WO2005015592A2 - Elektrischer schalter - Google Patents

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WO2005015592A2
WO2005015592A2 PCT/EP2004/008835 EP2004008835W WO2005015592A2 WO 2005015592 A2 WO2005015592 A2 WO 2005015592A2 EP 2004008835 W EP2004008835 W EP 2004008835W WO 2005015592 A2 WO2005015592 A2 WO 2005015592A2
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WO
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actuating member
displacement
ball
switching
external rotor
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Inventor
Michael Bader
Markus Kramer
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Marquardt Gmbh
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    • H01H25/00—Switches with compound movement of handle or other operating part
    • H01H25/002—Switches with compound movement of handle or other operating part having an operating member rectilinearly slidable in different directions
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
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    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
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    • H01H25/04—Operating part movable angularly in more than one plane, e.g. joystick
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    • H01H2003/008—Mechanisms for operating contacts with a haptic or a tactile feedback controlled by electrical means, e.g. a motor or magnetofriction
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    • H01H25/002—Switches with compound movement of handle or other operating part having an operating member rectilinearly slidable in different directions
    • H01H2025/004—Switches with compound movement of handle or other operating part having an operating member rectilinearly slidable in different directions the operating member being depressable perpendicular to the other directions

Definitions

  • the invention relates to an electrical switch according to the preamble of claim 1, 2 or 3.
  • Electrical switches designed in the manner of a joystick or cursor switch serve for the input of data for an electrical device by a user.
  • switches are used for car radios, navigation devices, on-board computers or also for controlling other functions in motor vehicles, the switch being able to be arranged, for example, on the steering wheel of the motor vehicle.
  • an electrical switch can also be used as a multifunction switch for menu control of functions via a display in the motor vehicle.
  • Such an electrical switch is known from DE 296 04 717 U1.
  • This switch has a pivotable or displaceable actuator, so that the actuator can be moved in two mutually perpendicular directions.
  • the actuator is further rotatable. Finally, the actuator can still be operated by pressing.
  • the electrical switch according to the invention realizes a rotary, push and slide actuator which, depending on the selected function, offers a variable haptic for turning and sliding.
  • Such a switch can advantageously be used as an input means for the (MMI) human-machine interface of a control unit.
  • the actuating element interacts with rotating means in such a way that the actuating element can be rotated and thereby acts in a switching manner on a switching element.
  • a controllable electrical external rotor motor is operatively connected to the actuating member, at least part of the rotating means consisting of the external rotor of the external rotor motor. With the help of the external rotor motor, a changeable haptic for the rotary movement of the actuating member is generated.
  • the actuating element interacts with displacement means in such a way that the actuating element can be displaced in at least one direction in a displacement plane and has a switching effect on a switching element.
  • a magnet is operatively connected to the actuator. With the help of the magnet, a haptic for the displacement movement of the actuating member is generated.
  • the actuating member interacts with rotating means in such a way that the actuating member is rotatable, and on the other hand the actuating member cooperates with displacement means in such a way that the actuating member can be displaced in at least one direction in a displacement plane.
  • the actuator acts on a switching element in the event of rotation and displacement. With the aid of a cross slide, the displacement and the rotary movement are transmitted from the actuating member to the displacement and rotation means, the axis of rotation of the rotation means being approximately perpendicular to the displacement plane of the displacement means.
  • the actuating member can be moved linearly by pressing, preferably approximately perpendicular to the displacement plane, by at least a distance from a zero position to a switching position.
  • the actuating member acts in the switching position switching to a switching element, with which the switching signal generated by the switching element can be evaluated as an input confirmation.
  • the switching element can consist of a switching mat.
  • the operative connection between the magnet and the actuating member can be generated by means of a ball lever.
  • the ball lever has a ball in the manner of a ball joint as a pivot bearing.
  • the desired, adjustable power transmission is effected by the length ratio of the two lever arms extending from the ball.
  • the ball lever has an end attached to the actuator on one lever arm and a free end on the other lever arm.
  • a permanent magnet is attached to the free end, which interacts with the magnet. If the magnet is designed as a controllable electro-holding magnet, the haptic can be changed as desired by activating it accordingly.
  • the small size of the electrical switch is further supported by the fact that the stator of the external rotor motor is arranged on a fixed, internal hollow shaft.
  • the external rotor is mounted on the hollow shaft by means of plain bearings and / or on a carrier part of the external rotor motor which is fastened to the hollow shaft by means of a ball raceway rotatably mounted.
  • the ball seat for the ball joint of the ball lever is arranged on the inner hollow shaft of the external rotor motor.
  • the magnet is in the internal hollow shaft of the external rotor motor.
  • the switching elements which detect the rotation and / or the displacement and / or the pressure are Hall sensors, magnetoresistive sensors, electrical switches, switching mats or the like. These work error-free and very reliably.
  • the generation of the haptic by means of the electric external rotor motor offers the advantage that the windings for the stator are on the inside and the permanent magnets are guided on the outside of the rotor.
  • the mechanism for the sliding movement is guided on the rotor and in the internal motor shaft designed as a hollow shaft. This decouples the masses during the sliding and rotating movement.
  • a permanent magnet with a coil is arranged for the sliding movement, which generates an active sliding feel depending on the path.
  • the switch despite its high functionality, has only a small size and therefore requires little space.
  • the switch is therefore suitable for narrow installation spaces, such as those found in particular on the steering wheel or in the dashboard, the center console, the armrest or the like in the motor vehicle.
  • the switch is not prone to errors and has a long service life due to its freedom from wear.
  • the switch according to the invention can thus advantageously be used in harsh environmental conditions, for example in motor vehicles.
  • the switch has a good and changeable feel that can be displayed both actively and passively.
  • the switch due to the favorable operating principle, the switch has small movable masses and its feel or actuation force can be influenced and controlled by means of simple control technology.
