbindung mit einer insbesondere magnetorheologischen Bremseinrichtung ist so vorteilhaft möglich.
Vorzugsweise beträgt ein maximaler Schwenkwinkel zwischen dem Drehteil und der Rotoreinheit weniger als 60° oder 45° oder sogar 30° oder sogar insbesondere nur 10° oder noch weniger z. B. weniger als 5° oder 2° oder sogar 1°. Solche (großen und kleinen) Verschwenkungen und/oder Verschwenkwinkel sind insbesondere vorteilhaft durch Metallfedern realisierbar. Vorteilhaft kann ein großer Schwenkwinkel auch für eine zusätzliche Eingabe durch die Bedieneinheit genutzt werden. So können beispielsweise Zusatzfunktionen in Computerspielen durch eine gezielte Verdrehung von mehreren 5° oder 10° (+/- 30°) nutzbar gemacht werden. Diese sind zuverlässig durch die Sensoreinheit erfassbar.
Vorteilhaft kann eine Verschwenkung auch zur Eingabe vorzugsweise bei Computerprogrammen und insbesondere bei Computerspielen genutzt werden. Es ist möglich, dass eine Verschwenkung gegen das Federelement dem Spannen eines Pfeilbogens oder auch eines Katapults oder dem Spannen eines Abzugshahns eines Gewehrs entsprechen kann. Dabei ist es vorzugsweise möglich, das Federelement so einzustellen, dass sich die Kraft des Federelements vorzugsweise ähnlich zur Spannkraft des Bogens verhält, wobei sich der Bogen durch Loslassen der Drehteils entspannt. Vorzugsweise ist eine Rückstellkraft des Federelements so groß, dass insbesondere bei einer Entlastung bzw. einem Loslassen des verschwenkten Drehteils, dieses durch die Rückstellkraft des Federelements selbstständig in eine insbesondere wenigstens teilweise in ein unverschwenkte Ausgangsposition zurückschwenkt.
Darüber hinaus ist es außerdem möglich, eine große Verschwenkung vorzugsweise zum Scrollen, vorzugsweise zum schnellen Scrollen, insbesondere in Office-Anwendungen, Schneidprogrammen für Musik und Videos, Zoomen bei CAD-Programmen oder auch sonstigen Programmen zu verwenden. Die Aufzählung ist nicht abschließend und soll dem Leser hier nur als Anhaltspunkt insbesondere für eine mögliche Nutzung des Federelements dienen.
Vorzugsweise wird die Rotoreinheit durch die Bremseinrichtung blockiert und das Drehteil kann gegen die Rotoreinheit verdreht werden. Solch eine Eingabe kann vorzugsweise durch eine Steuerungssoftware oder ein Softwareprogramm einer verbundenen Rechnereinrichtung als wenigstens eine Drehbewegung mit konstanter Drehgeschwindigkeit interpretiert werden. Bei einer Entspannung (bzw. einem Zurückschwenken) des Federelements wird dies als „Bewegungsstopp" interpretiert.
Vorteilhaft ist ein maximaler Schwenkwinkel zwischen dem Drehteil und der Rotoreinheit zwischen 0,1° und 1° und insbesondere von ca. 0,05° (+/-25%) möglich. Solch eine kleine bzw. kleinste
Verschwenkung ist vorteilhaft durch insbesondere durch ein Gummifederelement vorteilhaft möglich. Federeinheiten mit einem kleinen Schwenkwinkel sind vorteilhaft zur Überwindung großer Verzögerungen der Bremseinrichtung oder einer Blockierung der Drehung in Verbindung mit der Sensoreinheit vorteilhaft nutzbar. So kann die Verzögerung und/oder Blockierung der Bremseinrichtung gezielt aufgehoben werden, wenn schon eine (sehr) kleine Verschwenkung detektiert wird. Ein Benutzer merkt vorteilhaft praktisch nicht einmal, dass die elastisch federnde Einheit vorhanden ist, muss aber selber aktiv werden und das Drehteil betätigen und leicht verschwenken.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Drehteil die Rotoreinheit wenigstens teilweise. Vorteilhaft ist das Drehteil wenigstens abschnittsweise ringförmig ausgebildet. Dadurch wird vorteilhaft eine gute Kraftübertragung gewährleistet. Außerdem kann das ringförmige Drehteil vorteilhaft an der Rotoreinheit angeordnet werden. Ein ringförmiges Drehteil ist außerdem leicht für einen Benutzer handhabbar.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Drehteil wenigstens ein Kernelement. Außen weist das Drehteil vorteilhaft einen GummiÜberzug und/oder eine Gummierung zur besseren Haftung insbesondere eines Fingers und/oder der Hand eines Benutzers auf. Vorzugsweise weist das Kernelement eine hohe Dichte auf. Insbesondere beträgt die Dichte des Kernelements zwischen 2 kg/dmA3 und 15 kg/dmA3 und kann insbesondere bis zu 30 kg/dmA3 oder noch mehr betragen. So kann das Kernelement vorteilhaft wenigstens teilweise aus Stahl, Eisen und/oder Blei bestehen. Das Kernelement läuft vorteilhaft in einem ringförmigen Drehteil insbesondere ringförmig um. Durch die hohe Dichte des Kernelements wird das Drehteil besonders träge. Dadurch verbessert sich die Eignung für einen Frei- oder Nachlauf.