  • the switch is easy to use, with incorrect operation being largely excluded.
  • the switch is inexpensive to manufacture.
  • the use of a permanent magnet with electro-holding magnet and translation in the bearing point for haptic extraction has the following additional advantages: no wear, adjustable, good positive guidance (guidance in 2 levels),
  • the generation of the changeable haptic in the rotary movement by an external rotor motor with a hollow shaft has the following further advantages: moments can be set by different energization of the motor,
  • Show it 1 is an electrical switch in a partially cutaway perspective view
  • FIG. 3 shows the switch as in FIG. 2, with further individual parts being omitted
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the area of the actuating member from FIG. 4,
  • Fig. 6 is an enlarged view of the area facing away from the actuator of Fig. 3 and
  • FIG. 7 shows the area from FIG. 6, with individual parts being omitted.
  • the switch 1 shows an electrical switch 1 designed in the manner of a joystick or cursor switch.
  • the switch 1 has an actuator 2, which can be rotated manually in two opposite directions 3 by a user.
  • the actuator 2 interacts with rotating means 4.
  • the actuating member 2 acts on a switching element 11.
  • a controllable electric external rotor motor 7 is operatively connected to the actuating member 2 in such a way that a haptic for the rotary movement of the actuating member 2 is generated.
  • the haptics can be changed in accordance with the activation of the external rotor motor 7.
  • the rotation of the actuating member 2 can be difficult or smooth, situation-like or similar, depending on the situation.
  • the outer rotor motor 7 has an inner fixed stator 8 and an outer rotatable outer rotor 9.
  • the stator 8 of the outer rotor motor 7 is arranged on a fixed, inner hollow shaft 21, as can be seen in more detail in FIG. 3.
  • At least part of the rotating means 4 consists of the external rotor 9 of the external rotor motor 7.
  • the other part of the rotating means 4 consists of a cross slide 10, which will be explained in more detail below.
  • the actuator 2 is snapped onto the cross slide 10.
  • the cross slide 10 is in turn arranged on the bottom of the pot-like outer rotor 9, so that the rotary movement of the actuating member 2 is transmitted to the outer rotor 9.
  • the actuating member 2 can be displaced manually by the user in a displacement plane in at least one displacement direction 5.
  • the actuating element 2 can be displaced in the manner of a compass rose in four displacement directions 5.
  • the actuating member 2 interacts with displacement means 6 visible in FIG. 2.
  • the actuator 2 acts on a switching element 12 when shifting.
  • a magnet 13 is operatively connected to the actuating member 2 such that a haptic for the displacement movement of the actuating member 2 is generated.
  • the displacement means 6 are the cross slide 10.
  • the cross slide 10 in turn consists of a first slide part 28, to which the actuating member 2 is clipped, and a second slide part 29.
  • the first slide part 28 by means of guides 30 on cams 31 located on the second slide part 29 in a movable manner in one of the displacement directions 5.
  • the second slide part 29 is in turn movably arranged in the other displacement device 5 on the bottom of the external rotor 9 by means of guides and cams (not shown).
  • the two slide parts 28, 29 can be moved in two mutually perpendicular displacement directions 5 as well as in opposite directions, that is to say essentially in the manner of a cross rose.
  • the actuator 2 is both rotatable and displaceable.
  • the actuator 2 interacts with the rotating means 4 and with the displacement means 6, which can also be seen from FIG. 1.
  • the axis of rotation 14 of the rotating means 4 is approximately perpendicular to the shifting plane of the shifting means 6 spanned by the arrows 5.
  • the shifting and the rotating movement is by means of a cross slide 10 from the actuating member 2 onto the shifting and rotating means 6, 4 transfer.
  • the cross slide 10 consequently decouples the displacement and the rotary movement.
  • the actuating member 2 can be moved linearly by pressing at least one distance from a zero position into a switching position.
  • This linear movement serves as an "enter” actuation and takes place approximately perpendicular to the displacement plane spanned by the arrows 5, that is to say approximately parallel to the axis of rotation 14.
  • the actuating member 2 acts in the switching position on a switching element 15.
  • the switching element 15 can consist of a switching mat.
  • the operative connection between the magnet 13 and the actuator 2 is generated by means of a ball lever 16.
  • the ball lever 16 has a ball 17 in the manner of a ball joint as a pivot bearing.
  • the ball seat 22 for the ball joint of the ball lever 16 is arranged on the inner hollow shaft 21 of the external rotor motor 7.
  • the ball lever 16 has two lever arms 18, 19 extending from the ball 17.
  • the actuator 2 is attached to a lever arm 18.
  • the other lever arm 19 is designed as a free end, a permanent magnet 20 cooperating with the magnet 13 being attached to the free end.
  • the length ratio of the two lever arms 18, 19 is selected so that a force transmission for the displacement movement of the actuating member 2 is effected.
  • the magnet 13 is located in the inner hollow shaft 21 of the external rotor motor 7 and is designed as a controllable electro-holding magnet, so that the haptics for the displacement movement of the actuating member 2 can be changed according to the situation according to the electrical activation of the electro-holding magnet 13.
  • the outer rotor 9 is rotatably mounted on the bottom of the hollow shaft 21 by means of a sliding bearing 23 shown in FIG. 3.
  • a carrier part 24 fastened to the hollow shaft 21 on the side of the external rotor 9 facing away from the bottom External rotor 9 fastener ring 26 is rotatably mounted. Due to the only low speeds at which the external rotor motor 7 is operated in the switch 1, such a bearing by means of a slide bearing 23 and / or a ball 1 track 25 is completely sufficient. By pressing the actuator 2 acts then the carrier part 24 with the underside of the ball track 25 switching on the switching mat 15, as can also be seen from FIG. 7.