Vorzugsweise erfasst die Sensoreinheit wenigstens eine Änderung des Drehwinkels. Vorteilhaft erfasst die Sensoreinheit wenigstens eine Drehwinkelposition des Drehteils. Vorteilhaft umfasst die Sensoreinheit dazu wenigstens einen induktiven, optischen und/oder mechanischen Wegsensor, einen Sensor mit veränderlichem Widerstand bzw. ein Potenziometer, einen Ultraschallsensor und/oder einen kapazitiv arbeitenden Sensor und/oder ein magnetischen Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor, vorteilhaft in Kombination mit einem polarisierten Magnetring. Als Sensoren kommen insbesondere wenigstens ein Inkrementgeber und/oder wenigstens eine Lichtschranke zum Einsatz. Darüber hinaus ist auch ein digitaler elektrischer Kontakt denkbar, welche allein eine Verdrehung detektiert. Der elektrische Kontakt kommt vor allem in Verbindung mit der Federeinheit vorteilhaft zum Einsatz, wenn ausschließlich ein „Kleben", d. h. eine Blockierung der Drehbewegung durch die Bremseinrichtung aufgehoben werden soll.
In allen Ausgestaltungen ist es vorteilhaft, dass jede mögliche Ausgestaltung der Sensoreinheit eine Auflösung des Drehwinkels von kleiner als 0,05° ermöglicht. Dadurch können auch kleine Verschwenkungen und Schwenkwinkel erfasst werden. Eine genauere Steuerung der Bremseinrichtung und einer Eingabe wird ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist wenigstens eine zweite Sensoreinheit vorhanden. Die zweite Sensoreinheit eignet sich vorteilhaft zur Detektion einer Drehbewegung der Rotoreinheit. Vorteilhaft beruht auch die zweite Sensoreinheit auf den gleichen Messprinzipien wie die erste Sensoreinheit. Vorzugsweise kann so die Verdrehung der Rotoreinheit zum Drehteil im Allgemeinen im Betrieb der Bedieneinheit ermittelt werden. Aus der Verdrehung kann vorteilhaft eine Anfangsbeschleunigung abgeleitet werden, welche sich insbesondere eignet, um den Eingabewunsch des Benutzers schnell und sicher zu interpretieren. Eine hohe
Anfangsbeschleunigung kann beispielsweise zur Einstellung einer hohen Scrollgeschwindigkeit genutzt werden.
Vorteilhaft kann insbesondere wenigstens ein Magnetring in Kombination mit wenigstens zwei Hallsensoren insbesondere als Drehwinkelsensoren genutzt werden. Dabei wird vorzugsweise der Magnetring an dem Drehteil insbesondere drehfest angeordnet und insbesondere befestigt. Insbesondere ein Hallsensor wird ortsfest neben dem Magnetring platziert, welcher dazu geeignet und ausgebildet ist, insbesondere wenigstens eine Änderung eines Magnetfelds des Magnetrings zu erfassen. Vorteilhaft ist der zweiter Hallsensor insbesondere drehfest an der Rotoreinheit angeordnet bzw. vorteilhaft wenigstens teilweise darin angeordnet. Insbesondere in einem gekoppelten Zustand der Kupplungseinheit dreht sich die Rotoreinheit vorteilhaft mit dem Drehteil und dem einen Magnetring mit. In diesem Fall wird insbesondere idealisiert keine Verschwenkung des Drehteils gegenüber der Rotoreinheit erfasst. Bei der realen Anwendung können jedoch insbesondere kleine Verschwenkungen durch die Kupplungseinheit auch im gekoppelten Zustand möglich sein. Insbesondere in einem entkoppelten Zustand ist eine Drehung des Magnetrings vorteilhaft durch den zweiten Hallsensor erfassbar.
Es ist insbesondere möglich, dass Messsignale von zwei Sensoreinheiten, welche auf einem gleichen und/oder ähnlichen Messprinzip beruhen miteinander zu vergleichen um eine Verschwenkung des Drehteils gegenüber der Rotoreinheit zu erfassen. Insbesondere bei der Nutzung von Hallsensoren können die Messsignale vorteilhaft direkt voneinander abgezogen werden. So kann insbesondere die Verarbeitung und die Erfassung einer Relativbewegung von dem Drehteil zu der Rotoreinheit vorteilhaft erfasst werden.
Vorteilhaft umfasst die Kopplungseinrichtung wenigstens eine Kupplungseinheit und wenigstens eine elastische Federeinheit. Dadurch werden beide Funktionen in einer Bedieneinrichtung vereint.
Vorzugsweise umfasst die Bedieneinrichtung wenigstens einen Tragkörper. Vorteilhaft ist die Bedieneinheit an dem Tragkörper wenigstens teilweise aufgenommen. Der Tragkörper ermöglicht die Kraftabstützung und/oder wenigstens teilweise einen Einbau in ein Gehäuse oder ein anderes Bauteil.
Bevorzugt ist die Rotoreinheit wenigstens teilweise an dem Tragkörper drehbar aufgenommen. Besonders bevorzugt ist die Rotoreinheit wenigstens teilweise an dem Tragkörper gelagert. Vorteilhaft ist an dem Tragkörper und/oder an der Rotoreinheit hierfür wenigstens eine Lagerungseinheit ausgebildet.
Vorteilhaft umschließt die Rotoreinheit eine Statoreinheit wenigstens teilweise. Die Statoreinheit ist insbesondere wenigstens ein Bestandteil der Bremseinrichtung. Vorteilhaft umschließt die Rotoreinheit die Statoreinheit wenigstens teilweise. Vorteilhaft ist die Statoreinheit wenigstens teilweise feststehend ausgebildet und/oder wenigstens teilweise feststehend an dem Tragkörper aufgenommen und/oder gelagert.