  • the switching elements 11, 12 which detect the rotation and / or the displacement are Hall sensors. As can be seen in more detail in FIG. 1, an alternating magnetized ring 27 is attached to the ring 26. This ring 27 cooperates with rotation of the external rotor 9 by the actuator 2 with the Hall sensor 11 for signal generation accordingly. In the same way, the Hall sensor 12 can also be operated by the actuating element 2 for signal generation when the correspondingly magnetized and / or separate magnet section 28 is moved.
  • the switching elements 11, 12, 15 can also be realized by other sensors, for example magnetoresistive sensors, by electrical switches, switching mats or the like.
  • the function and feel of the rotary movement is generated by an external rotor motor 7 with a hollow shaft 21. If the actuator 2 is rotated, a counter torque is built up by the external rotor motor 7. The torque is transmitted by means of a cross slide 10. Depending on the angle of rotation, the counter torque increases or decreases. This is felt on the actuator 2 as a detent.
  • the arrangement by an external rotor motor 7 with a hollow shaft 21 has the following advantages:
  • the function of the sliding movement in the manner of a two-level switch is provided with an active feel.
  • the function is initiated by moving the actuator 2.
  • the actuator 2 ensures the operation in two levels.
  • the actuator 2 is mounted on a cross slide 10 so that a linear movement is made possible. This arrangement enables a sliding movement without the external rotor motor 7 being displaced. Thus, the mass of the external rotor motor 7 is decoupled from the displacement movement, which in turn has advantages.
  • the actuator 2 deflects the ball lever 16.
  • the ball lever 16 is mounted in a convex half-shell so that a pivoting movement is possible.
  • the counter bearing is formed by the component ball socket 22.
  • a magnet 20 is embedded in the ball lever 16.
  • An electric holding magnet 13 forms the opposite pole.
  • the magnet 20 centers the ball lever 16 and guarantees the return of the actuator 2 after actuation in one of the two levels.
  • the force of the magnet 20 In order to be able to deflect the actuator 2, the force of the magnet 20 must be overcome.
  • the gap and the relative position of the ball lever 16 leads to a changed magnetic flux due to the change. This means that the force is minimized when the ball lever 16 is outside the magnetic field. This creates a haptic for the displacement movement.
  • the construction of the ball lever 16 enables a relatively small actuation path on the actuating member 2 to be realized.
  • the ball lever 16 acts with a translation, so that a small actuation path is translated into a large pivoting movement.
  • the haptics can be changed by energizing the electro-holding magnet 13 as a function of the position of the cross slide 10. Different haptic profiles can thus be mapped and the force can also be changed.
  • the actuator 2 can remain in an end position.
  • the enter function can be triggered by pressing the actuator 2.
  • the associated haptics are generated in a simple manner by means of the shift switch 5.
  • the switch 1 can be actuated both by turning and by shifting
  • the invention can, as described, also be implemented on a switch which can be operated either by turning or by shifting.
  • An enter function can also be implemented by pressing.
  • the Invention is not limited to the described and illustrated embodiment. Rather, it also includes all professional developments within the scope of the invention defined by the claims.
  • such a multi-function switch can also be used as an input means for computers, machine tools, household appliances or the like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter (1), insbesondere in der Art eines Joystick- oder Cursor-Schalters, mit einem Betätigungsorgan (2). Das Betätigungsorgan (2) wirkt mit Drehmitteln (4) derart zusammen, daß das Betätigungsorgan (2) verdrehbar ist, und/oder mit Verschiebemitteln (6) derart zusammen, daß das Betätigungsorgan (2) in einer Verschiebeebene in wenigstens eine Richtung verschiebbar ist. Das Betätigungsorgan (2) wirkt bei Verdrehung und/oder bei Verschiebung auf ein Schaltelement (11, 12) schaltend ein. Mit dem Betätigungsorgan (2) kann ein ansteuerbarer elektrischer Außenläufermotor (7) in Wirkverbindung stehen, wobei wenigstens ein Teil des Drehmittels (4) aus dem Außenläufer (9) des Außenläufermotors (7) besteht, derart daß eine Haptik für die Drehbewegung des Betätigungsorgans (2) erzeugt wird. Mit dem Betätigungsorgan (2) kann ein Magnet (13) derart in Wirkverbindung stehen, daß eine Haptik für die Verschiebebewegung des Betätigungsorgans (2) erzeugt wird. Schließlich kann die Verschiebe-sowie die Drehbewegung mittels eines Kreuzschlittens (10) vom Betätigungsorgan (2) auf die Verschiebe- sowie Drehmittel (6, 4) übertragen werden.

Description

Elektrischer Schalter
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 2 oder 3.
In der Art eines Joystick- oder Cursor-Schalters ausgebildete elektrische Schalter dienen zur Eingabe von Daten für ein elektrisches Gerät durch einen Benutzer. Beispielsweise werden solche Schalter für Autoradios, Navigationsgeräte, Bordcomputer oder auch zur Steuerung sonstiger Funktionen in Kraftfahrzeugen verwendet, wobei der Schalter beispielsweise am Lenkrad des Kraftfahrzeugs angeordnet sein kann. Insbesondere läßt sich ein solcher elektrischer Schalter auch als Multifunktionsschalter zur Menüsteuerung von Funktionen über ein Display im Kraftfahrzeug verwenden.
Ein derartiger elektrischer Schalter ist aus der DE 296 04 717 Ul bekannt. Dieser Schalter besitzt ein verschwenk- bzw. verschiebbares Betätigungsorgan, so daß das Betätigungsorgan in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen bewegbar ist. Das Betätigungsorgan ist weiter drehbar ausgestaltet. Schließlich kann das Betätigungsorgan noch durch Drücken betätigt werden.
In der DE 296 04 717 Ul sind zur Ausbildung der Mittel zum Verschwenken beziehungsweise Verschieben sowie zum Verdrehen keine näheren Angaben gemacht. Insbesondere erhält man dort keine Hinweise, wie die Funktionalität Verdrehen und Verschieben mittels eines einzigen Betätigungsorgans realisierbar ist. Schließlich ist auch nicht weiter ersichtlich, ob dieser Schalter zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit beengten Einbauräumen geeignet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel zu schaffen, mit deren Hilfe das Verdrehen und/oder Verschieben des einzigen Betätigungsorgans ermöglicht ist. Insbesondere soll das Betätigungsorgan eine vom Benutzer fühlbare und gegebenenfalls veränderliche Haptik aufweisen. Und insbesondere sollen diese Mittel derart ausgestaltet sein, daß der mit hoher Funktionalität versehene Schalter mit kleinem Bauraum auskommt.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen elektrischen Schalter durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 , 2 oder 3 gelöst.
Der erfindungsgemäße elektrische Schalter realisiert einen Dreh-, Drück- sowie Schiebesteller, der in Abhängigkeit von der gewählten Funktion eine veränderliche Haptik für das Drehen und Schieben bietet. Ein solcher Schalter läßt sich vorteilhafterweise als Eingabemittel für das (MMI)Mensch-Maschine-Interface eines Steuergeräts verwenden.
Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters wirkt das Betätigungsorgan mit Drehmitteln derart zusammen, daß das Betätigungsorgan verdrehbar ist und dabei auf ein Schaltelement schaltend einwirkt. Mit dem Betätigungsorgan steht ein ansteuerbarer elektrischer Außenläufermotor in Wirkverbindung, wobei wenigstens ein Teil des Drehmittels aus dem Außenläufer des Außenläufermotors besteht. Mit Hilfe des Außenläufermotors wird eine veränderbare Haptik für die Drehbewegung des Betätigungsorgans erzeugt.
Bei einer zweiten Ausfuhrungsform des erfmdungsgemäßen elektrischen Schalters wirkt das Betätigungsorgan mit Verschiebemitteln derart zusammen, daß das Betätigungsorgan in einer Verschiebeebene in wenigstens eine Richtung verschiebbar ist und dabei auf ein Schaltelement schaltend einwirkt. Mit dem Betätigungsorgan steht ein Magnet in Wirkverbindung. Mit Hilfe des Magneten wird eine Haptik für die Verschiebebewegung des Betätigungsorgans erzeugt.
Bei einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Schalters wirkt zum einen das Betätigungsorgan mit Drehmitteln derart zusammen, daß das Betätigungsorgan verdrehbar ist, und zum anderen wirkt das Betätigungsorgan mit Verschiebemitteln derart zusammen, daß das Betätigungsorgan in einer Verschiebeebene in wenigstens eine Richtung verschiebbar ist. Dabei wirkt das Betätigungsorgan bei Verdrehung sowie bei Verschiebung auf ein Schaltelement schaltend ein. Mit Hilfe eines Kreuzschlittens werden die Verschiebe- sowie die Drehbewegung vom Betätigungsorgan auf die Verschiebe- sowie Drehmittel übertragen, wobei die Drehachse der Drehmittel in etwa senkrecht auf die Verschiebeebene der Verschiebemittel steht.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Realisierung einer Art von „Enter"-Funktion als Bestätigung für eine Eingabe ist das Betatigungsorgan durch Drücken, und zwar bevorzugterweise in etwa senkrecht zur Verschiebeebene, um wenigstens eine Strecke aus einer Nullstellung in eine Schaltstellung linear bewegbar. Dabei wirkt das Betätigungsorgan in der Schaltstellung auf ein Schaltelement schaltend ein, womit das vom Schaltelement erzeugte Schaltsignal als Eingabe-Bestätigung auswertbar ist. In kostengünstiger Art kann das Schaltelement aus einer Schaltmatte bestehen.
In kompakter Bauweise läßt sich die Wirkverbindung zwischen dem Magneten und dem Betätigungsorgan mittels eines Kugelhebels erzeugen. Der Kugelhebel besitzt eine Kugel in der Art eines Kugelgelenks als Schwenklager. Die gewünschte, einstellbare Kraftübersetzung wird durch das Längenverhältnis der beiden von der Kugel abgehenden Hebelarme bewirkt. Der Kugelhebel weist ein am Betätigungsorgan befestigtes Ende am einen Hebelarm sowie ein freies Ende am anderen Hebelarm auf. Am freien Ende ist ein Permanentmagnet befestigt, der mit dem Magnet zusammenwirkt. Ist der Magnet als ansteuerbarer Elektrohaftmagnet ausgebildet, so kann die Haptik wunschgemäß durch dessen entsprechende Ansteuerung verändert werden.
Die kleine Baugröße des elektrischer Schalters wird weiter dadurch unterstützt, indem der Stator des Außenläufermotors an einer feststehenden, innenliegenden Hohlwelle angeordnet ist. Der Außenläufer ist mittels Gleitlager an der Hohlwelle und/oder mittels einer Kugellaufbahn an einem an der Hohlwelle befestigten Trägerteil des Außenläufermotors drehbar gelagert. Die Kugelaufnahme für das Kugelgelenk des Kugelhebels ist an der innenliegenden Hohlwelle des Außenläufermotors angeordnet. Schließlich befindet sich der Magnet in der innenliegenden Hohlwelle des Außenläufermotors.
Für Anwendungen im Kraftfahrzeug besonders geeignet ist, daß es sich bei den die Verdrehung und/oder die Verschiebung und/oder das Drücken detektierenden Schaltelementen um Hallsensoren, magnetoresistive Sensoren, elektrische Schalter, Schaltmatten o. dgl. handelt. Diese arbeiten fehlerunfällig und sehr zuverlässig.