Vorzugsweise ist die Rotoreinheit wenigstens teilweise oder auch vollständig frei drehbar und/oder um einen begrenzten Winkel schwenkbar an der Statoreinheit aufgenommen.
In wenigstens einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Rotoreinheit und/oder die Statoreinheit wenigstens teilweise drehbar an dem Tragkörper aufgenommen. Vorzugsweise kann die Rotoreinheit und/oder die Statoreinheit auch nicht drehbar, also statisch an dem Tragkörper aufgenommen werden.
Vorzugsweise ist die Bremseinrichtung wenigstens teilweise als magnetorheologische Bremseinrichtung ausgeführt.
In wenigstens einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens bereichsweise zwischen der Rotoreinheit und der Statoreinheit der magnetorheologischen Bremseinrichtung wenigstens eines magnetorheologisches Mediums vorhanden. Vorteilhaft umfasst die Statoreinheit und/oder die Rotoreinheit wenigstens eine elektrisch leitende Spule. Durch die Spule kann das magnetorheologische Medium in seinen Eigenschaften und insbesondere der Viskosität beeinflusst werden. Vorteilhaft ist eine Bewegbarkeit des Drehteils durch die Bremseinrichtung beeinflussbar. Besonders bevorzugt kann dadurch wenigstens eine haptische Rückmeldung bzw. bidirektionale Kommunikation erzeugt werden. Der Benutzer bekommt ein haptisches Feedback durch seine Eingabe, welche er durch eine Drehbewegung des Drehteils gemacht hat. Gleichzeitig können erfindungsgemäß vorteilhaft ein Frei- und/oder Nachlauf genutzt werden, um die Bedieneinheit noch vorteilhafter zu nutzen. Vorteilhaft kann ein „Kleben" der Bremseinrichtung durch die elastische Federeinheit verhindert werden. Außerdem können Eingaben von Benutzern direkt und mit hoher Sensitivität erfasst werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Bedieneinrichtung und insbesondere einer Bedieneinrichtung, wie sie hier beschrieben ist. Insbesondere ist das Verfahren so ausgebildet, dass die zuvor beschriebene Bedieneinrichtung danach betrieben werden kann. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Bedieneinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, nach dem Verfahren betrieben zu werden. Beispielsweise ist eine Bedieneinrichtung mit wenigstens einer Bedieneinheit und einer gezielt steuerbaren Bremseinrichtung vorgesehen. Die Bedieneinheit kann wenigstens ein Drehteil mit wenigstens einer Berührfläche zum Drehen der Bedieneinheit und wenigstens eine Rotoreinheit und wenigstens eine Sensoreinheit umfassen. Die Sensoreinheit ist wenigstens dazu geeignet, die Drehbewegung der Bedieneinheit zu bestimmen. Vorzugsweise werden dabei das Drehteil und die Rotoreinheit (mittels einer Kopplungseinrichtung insbesondere mit einer Kupplungseinheit und/oder einer elastischen Federeinheit) bedarfsweise gekoppelt und voneinander entkoppelt, insbesondere sodass eine wenigstens teilweise Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit bereitsteht, wenn ein Freilauf der Bedieneinheit gewünscht ist und/oder wenn eine mittels der Bremseinrichtung blockierte Bedieneinheit weitergedreht werden soll.
Insbesondere werden das Drehteil und die Rotoreinheit (mittels einer Kopplungseinrichtung) bedarfsweise gekoppelt und voneinander entkoppelt, sodass eine wenigstens teilweise Drehbarkeit des Drehteils relativ zur Rotoreinheit bereitsteht, wenn ein Freilauf der Bedieneinheit gewünscht ist und/oder wenn eine mittels der Bremseinrichtung blockierte Bedieneinheit weitergedreht werden soll (und insbesondere mit einer Kraft weitergedreht werden soll, welcher geringer als die Bremskraft ist und/oder welche der Kraft der elastischen Federeinheit entspricht). Insbesondere ist durch das Entkoppeln eine wenigstens teilweise Drehung des Drehteils möglich, welche unabhängig von der Lagerreibung der Rotoreinheit und/oder der Bremsung der Rotoreinheit ist.
Es ist bevorzugt und vorteilhaft, dass eine Drehbewegung der Berührfläche des Drehteils wird durch wenigstens eine Kupplungseinheit von einer Drehbewegung der Rotoreinheit entkoppelt oder gekoppelt wird. Insbesondere erfasst die Sensoreinheit dabei die Drehbewegung des Drehteils.
Bevorzugt und vorteilhaft ist auch, dass eine Drehbewegung der Berührfläche des Drehteils durch wenigstens eine elastische Federeinheit wenigstens einer Kopplungseinrichtung durch eine elastische Verschwenkung und/oder Verdrehung an die Rotoreinheit übertragen wird. Insbesondere wird die Verdrehung durch die Sensoreinheit erfasst bzw. ist erfassbar durch die Sensoreinheit.