Die Erzeugung der Haptik mittels des elektrischen Außenläufermotors bietet den Vorteil, daß die Wicklungen für den Stator innenseitig liegen und die Permanentmagnete rotorseitig außen geführt sind. Auf dem Rotor und in der innen liegenden, als Hohlwelle ausgebildeten Motorwelle ist die Mechanik für die Schiebebewegung geführt. Dadurch werden die Massen bei der Schiebe- und Drehbewegung entkoppelt. Für die Schiebebewegung ist ein Permanentmagnet mit einer Spule angeordnet, der in Abhängigkeit vom Weg eine aktive Schiebehaptik erzeugt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Schalter trotz hoher Funktionalität eine lediglich geringe Baugröße besitzt und daher mit geringem Platzbedarf auskommt. Damit ist der Schalter für enge Bauräume, wie sie insbesondere am Lenkrad oder auch im Armaturenbrett, der Mittelkonsole, der Armlehne o. dgl. im Kraftfahrzeug gegeben sind, geeignet. Weiter ist der Schalter fehlerunanfällig und besitzt aufgrund seiner Verschleißfreiheit eine hohe Lebensdauer. Der erfindungsgemäße Schalter läßt sich somit vorteilhaft in rauhen Umgebungsbedingungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, einsetzen. Außerdem weist der Schalter eine gute sowie veränderbare Haptik auf, die sich sowohl aktiv als auch passiv darstellen läßt. Zudem besitzt der Schalter aufgrund des günstigen Wirkprinzips geringe bewegliche Massen und dessen Haptik beziehungsweise Betätigungskraft ist mittels einfacher Regelungstechnik beeinfluß- sowie steuerbar. Trotz hoher Funktionalität ist der Schalter einfach zu bedienen, wobei Fehlbedienungen weitgehend ausgeschlossen sind. Außerdem ist der Schalter kostengünstig herzustellen. Die Nutzung eines Permanentmagneten mit Elektrohaftmagnet und Übersetzung in der Lagerstelle zur Haptikgewinnung besitzt noch die weiteren nachfolgenden Vorteile: kein Verschleiß, einstellbar, gute Zwangsführung (Führung in 2 Ebenen),
- Minimierung der Bauteileanzahl (lediglich ein Magnet für vierfache Haptik), kein Energieverbrauch (Vorteil im „Stand-By"- Modus), keine Geräuschentwicklung,
- Erzeugung von änderbarer Haptik in der Schiebebewegung,
- die Masse des Motors wird von der Schiebebewegung entkoppelt und
- aktivhaptische Rückmeldung (beim Erreichen eines bestimmten Menüfeldes kann ein mechanischer Impuls in das Betätigungsorgan eingeleitet werden; dadurch bekommt der Anwender eine haptische Bestätigung).
Die Erzeugung der änderbaren Haptik in der Drehbewegung durch einen Außenläufermotor mit einer Hohlwelle besitzt noch die weiteren nachfolgenden Vorteile: Momente sind einstellbar durch unterschiedliche Bestromung des Motors,
- hohes Massenträgheitsmoment, dadurch wird das Aufschwingen in der Ruhelage minimiert,
- in die Hohlwelle können weitere Funktionselemente verbaut werden,
- hohes Drehmoment,
- kein Verschleiß,
- aktivhaptische Rückmeldung (beim Erreichen eines bestimmten Menüfeldes kann ein mechanischer Impuls in das Betätigungsorgan eingeleitet werden; dadurch bekommt der Anwender eine haptische Bestätigung),
- höhere Momente bei gleicher Energie möglich und
- Reduzierung der Bauteile, denn das Magnetfeld kann zur Auflösung der Winkelposition und Kommutierung genutzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen elektrischer Schalter in teilweise aufgeschnittener perspektivischer Ansicht,
Fig. 2 den Schalter wie in Fig. 1 , wobei Einzelteile weggelassen sind,
Fig. 3 den Schalter wie in Fig. 2, wobei weitere Einzelteile weggelassen sind,
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht im Bereich des Betätigungsorgans aus Fig. 3,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch den Bereich des Betätigungsorgans aus Fig. 4,
Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht des dem Betätigungsorgan abgewandten Bereichs aus Fig. 3 und
Fig. 7 den Bereich aus Fig. 6, wobei Einzelteile weggelassen sind.
In Fig. 1 ist ein in der Art eines Joystick- oder Cursor-Schalters ausgestalteter elektrischer Schalter 1 zu sehen. Der Schalter 1 besitzt ein Betätigungsorgan 2, das in zwei entgegengesetzte Drehrichtungen 3 manuell durch einen Benutzer verdrehbar ist. Hierzu wirkt das Betätigungsorgan 2 mit Drehmitteln 4 zusammen. Das Betätigungsorgan 2 wirkt bei Verdrehung auf ein Schaltelement 11 schaltend ein. Mit dem Betätigungsorgan 2 steht ein ansteuerbarer elektrischer Außenläufermotor 7 derart in Wirkverbindung, daß eine Haptik für die Drehbewegung des Betätigungsorgans 2 erzeugt wird. Entsprechend der Ansteuerung des Außenläufermotors 7 ist die Haptik veränderbar. Beispielsweise kann die Drehung des Betätigungsorgans 2 situationsgerecht schwer- oder leichtgängig, raststufenartig o. dgl. sein.
Der Außenläufermotor 7 besitzt einen inneren feststehenden Stator 8 sowie einen äußeren drehbeweglichen Außenläufer 9. Der Stator 8 des Außenläufermotors 7 ist an einer feststehenden, innenliegenden Hohlwelle 21 angeordnet, wie näher aus Fig. 3 hervorgeht. Wenigstens ein Teil des Drehmittels 4 besteht aus dem Außenläufer 9 des Außenläufermotors 7. Der weitere Teil des Drehmittels 4 besteht aus einem Kreuzschlitten 10, der nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Betätigungsorgan 2 ist am Kreuzschlitten 10 aufgerastet. Der Kreuzschlitten 10 ist seinerseits am Boden des topfartigen Außenläufers 9 angeordnet, so daß die Drehbewegung des Betätigungsorgans 2 auf den Außenläufer 9 übertragen wird.