Vorzugsweise wird eine Drehbewegung der Rotoreinheit durch wenigstens eine Bremseinrichtung und insbesondere eine agnetorheologische Bremseinrichtung verzögert, festgehalten (blockiert) oder auch freigegeben. Vorzugsweise ist das Drehteil unabhängig von der Lagerreibung der Rotoreinheit und/oder der Bremskraft der Bremseinrichtung verdrehbar und/oder verschwenkbar.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
In den Figuren zeigen:
Fig. la-lf rein schematische dreidimensionale Ansichten von erfindungsgemäßen Bedieneinrichtungen;
Figur 2a-2b stark schematisierte Darstellungen einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht;
Fig. 3a-3c stark schematisierte Darstellungen verschiedener Ausführungsformen des Bereichs der Kopplungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung in einer Schnittansicht;
Fig. 4 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung in perspektivischer Ansicht; und Fig. 5 eine stark schematisierte Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung in einer geschnittenen Seitenansicht.
In den Figuren la bis lf sind erfindungsgemäße Eingabegeräte 100 gezeigt, welche mit magnetorheologischen Bremseinrichtungen 11 ausgestattet sind und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden. Die Eingabegeräte 100 weisen hier als Eingaberad 103 ausgebildete Eingabeelemente 102 auf.
Figur la zeigt ein als Bedienknopf 106 ausgebildetes Eingabegerät 100. Figur lb zeigt ein als Daumenwalze 107 ausgebildetes Eingabegerät 100. Figuren lc und ld zeigen ein als Computermaus 101 ausgebildetes Eingabegerät 100. Dabei ist das Eingaberad 103 hier als Mausrad 104 ausgebildet. Figur le zeigt ein als Joystick 105 ausgebildetes Eingabegerät 100. Figur lf zeigt ein als Gamepad ausgebildetes Eingabegerät 100 mit drehbarem Bedienknopf. In Figur le sind zusätzlich eine Linearbewegung 108 und eine Schwenkbewegung und/oder Drehbewegung 109 gekennzeichnet.
In Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen haptischen Bedieneinrichtung 100 in einer stark schematisierten Form in einer Schnittansicht. Diese Ausführungsform wird ausgehend von einer möglichen, jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkten Anwendung als Eingaberad 103 in einer Computermaus 101 diskutiert.
Die haptische Bedieneinrichtung 100 umfasst einen Tragkörper 20 und eine Bedieneinheit 2. An dem Tragköper 20 ist die Bedieneinheit 2 aufgenommen. Die Bedieneinheit 2 umfasst eine Statoreinheit 21, welche an dem Tragkörper 20 fest aufgenommen ist. Die Statoreinheit 21 umfasst außerdem eine Spuleneinheit, welche hier nicht im Detail dargestellt ist. Außerdem ist die Rotoreinheit 5 durch die Lagerungseinheit 10 ebenfalls an dem Tragkörper 20 drehbar aufgenommen und insbesondere gelagert. Die Drehbewegung 7 erfolgt um die dargestellte Symmetrieachse der Rotoreinheit 5.
Die Rotoreinheit 5 umfasst und umschließt die Statoreinheit 21 vollständig. Zwischen der Rotoreinheit 5 und der Statoreinheit 21 ist ein magnetorheologisches Medium 22 vorhanden, welches durch die Spuleneinheit gezielt ansteuerbar ist. Durch die Beaufschlagung mit einer Spannung und eines Spulenstroms wird die Viskosität des magnetorheologischen Mediums 22 verändert. Die Drehbewegung 7 kann dadurch gezielt abgebremst werden. Ein Benutzer kann dadurch insbesondere ein haptisches Feedback über eine Eingabe erhalten.
Hier ist eine Kopplungseinrichtung 8 vorhanden. Ein Drehteil 3 ist drehbar an der Kopplungseinrichtung 8 und der Rotoreinheit 5 gelagert. Über die Berührfläche 4 kann eine Drehbewegung 7 durch einen Benutzer in das System eingeleitet werden.
Die Kopplungseinrichtung 8 kann hier wahlweise als Kupplungs einheit 9 oder auch als elastische Federeinheit 12 ausgebildet sein.
Eine Drehbewegung 7 des Drehteils 3 wird hier durch eine erste Sensoreinheit 6 erfasst. Ein Aufnehmer der Sensoreinheit 6 ist an dem Tragkörper 20 angeordnet, während ein Signalgeber, wie eine Lochscheibe, an dem Drehteil 3 selbst angeordnet ist. Außerdem ist eine zweite Sensoreinheit 6 zur Erfassung der Drehbewegung 7 der Rotoreinheit vorhanden.
Hier kann die Kopplungseinrichtung 8 zum Beispiel als Kupplungseinheit 9 ausgeführt sein. Die Kupplungseinheit 9 kann die Bewegung zwischen dem Drehteil 3 und der Rotoreinheit 5 verdrehsicher koppeln. Hierbei ist eine kleine elastische Verformung oder ein Rutschen auch je nach Ausführungsform der Kupplungseinheit 9 möglich. Im gekoppelten Zustand können Kräfte zwischen der Rotoreinheit 5 und dem Drehteil 3 übertragen werden. Ein Benutzer kann über eine durch eine Drehbewegung 7 erfolgte Eingabe, zum Beispiel in einer Rechnereinheit, eine Rückmeldung erhalten. Hierzu kann die Bewegbarkeit des Drehteils 3 durch die magnetorheologische Bremseinrichtung 11 beeinflusst werden.
Durch die hohe Reibung des magnetorheologischen Mediums 22 und der Lagerungseinheit 10 der Rotoreinheit 5 wird eine Drehbewegung 7 der Bedieneinheit 2 hier stark gedämpft und verzögert. Ein eingetragener Drehimpuls kann daher nur unzureichend in eine Drehbewegung 7 der Bedieneinheit 2 umgesetzt werden. Ein Frei oder auch Nachlauf ist nicht möglich.