Wie weiter der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist das Betätigungsorgan 2 in einer Verschiebeebene in wenigstens eine Verschieberichtung 5 manuell durch den Benutzer verschiebbar. Vorliegend ist das Betätigungsorgan 2 in der Art einer Windrose in vier Verschieberichtungen 5 verschiebbar. Hierzu wirkt das Betätigungsorgan 2 mit in Fig. 2 sichtbaren Verschiebemitteln 6 zusammen. Das Betätigungsorgan 2 wirkt bei Verschiebung auf ein Schaltelement 12 schaltend ein. Mit dem Betätigungsorgan 2 steht ein Magnet 13 derart in Wirkverbindung, daß eine Haptik für die Verschiebebewegung des Betätigungsorgans 2 erzeugt wird.
Wie näher aus Fig. 4 hervorgeht, handelt es sich bei den Verschiebemitteln 6 um den Kreuzschlitten 10. Der Kreuzschlitten 10 besteht seinerseits aus einem ersten Schlittenteil 28, an dem das Betätigungsorgan 2 eingeclipst ist, sowie einem zweiten Schlittenteil 29. Der erste Schlittenteil 28 ist mittels Führungen 30 auf am zweiten Schlittenteil 29 befindlichen Nocken 31 in eine der Verschieberichtungen 5 beweglich angeordnet. Der zweite Schlittenteil 29 ist seinerseits am Boden des Außenläufers 9 mittels nicht weiter gezeigter Führungen und Nocken in die andere Verschieberichrung 5 beweglich angeordnet. Dadurch sind die beiden Schlittenteile 28, 29 in zwei aufeinander senkrechte Verschieberichtungen 5 sowie entgegengesetzt, also im wesentlichen windrosenartig kreuzweise, bewegbar.
Besonders bevorzugt ist, wenn das Betätigungsorgan 2 sowohl verdreh- als auch verschiebbar ist. Hierzu wirkt das Betätigungsorgan 2 mit den Drehmitteln 4 sowie mit den Verschiebemitteln 6 zusammen, was auch anhand von Fig. 1 zu erkennen ist. Dabei steht die Drehachse 14 der Drehmittel 4 in etwa senkrecht auf die von den Pfeilen 5 aufgespannte Verschiebeebene der Verschiebemittel 6. Wie bereits erläutert, wird die Verschiebe- sowie die Drehbewegung mittels eines Kreuzschlittens 10 vom Betätigungsorgan 2 auf die Verschiebe- sowie Drehmittel 6, 4 übertragen. Der Kreuzschlitten 10 bewirkt folglich eine Entkopplung der Verschiebe- und der Drehbewegung. Zustätzlich ist das Betätigungsorgan 2 durch Drücken um wenigstens eine Strecke aus einer Nullstellung in eine Schaltstellung linear bewegbar. Diese lineare Bewegung dient als "Enter"-Betätigung und erfolgt in etwa senkrecht zu der durch die Pfeile 5 aufgespannte Verschiebeebene, also in etwa parallel zur Drehachse 14. Dabei wirkt das Betätigungsorgan 2 in der Schaltstellung auf ein Schaltelement 15 schaltend ein. Das Schaltelement 15 kann aus einer Schaltmatte bestehen.
Wie in Fig. 5 zu sehen ist, wird die Wirkverbindung zwischen dem Magneten 13 und dem Betätigungsorgan 2 mittels eines Kugelhebels 16 erzeugt. Der Kugelhebel 16 besitzt eine Kugel 17 in der Art eines Kugelgelenks als Schwenklager. Die Kugelaufnahme 22 für das Kugelgelenk des Kugelhebels 16 ist an der innenliegenden Hohlwelle 21 des Außenläufermotors 7 angeordnet. Der Kugelhebel 16 weist zwei von der Kugel 17 abgehenden Hebelarme 18, 19 auf. Am einen Hebelarm 18 ist das Betätigungsorgan 2 befestigt. Der andere Hebelarm 19 ist als ein freies Ende ausgebildet, wobei am freien Ende ein mit dem Magnet 13 zusammenwirkender Permanentmagnet 20 befestigt ist. Das Längenverhältnis der beiden Hebelarme 18, 19 ist so gewählt, daß eine Kraftübersetzung für die Verschiebebewegung des Betätigungsorgans 2 bewirkt wird. Der Magnet 13 befindet sich in der innenliegenden Hohlwelle 21 des Außenläufermotors 7 und ist als ansteuerbarer Elektrohaftmagnet ausgebildet, so daß die Haptik für die Verschiebebewegung des Betätigungsorgans 2 entsprechend der elektrischen Ansteuerung des Elektrohaftmagneten 13 situationsgerecht veränderbar ist.
Der Außenläufer 9 ist an seinem Boden mittels eines in Fig. 3 gezeigten Gleitlagers 23 an der Hohlwelle 21 drehbar gelagert. Wie weiter in Fig. 6 zu sehen ist, befindet sich an der dem Boden abgewandten Seite des Außenläufers 9 ein an der Hohlwelle 21 befestigtes Trägerteil 24. Am Trägerteil 24 befindet sich eine Kugellaufbahn 25, auf der wiederum ein an der dem Boden abgewandten Seite des Außenläufers 9 befestiger Ring 26 drehbar gelagert ist. Aufgrund der lediglich geringen Drehzahlen, mit denen der Außenläufermotor 7 im Schalter 1 betrieben wird, ist eine solche Lagerung mittels eines Gleitlagers 23 und/oder einer Kugel 1 aufbahn 25 völlig ausreichend. Durch Drücken des Betätigungsorgans 2 wirkt dann das Trägerteil 24 mit der Unterseite der Kugellaufbahn 25 schaltend auf die Schaltmatte 15 ein, wie auch anhand von Fig. 7 ersichtlich ist.
Bei den die Verdrehung und/oder die Verschiebung detektierenden Schaltelementen 11, 12 handelt es sich um Hallsensoren. Wie näher aus Fig. 1 hervorgeht, ist auf dem Ring 26 ein abwechselnd magnetisierter Kranz 27 angebracht. Dieser Kranz 27 wirkt bei Verdrehung des Außenläufers 9 durch das Betätigungsorgan 2 mit dem Hallsensor 11 zur Signal erzeugung entsprechend zusammen. In gleicher Weise kann auch der Hallsensor 12 bei Verschiebung des entsprechend magnetisierten und/oder separate Magneten aufweisenden ersten Schlittenteils 28 durch das Betätigungsorgan 2 zur Signalerzeugung betrieben werden. Selbstverständlich können die Schaltelemente 11, 12, 15 auch durch sonstige Sensoren, beispielsweise magnetoresistive Sensoren, durch elektrische Schalter, Schaltmatten o. dgl. realisiert sein.
Anhand des beschriebenen Aufbaus des Schalters 1 sollen noch nachfolgende Merkmale sowie Vorteile besonders herausgestellt werden.
Die Funktion sowie Haptik der Drehbewegung wird durch einen Außenläufermotor 7 mit einer Hohlwelle 21 erzeugt. Wird das Betätigungsorgan 2 gedreht, so wird durch den Außenläufermotor 7 ein Gegenmoment aufgebaut. Übertragen wird das Drehmoment durch einen Kreuzschlitten 10. In Abhängigkeit vom Drehwinkel wird das Gegenmoment größer oder kleiner. Dies wird am Betätigungsorgan 2 als Rastung empfunden. Die Anordnung durch einen Außenläufermotor 7 mit Hohlwelle 21 hat folgende Vorteile:
- hohes Massenträgheitsmoment der Anordnung, dadurch wird das Aufschwingen in der Ruhelage minimiert, in die Hohlwelle 21 können weitere Funktionselemente verbaut werden und
- hohes Drehmoment mit Hilfe der Anordnung erzeugbar.
Die Funktion der Verschiebebewegung in der Art eines Zwei-Ebenen-Schalters ist mit einer aktiven Haptik versehen. Die Funktionsgabe wird durch das Verschieben des Betätigungsorgans 2 eingeleitet. Das Betätigungsorgan 2 gewährleistet die Betätigung in zwei Ebenen. Das Betätigungsorgan 2 ist auf einem Kreuzschlitten 10 gelagert, damit eine lineare Bewegung ermöglicht wird. Diese Anordnung ermöglicht eine Schiebebewegung ohne daß der Außenläufermotor 7 verschoben wird. Somit ist die Masse des Außenläufermotors 7 von der Verschiebebewegung entkoppelt, was wiederum Vorteile mit sich bringt.
Das Betätigungsorgan 2 lenkt den Kugelhebel 16 aus. Gelagert ist der Kugelhebel 16 in einer konvexen Halbschale, damit eine Schwenkbewegung möglich ist. Das Gegenlager wird durch das Bauteil Kugelaufnahme 22 gebildet. Im Kugelhebel 16 ist ein Magnet 20 eingelassen. Ein Elektrohaftmagnet 13 bildet den Gegenpol. Der Magnet 20 zentriert den Kugelhebel 16 und garantiert die Rückstellung des Betätigungsorgans 2 nach Betätigung in eine der beiden Ebenen. Um das Betätigungsorgan 2 auslenken zu können, muss die Kraft des Magneten 20 überwunden werden. Das Spaltmaß und die relative Stellung des Kugelhebels 16 führt durch die Veränderung zu einem geänderten Magnetfluß. Dies bedeutet, daß sich die Kraft minimiert, wenn der Kugelhebel 16 außerhalb des Magnetfeldes ist. Dadurch wird eine Haptik für die Verschiebebewegung erzeugt.
Durch den Aufbau des Kugelhebels 16 lässt sich ein relativ kleiner Betätigungsweg am Betätigungsorgan 2 realisieren. Der Kugelhebel 16 wirkt mit einer Übersetzung, so dass ein kleiner Betätigungsweg in eine große Schwenkbewegung übersetzt wird. Durch das Bestromen des Elektrohaftmagneten 13 in Abhängigkeit von der Position des Kreuzschlittens 10 läßt sich die Haptik verändern. Somit lassen sich verschiedene Haptikprofile abbilden und es läßt sich auch die Kraft verändern. Außerdem kann, falls gewünscht, das Betätigungsorgan 2 in einer Endlage verharren.
Durch das Drücken auf das Betätigungsorgan 2 lässt sich die Enterfunktion auslösen. Die zugehörige Haptik wird in einfacher Weise mittels der Schaltmattel5 erzeugt.
Obwohl es bevorzugt ist, daß sich der Schalter 1 sowohl durch Drehen als auch durch Verschieben betätigen läßt, kann die Erfindung wie beschrieben auch an einem Schalter realisiert sein, der sich entweder durch Drehen oder durch Verschieben betätigen läßt. Zusätzlich kann noch eine Enterfunktion durch Drücken verwirklicht sein. Im übrigen ist die Erfindung nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung. So läßt sich ein derartiger Mehrfunktionsschalter neben Kraftfahrzeuganwendungen auch als Eingabemittel für Computer, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte o. dgl. einsetzen.