Im entkoppelten Zustand der Kupplungseinheit 9 kann sich das Drehteil 3 frei gegenüber der Rotoreinheit 5 drehen. Dadurch wird die Reibung stark reduziert. Ein Freilauf bzw. Nachlauf des Drehteils 3 ist möglich. Dadurch wird eine verbesserte Bedienbarkeit der Bedieneinrichtung 100 und der Bedieneinheit 2 ermöglicht.
Um den Nachlauf zusätzlich zu unterstützen, umfasst das Drehteil 3 hier ein Kernelement 19 mit einer hohen Dichte. Das Kernelement 19 kann beispielsweise aus Eisen gefertigt sein. Durch die hohe Dichte besitzt das Drehteil 3 eine hohe Trägheit. Der Nachlauf wird hierdurch unterstützt.
Darüber hinaus kann die Kopplungseinrichtung 8 auch hier als elastische Federeinheit 12 ausgeführt sein. Die Federeinheit 12 kann hier als Elastomerfederelement 15 oder als Metallfeder element 16 ausgeführt sein. In beiden Fällen wird hier durch die Federeinheit eine Verschwenkung 18 zwischen dem Drehteil 3 und der Rotoreinheit 5 ermöglicht. Dadurch kann eine Eingabe eines Benutzers auch dann erfasst werden, wenn die Rotoreinheit 5 durch die magnetorheologische Bremseinrichtung 11 blockiert ist. So wird insbesondere ein „Kleben" der Bedieneinheit 2 verhindert, wenn die Bremseinrichtung 11 eine Drehbewegung 7 der Bedieneinheit 2 blockiert oder sehr stark verzögert und eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung initiiert werden soll, in die z. B. gerade nicht gebremst werden soll.
In Figur 2b ist eine alternative Ausführungsform der Kupplungseinheit 9 dargestellt. Hier umfasst die Kupplungseinheit 9 zwei Teile. Zum einen ist ein Teil der Kupplungseinheit 9 zwischen der Rotoreinheit 5 und dem Drehteil 3 angeordnet, sodass der Freilauf des Drehteils 3 ermöglicht wird. Die Kopplung wird hier durch den zweiten Teil der Kupplungseinheit 9 erreicht, welcher als bewegliche Schalteinheit 13 ausgebildet ist. Dieser zweite Teil ist hier neben dem Drehteil 3 angeordnet und axial beweglich. Die Kopplung kann hier beispielsweise durch ineinandergreifende Zahnelemente oder auch einen Reibbelag erfolgen. Die Kupplungseinheit 9 ist durch eine
Vorbelastungseinheit 14 in die gekoppelte Stellung vorbelastet. Die Vorbelastungseinheit 14 ist hier als Spiralfeder ausgebildet, welche sich an dem Tragkörper abstützt. Durch eine nicht dargestellte Schalteinheit können die Kupplungseinheit und die bewegliche Schalteinheit 13 zwischen dem gekoppelten und dem entkoppelten Zustand geschaltet werden.
In Figur 3a ist eine rein schematische Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus den Figuren 2a und 2b dargestellt. Hier ist die als Kupplungseinheit 9 ausgeführte Kopplungseinrichtung 8 umschließt die Rotoreinheit 5. Weiter ist hier an der Kupplungseinheit 9 das Drehteil 3 angeordnet. Eine Drehbewegung 7, welche durch die Berührfläche 4 eingeleitet wird, wird im entkoppelten Zustand nicht an die Rotoreinheit 5 übertragen. So wird ein Freilauf ermöglicht.
In Figur 3b ist ebenfalls eine rein schematische Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A aus den Figuren 2a und 2b dargestellt. Hier ist die Kopplungseinrichtung 8 als Federeinheit 12 und im Detail als Elastomerfederelement 15 ausgeführt. Das Elastomerfederelement 15 ist hier ein Gummipuffer. Der Gummipuffer umschließt die Rotoreinheit 5 ringförmig und verbindet die Rotoreinheit 5 mit dem Drehteil 3. Bei einer Bewegung des Drehteils 3 kann sich dieses gegenüber der Rotoreinheit 5 um den Schwenkwinkel 18 verschwenken und/oder verdrehen. So kann gewährleistet werden, dass eine Eingabe des Benutzers auch dann erfolgen kann, wenn die Rotoreinheit 5 durch die Bremseinrichtung 11 blockiert wird. Eine Verdrehung kann hier zum Beispiel ca. 0,05° betragen, welche durch die Sensoreinheit 6 erfassbar ist.
In Figur 3c ist eine alternative Ausführungsform der Federeinheit 12 aus Figur 3b dargestellt. Zwischen dem Drehteil 3 und der Rotoreinheit 5 sind hier mehrere Metallfederelemente 16 in Form von Blattfedern angeordnet. Durch Metallfederelemente 16 kann eine größere Verschwenkung 18 bzw. einer größerer Verschwenkwinkel 18 zwischen der Rotoreinheit 5 und dem Drehteil 3 erzeugt werden. Hier sind insbesondere bis zu 30° möglich. Darüber hinaus ist hier auch eine Fixierungs- und Vorspanneinheit 17 vorhanden. Durch die Fixierungseinheit 17 kann die Federeinheit 12 hier überbrückt und festgestellt werden.