Bezugszeichen-Liste: elektrischer Schalter Betätigungsorgan Drehrichtung Drehmittel Verschieberichtung / Pfeil Verschiebemittel Außenläufermotor Stator Außenläufer: Kreuzschlitten : Schaltelement (für Drehbewegung) / Hallsensor: Schaltelement (für Verschiebebewegung) / Hallsensor : Magnet / Elektrohaftmagnet: Drehachse : Schaltelement (für Drücken) / Schaltmatte: Kugelhebel: Kugel (am Kugelhebel),19: Hebelarm (von Kugelhebel): Permanentmagnet: Hohlwelle: Kugelaufnahme: Gleitlager: Trägerteil: Kugellaufbahn: Ring: Kranz: erster Schlittenteil (von Kreuzschlitten): zweiter Schlittenteil(von Kreuzschlitten): Führung (am ersten Schlittenteil) : Nocken (am zweiten Schlittenteil)

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Elektrischer Schalter, insbesondere in der Art eines Joystick- oder Cursor-Schalters, mit einem Betätigungsorgan (2), wobei das Betätigungsorgan (2) mit Drehmitteln (4) derart zusammenwirkt, daß das Betätigungsorgan (2) verdrehbar ist, und wobei das Betätigungsorgan (2) bei Verdrehung auf ein Schaltelement (11) schaltend einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein ansteuerbarer elektrischer Außenläufermotor (7) mit dem Betätigungsorgan (2) derart in Wirkverbindung steht, daß eine Haptik, die insbesondere veränderbar ist, für die Drehbewegung des Betätigungsorgans (2) erzeugt wird, und daß wenigstens ein Teil des Drehmittels (4) aus dem Außenläufer (9) des Außenläufermotors (7) besteht.
2. Elektrischer Schalter, insbesondere in der Art eines Joystick- oder Cursor-Schalters, mit einem Betätigungsorgan (2), wobei das Betätigungsorgan (2) mit Verschiebemitteln (6) derart zusammenwirkt, daß das Betätigungsorgan (2) in einer Verschiebeebene in wenigstens eine Richtung verschiebbar ist, und wobei das Betätigungsorgan (2) bei Verschiebung auf ein Schaltelement (12) schaltend einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnet (13, 20) mit dem Betätigungsorgan (2) derart in Wirkverbindung steht, daß eine Haptik für die Verschiebebewegung des Betätigungsorgans (2) erzeugt wird.
3. Elektrischer Schalter, insbesondere in der Art eines Joystick- oder Cursor-Schalters, mit einem Betätigungsorgan (2), wobei das Betätigungsorgan (2) mit Drehmitteln (4) derart zusammenwirkt, daß das Betätigungsorgan (2) verdrehbar ist, wobei das Betätigungsorgan (2) mit Verschiebemitteln (6) derart zusammenwirkt, daß das Betätigungsorgan (2) in einer Verschiebeebene in wenigstens eine Richtung verschiebbar ist, wobei das Betätigungsorgan (2) bei Verdrehung sowie bei Verschiebung auf ein Schaltelement (11, 12) schaltend einwirkt, und wobei insbesondere die Drehachse (14) der Drehmittel (4) in etwa senkrecht auf die Verschiebeebene der Verschiebemittel (6) steht, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebe- sowie die Drehbewegung mittels eines Kreuzschlittens (10) vom Betätigungsorgan (2) auf die Verschiebe- sowie Drehmittel (6, 4) übertragen werden.
4. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsorgan (2) durch Drücken, insbesondere in etwa senkrecht zur Verschiebeebene, um wenigstens eine Strecke aus einer Nullstellung in eine Schaltstellung linear bewegbar ist, derart daß das Betätigungsorgan (2) in der Schaltstellung auf ein Schaltelement (15) schaltend einwirkt, und daß vorzugsweise das Schaltelement (15) aus einer Schaltmatte besteht.
5. Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkverbindung zwischen dem Magneten (13, 20) und dem Betätigungsorgan (2) mittels eines Kugelhebels (16) erzeugt wird, daß vorzugsweise der Kugelhebel (16) eine Kugel (17) in der Art eines Kugelgelenks als Schwenklager besitzt, wobei insbesondere das Längenverhältnis der beiden von der Kugel (17) abgehenden Hebelarme (18, 19) eine Kraftübersetzung bewirkt, daß weiter vorzugsweise der Kugelhebel (16) ein am Betätigungsorgan (2) befestigtes Ende am einen Hebelarm (18) sowie ein freies Ende am anderen Hebelarm (19) aufweist, daß noch weiter vorzugsweise am freien Ende ein Permanentmagnet (20) befestigt ist, der mit dem Magnet (13) zusammenwirkt, und daß nochmals weiter vorzugsweise der Magnet (13) als ansteuerbarer Elektrohaftmagnet, insbesondere zur Veränderung der Haptik, ausgebildet ist.
6. Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den die Verdrehung und/oder die Verschiebung und/oder das Drücken detektierenden Schaltelementen (11, 12) um Hallsensoren, magnetoresistive Sensoren, elektrische Schalter, Schaltmatten o. dgl. handelt.
7. Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (8) des Außenläufermotors (7) an einer feststehenden, innenliegenden Hohlwelle (21) angeordnet ist, daß vorzugsweise der Außenläufer (9) mittels Gleitlager (23) an der Hohlwelle (21) und/oder mittels einer Kugellaufbahn (25) an einem an der Hohlwelle (21) befestigten Trägerteil (24) des Außenläufermotors (7) drehbar gelagert ist.
8. Elektrischer Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelaufnahme (22) für das Kugelgelenk des Kugelhebels (16) an der innenliegenden Hohlwelle (21) des Außenläufermotors (7) angeordnet ist, und daß vorzugsweise der Magnet (13) in der innenliegenden Hohlwelle (21) des Außenläufermotors (7) befindlich ist.
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