Hierdurch ist eine im Verhältnis starre Verbindung zwischen dem Drehteil 3 und der Rotoreinheit 5 möglich. Durch die Vorspanneinheit 17 kann die Federkennlinie des
Metallfederelements 16 angepasst werden. So ist es möglich, die Länge eines Federwegs oder auch einen bestimmten Teil der Feder festzusetzen, sodass sich die Federkennlinie verändert. Eine Einstellung der Federkennlinie kann insbesondere im Betrieb erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, einzelne Elastomerfederelemente 15 oder auch Metallfederelemente 16 auszutauschen. Auch eine kombinierte Nutzung von Elastomerfederelementen 15 und Metallfederelementen 16 ist möglich.
In Figur 4 ist eine rein schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bedieneinrichtung 100 dargestellt. Hier ist zwischen dem Drehteil 3 und der Rotoreinheit 5 eine Kopplungseinrichtung 8 angeordnet. Die Kopplungseinrichtung 8 kann als Kupplungseinheit 9 oder auch als Federeinheit 12 ausgeführt sein. Die Rotoreinheit 5 umfasst die Statoreinheit 21. Die Rotoreinheit 5 und die Statoreinheit 21 bilden zusammen eine magnetorheologische Bremseinrichtung 11, welche die Bewegbarkeit der gesamten Bedieneinheit 2 beeinflusst. Ein Benutzer kann die Bedieneinheit 2 über die Berührfläche 4 drehen.
Die Figur 5 zeigt eine vorteilhaft ausgestaltete Bedieneinrichtung 100 dargestellt. Im Zentrum ist hier die Statoreinheit 21, welche eine hier nicht gezeigte Magnetspule aufweist. Um die Statoreinheit 21 ist hier eine magnetisch leitende Rotoreinheit 5 angeordnet. Zwischen beiden 5, 21 ist ein Dämpfspalt 31 ausgebildet, welcher mit einem magnetorheologischen Medium gefüllt ist. Der Dämpfspalt 31 wird durch eine Dichtung 41, hier als einfacher Dichtungsring dargestellt, zur Außenwelt abgedichtet.
Auf die Rotoreinheit 5 ist hier ein als Endkappe ausgebildetes Drehteil 3 aufgeflanscht, das sich mit der Rotoreinheit 5 mitdrehen kann. Das Drehteil 3 trägt hier die Berührfläche. Das Drehteil 3 hält einen Magnetring 26 der Sensoreinheit 6, welcher zusammen mit einem Hallsensor 36 den Drehwinkel messen kann.
Die Rotoreinheit 5 wird hier durch zwei Lagerstellen der Lagerungseinheit 10 drehbar gelagert. Durch Anlegen eines Magnetfeldes wird die Viskosität des magnetorheologischen Mediums gezielt verändert, um eine gewünschte Dämpfkraft einzustellen. Im Dämpfspalt 31 können sich noch hier nicht gezeigte Wälzkörper oder fest mit der Statoreinheit 21 verbundene Magnetfeldkonzentratoren befinden.
Ohne angelegtes Magnetfeld wird eine Drehung der Rotoreinheit 5 durch die Reibung an den Lagerstellen und der Dichtung/den Dichtungen 41 gedämpft. Diese Grundreibung lässt sich nicht unterschreiten. Dadurch kann man keinen Freilauf des Drehteils 3 erreichen (d. h. sehr geringe Reibung erreichen, damit sich das Drehteil 3 lange von alleine weiter dreht, wenn es in Drehung versetzt wird).
Dazu wird hier eine Kopplungseinrichtung 8 mit einer Kupplungseinheit 9 eingesetzt, um den Freilauf bei Bedarf gezielt zu ermöglichen. Wenn dazu z. B. nur das Drehteil 3 mit der Berührfläche 4 ausgekoppelt wird und dann selbst gedreht wird, dann kann es nicht mit der Sensoreinheit 6 (Sensor 36 auf Print; Magnetring 26) erfasst werden und es müsste ein zusätzlicher Sensor verbaut werden. Daher ist es vorteilhaft, das Drehteil 3 samt der Endkappe von der Rotoreinheit 5 zu entkoppeln.
Die Entkopplung geschieht hier durch axiales Verschieben der Rotoreinheit 5 (der Doppelpfeil deutet die Bewegung an). An jeweils einer konischen Reibfläche 49 bzw. Kontaktfläche der Rotoreinheit 5 und des Drehteils 3 (zueinander gewandt) findet dabei die Kopplung statt, z. B. hier rein durch Reibung. Dazu kann die Oberfläche mit einer Beschichtung versehen sein, die die Reibung erhöht. Oder es kann auch eine Verzahnung oder andere Kontur auf beiden Reibflächen 49 angebracht sein, die einen drehfesten Formschluss erzeugen.
Die Drehteil 3 mitsamt der Endkappe wird dann durch eine Lagerfläche 30 drehbar gelagert. Die Drehung wird nur noch von der Reibung zwischen Lagerfläche 30 und Rotoreinheit 5 gebremst. Die Dämpfung ist dabei erheblich geringer als die Reibung bzw. Dämpfkraft, die durch die Dichtungen entstehen würden.
Beispielsweise kann ein Elektromagnet 29 verwendet werden, um die Rotoreinheit 5 zu bewegen und so das Drehteil 3 abzukoppeln. Dazu wird der Elektromagnet 29 eingeschaltet und die magnetisch leitende Rotoreinheit 5 in Richtung des Elektromagneten 29 gezogen. Die Einkopplung kann dann durch ein Federelement geschehen (hier nicht gezeigt), welches die Rotoreinheit 5 wieder zurück in die eingekoppelte Position schiebt. Alternativ kann z. B. auch die hier links gezeigte Lagerstelle der Lagerungseinheit 10 verschoben werden und so die Rotoreinheit 5 mitziehen. Das Medium ist hier ein agnetorheologisches Fluid, welches beispielsweise als Trägerflüssigkeit ein Öl umfasst, in dem ferromagnetische Partikel 19 vorhanden sind. Glykol, Fett, Silikon, Wasser, Wachs und dickflüssige oder dünnflüssige Stoffe können auch als Trägermedium verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein. Das Trägermedium kann auch gasförmig und/oder ein Gasgemisch sein (z. B. Luft bzw. Umgebungsluft) bzw. es kann auf das Trägermedium verzichtet werden (Vakuum oder Luft und z. B. Umgebungsluft). In diesem Fall werden lediglich durch das Magnetfeld beeinflussbare Partikel (z. B. Carbonyleisen) in den Aufnahmeraum bzw. Wirkspalt gefüllt. Eine Vermischung mit anderen - vorzugsweise mit schmierenden Eigenschaften - Partikel wie Grafit, Molybdän, Kunststoffpartikeln, polymere Materialien sind möglich. Es kann auch eine Kombination aus den genannten Materialien sein (z.B. Carbonyleisenpulver vermischt mit Graphit und Luft als Trägermedium). Als Carbonyleisenpulver ohne (flüssiges) Trägermedium kann zum Beispiel von der Firma BASF das Pulver mit der Bezeichnung CIP ER verwendet werden mit einem Mindestanteil an Eisen von 97%, ohne Beschichtung und einer Durchschnittsgröße der Partikel von 5,lpm, oder auch das CIP SQ-R von BASF mit mindestens 98,5% Eisenanteil, 4,5pm Durchschnittsgröße und Si02-Beschichtung. Die verschiedenen Pulver unterscheiden sich in der Größenverteilung der Partikel, in der Beschichtung, in der Partikelform etc.
Die ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Partikel 19 sind vorzugsweise Carbonyleisenpulver mit sphärischen Mikropartikeln, wobei die Größenverteilung und Form der Partikel vom konkreten Einsatzfall abhängt. Konkret bevorzugt ist eine Verteilung der Partikelgröße zwischen ein und zwanzig Mikrometern, wobei aber auch kleinere (< 1 Mikrometer) bis sehr kleine (wenige Nanometer, typischerweise 5 bis 10 Nanometer) oder größere Partikel von zwanzig, dreißig, vierzig und fünfzig Mikrometer möglich sind. Je nach Anwendungsfall kann die Partikelgröße auch deutlich größer werden und sogar in den Millimeterbereich Vordringen (Partikelkugeln). Die Partikel können auch eine spezielle Beschichtung/Mantel (Titanbeschichtung, Keramik-, Karbonmantel, polymere Beschichtung etc.) aufweisen, damit sie die je nach Anwendungsfall auftretenden hohen Druckbelastungen besser aushalten bzw. stabilisiert sind. Die Partikel können auch eine Beschichtung gegen Korrosion oder elektrische Leitung haben. Die magnetorheologischen Partikel können für diesen Anwendungsfall nicht nur aus Carbonyleisenpulver (Reineisen;
Eisenpentacarbonyl), sondern z. B. auch aus speziellem Eisen (härterem Stahl) oder anderen speziellen Materialien (Magnetit, Cobalt...), oder einer Kombination daraus, hergestellt werden. Superparamagnetische Partikel mit geringer Hysterese sind auch möglich und vorteilhaft.
Bezugszeichenliste:
2 Bedieneinheit 22 magnetorheologisches
3 Drehteil Medium
4 Berührfläche 26 Magnetring
5 Rotoreinheit 29 Elektromagnet
6 Sensoreinheit 30 Lagerfläche
7 Drehbewegung 31 Dämpfspalt
8 Kopplungseinrichtung 36 Hallsensor
9 Kupplungseinheit 41 Dichtung
10 Lagerungseinheit 49 Reibflächen
11 Bremseinrichtung 100 Bedieneinrichtung,
12 elastische Federeinheit haptische
13 bewegliche Schalteinheit Bedieneinrichtung
14 Vorbelastungseinheit 101 Computermaus
15 Elastomerfederelement 102 Eingabeelement
16 Metallfederelement 103 Eingaberad
17 Fixierungseinheit, 104 Mausrad Vorspanneinheit 105 Joystick
18 Schwenkwinkel, 106 Bedienknopf Verschwenkung 107 Daumenwalze
19 Kernelement 108 Linearbewegung
20 Tragkörper, Konsole 109 Schwenkbewegung
21 Statoreinheit

Claims

Ansprüche :
1. Bedieneinrichtung (100) mit wenigstens einer drehbar an einem Tragkörper (20) aufgenommenen Bedieneinheit (2), umfassend wenigstens ein Drehteil (3) mit wenigstens einer Berührfläche (4) zum Drehen der Bedieneinheit (2) und wenigstens eine Rotoreinheit (5) und wenigstens eine Sensoreinheit (6) zur Erfassung einer Drehbewegung (7) der Bedieneinheit (2) und wenigstens eine steuerbare Bremseinrichtung (11) zur gezielten Bremsung der Bedieneinheit (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Bedieneinheit (2) wenigstens eine Kopplungsein richtung (8) umfasst und dass die Kopplungseinrichtung (8) dazu geeignet und ausgebildet ist, eine wenigstens teilweise Drehbarkeit (7, 18) des Drehteils (3) relativ zur Rotoreinheit (5) zu ermöglichen.
2. Bedieneinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kopplungsein richtung (8) wenigstens eine Kupplungseinheit (9) umfasst, mit welcher das Drehteil (3) und die Rotoreinheit (5) wahlweise verdrehsicher koppelbar oder voneinander entkoppelbar sind.
3. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehbewegung (7) des Drehteils (3) durch die Sensoreinheit (6) erfassbar ist.
4. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplungseinheit (9) wenigstens eine magnetische und/oder elektromagnetische Kupplung umfasst.
5. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplungseinheit (9) wenigstens eine mechanische Kupplung mit wenigstens einer beweglichen Schalteinheit (13) umfasst.
6. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Kupplung wenigstens einen Reibbelag und/oder wenigstens zwei ineinandergreifende Formelemente aufweist.
7. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplungseinheit (9) wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung der beweglichen Schalteinheit (13) aufweist.
8. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Kupplungseinheit (9) wenigstens eine Vorbelastungseinheit (14) umfasst.
9.Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Kupplungseinheit (9) wenigstens teilweise an der Rotoreinheit (5) und/oder dem Drehteil (3) aufgenommen ist.
10. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drehteil (3) drehbar an der Rotoreinheit
(5) aufgenommen ist.
11. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungseinrichtung (8) wenigstens eine elastische Federeinheit (12) aufweist, welche die Rotoreinheit (5) und das Drehteil (3) zueinander elastisch verschwenkbar verbindet.
12. Bedieneinrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens die Verschwenkung (18) des Drehteils (2) durch die Sensoreinheit (6) erfassbar ist.
13. Bedieneinrichtung (100) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federeinheit (12) wenigstens ein Elastomerfederelement (15) und/oder wenigstens ein Metallfederelement (16) umfasst.
14. Bedieneinrichtung (100) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federeinheit (12) wenigstens eine Fixiereinheit (17) umfasst.
15. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Federkennlinie der Federeinheit (12) wenigstens bereichsweise einstellbar ist.
16. Bedieneinrichtung (100) nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federeinheit (12) wenigstens eine Vorspanneinheit (17) umfasst.
17. Bedieneinrichtung (100) nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, wobei ein maximaler Schwenkwinkel (18) zwischen dem Drehteil (3) und der Rotoreinheit (5) weniger als 60° oder bevorzugt weniger als 45° oder besonders bevorzugt weniger als 30° beträgt.
18. Bedieneinrichtung (100) nach einem der sieben vorhergehenden Ansprüche, wobei ein maximaler Schwenkwinkel (18) zwischen dem Drehteil (3) und der Rotoreinheit (5) zwischen 0,01° und 1° und insbesondere zwischen 0,02° und 0,1° möglich ist.
19. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drehteil (3) wenigstens teilweise die Rotoreinheit (5) umfasst und/oder wenigstens teilweise ringförmig ausgebildet ist.
20. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drehteil (3) wenigstens ein Kernelement
(19) umfasst.
21. Bedieneinrichtung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Kernelement eine Dichte zwischen 2 kg/dmA3 und 15 kg/dmA3 und insbesondere bis zu 30 kg/dmA3 aufweist.
22. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (6) wenigstens die Änderung eines Drehwinkels erfasst und/oder wobei die Sensoreinheit die Drehwinkelposition des Drehteils (3) erfasst.
23. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine zweite Sensoreinheit (6) zur Detektion einer Drehbewegung (7) der Rotoreinheit (5) vorhanden ist.
24. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungseinrichtung (8) wenigstens eine Kupplungseinheit (9) und eine elastische Federeinheit (12) umfasst.
25. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoreinheit (5) wenigstens eine Statoreinheit (21) der Bremseinrichtung (11) wenigstens teilweise umschließt.
26. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoreinheit (5) wenigstens teilweise drehbar an der Statoreinheit (21) aufgenommen ist.
27. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Statoreinheit (21) und/oder die Rotoreinheit (5) wenigstens teilweise an dem Tragkörper (20) aufgenommen ist.
28. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bremseinrichtung (11) eine magnetorheologische Bremseinrichtung (11) ist.
29. Bedieneinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Rotoreinheit (5) und der Statoreinheit (21) der magnetorheologischen Bremseinrichtung (11) wenigstens ein agnetorheologisches Medium (22) vorhanden ist und/oder wobei die Statoreinheit (21) und/oder die Rotoreinheit (5) wenigstens eine elektrisch leitende Spule umfasst.
30. Verfahren zum Betreiben einer Bedieneinrichtung (100) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Bedieneinheit (2), welche wenigstens ein Drehteil (3) mit wenigstens einer Berührfläche (4) zum Drehen der Bedieneinheit (2) und wenigstens eine drehbar aufgenommene Rotoreinheit (5) und wenigstens eine Sensoreinheit (6) umfasst, wobei die Sensoreinheit (6) wenigstens zur Bestimmung einer Drehbewegung (7) der Bedieneinheit (2) geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehteil (3) und die Rotoreinheit (5) mittels einer Kopplungseinrichtung (8) bedarfsweise gekoppelt und voneinander entkoppelt werden, sodass eine wenigstens teilweise Drehbarkeit (7, 18) des Drehteils (3) relativ zur Rotoreinheit (5) bereitsteht, wenn ein Freilauf der Bedieneinheit gewünscht ist und/oder wenn eine mittels der Bremseinrichtung blockierte Bedieneinheit weitergedreht werden soll.
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