DE102005054677A1

DE102005054677A1 - Berührungsempfindliche Bedieneinheit mit haptischer Rückmeldung

Info

Publication number: DE102005054677A1
Application number: DE102005054677A
Authority: DE
Inventors: Martin Klein; Reiner Schmidt; Dieter Nau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-11-16
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2007-06-06
Also published as: WO2007057266A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit (5) mit einem starren, berührungsempfindlichen Eingabeelement (2) und mit Mitteln zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung, wobei das Eingabeelement (2) senkrecht zu einer einem Benutzer zugewandten Bedienseite (13) beweglich ist. Zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung wird vorgeschlagen, zwischen einem Träger (9) und einer der Bedienseite (13) gegenüberliegenden Rückseite des Eingabeelements (2) ein Druckfederelement mit nichtlinearer Federkennlinie anzuordnen, wobei das Eingabeelement (2) entgegen einer Federkraft des Druckfederelements bewegbar ist. Das Druckfederelement kann insbesondere durch Dome (7) einer Schaltmatte (6) realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bedieneinheit mit einem starren berührungsempfindlichen Eingabeelement und mit Mitteln zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung, wobei das Eingabeelement senkrecht zu einer einem Benutzer zugewandten Bedienseite beweglich ist.

Berührungsempfindliche Bedieneinheiten, die auch unter der Bezeichnung „Touchpanel" bekannt sind, erzeugen bei Berührung mit einem Finger oder einem Stift ein elektrisch Signal, das in einem Befehl umgesetzt werden kann, beispielsweise zur Verschiebung eines Cursors auf einer Anzeigevorrichtung. Bei Kombination einer Anzeigevorrichtung mit einer darüber angeordneten lichtdurchlässigen, berührungsempfindlichen Bedienvorrichtung entsteht ein berührungsempfindlicher Bildschirm, der auch unter der Bezeichnung „Touchscreen" bekannt ist. Da derartige berührungsempfindliche Bedieneinheiten im Gegensatz zu herkömmlichen Tasten keinen Druckpunkt aufweisen, ist es für den Bediener häufig unklar, ob die von ihm vorgenommene Betätigung erkannt wurde.

Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurden bereits berührungsempfindliche Bildschirme mit haptischer Rückmeldung vorgeschlagen. So ist in der DE 101 54 643 A1 eine Bedienvorrichtung für einen bildschirmgesteuerten Prozess beschrieben, die ein berührungsempfindliches Eingabefeld aufweist. Für die Rückmeldung weist die Bedienvorrichtung einen Elektromotor auf, der mit einem Excenter verbunden ist. Alternativ kann das Eingabefeld auch mittels Ultraschall in Vibration versetzt werden. In der Ausgestaltung als Touchscreen bilden der Anzeigebereich und der Eingabebereich eine bauliche Einheit.

Die Erzeugung der haptischen Rückmeldung ist bei derartigen Ausgestaltungen somit relativ aufwendig und entsprechend teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bedieneinheit mit einem berührungsempfindlichen Eingabeelement derart weiter zu entwickeln, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine haptische Rückmeldung erzeugt wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Bedieneinheit, die einen Touchscreen mit einer veränderbaren Anzeige aufweist, so weiterzubilden, dass mit der Bedieneinheit eine zusätzliche Funktion ausgelöst werden kann.

Die beiden genannten Aufgaben werden durch eine Bedieneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Die Bedieneinheit weist ein starres, berührungsempfindliches Eingabeelement und Mittel zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung auf. Das Eingabeelement ist senkrecht zu einer einem Benutzer zugewandten Bedienseite beweglich, wobei zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung zwischen einem Träger und einer der Bedienseite gegenüber liegenden Rückseite des Eingabeelements ein Druckfederelement mit nichtlinearer Federkennlinie angeordnet ist. Das Eingabeelement ist entgegen einer Federkraft des Druckfederelements bewegbar. Durch die nichtlineare Federkennlinie wird der durch den Benutzer auf das Eingabeelement aufgebrachten Kraft eine Federkraft des Druckfederelements entgegengesetzt, die sich mit der Bewegung des Eingabeelements für den Benutzer fühlbar verändert. Der Benutzer erhält somit eine haptische Rückmeldung über die Bewegung des Eingabeelements. Da hierfür lediglich ein Druckfederelement erforderlich ist, lässt sich die Bedieneinheit entsprechend kostengünstig herstellen.

Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Bedieneinheit liegt in einem Überlastschutz für die Eingabeeinheit.

Herkömmliche Touchpanels weisen eine nur etwa 0,3 mm dicke dem Benutzer zugewandte Schaltplatte aus Glas auf, die mit einer dickeren Glasplatte als Trägerplatte kombiniert ist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Anordnung leicht zerbrechlich und empfindlich gegen Stöße und größere statische Belastungen ist. Wird ein solches Touchpanel in herkömmlicher Weise starr beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingebaut, kann aufgrund eines zu hohen Drucks auf das Touchpanel durch den Bediener leicht eine Beschädigung des Touchpanel durch Glasbruch hervorgerufen werden. Bei der erfindungsgemäßen Bedieneinheit fühlt der Bediener dagegen die Bewegung des Eingabeelements gegen die nichtlineare Federkraft der Druckfeder und hat somit eine sichere Rückmeldung, dass die erforderliche Bedienkraft erreicht ist.

Durchläuft die Federkennlinie während der Bewegung des Eingabeelements ein Maximum, so wird dem Benutzer das ihm von herkömmlichen Tasten bekannte Gefühl vermittelt, dass die Bedieneinheit einen Druckpunkt aufweist.

Weist das Eingabeelement zusätzlich eine Anzeigefunktion auf, so kann dem Benutzer zusätzlich auch eine optische Rückmeldung über die Bedienung der Bedieneinheit gegeben werden. Hierzu kann beispielsweise eine Elektrolumineszenzfolie in der Bedieneinheit vorhanden sein, die entsprechend angesteuert wird. Die Bedieneinheit kann in diesem Fall aber auch in herkömmlicher Weise als Touchscreen ausgebildet sein.

Enthält die Bedieneinheit neben dem berührungsempfindlichen Eingabeelement ein weiteres elektrisches Schaltelement und wirkt das berührungsempfindliche Eingabeelement auf das elektrische Schaltelement mechanisch ein, so können zwei unterschiedliche Signale mit der Betätigung des Eingabeelements erzeugt werden, nämlich einerseits durch das berührungsempfindliche Eingabeelement selbst und andererseits durch das elektrische Schaltelement.

Wird die Bedieneinheit mit einer Auswerteeinheit verbunden, so kann die Auswerteeinheit sowohl ein durch Berühren des Eingabeelements erzeugtes Signal als auch ein von dem elektrischen Schaltelement erzeugtes Signal auswerten. Die Auswerteeinheit verarbeitet in einer Ausführungsform das durch Berühren des Eingabeelements erzeugte Signal erst dann weiter, wenn auch das von dem elektrischen Schaltelement erzeugte Signal vorliegt. Hierdurch kann die haptische Rückmeldung verbessert werden, da die Verarbeitung einer Benutzereingabe erst am gewünschten Punkt der Kraft-Weg-Kurve des Druckfederelements nach Betätigung des Schaltelements erfolgt und dem Benutzer somit eine direktere Kopplung von gefühlter und elektrischer Eingabe vermittelt wird.

Durch die beschriebene parallele Auswertung der beiden Signale kann zudem sichergestellt werden, dass eine ungewollte Bewegung des Eingabeelements, wie sie beispielsweise bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug durch eine ruckartige Bewegung des Fahrzeugs oder extreme Bremsmanöver entstehen kann, nicht fälschlicherweise als Eingabe interpretiert wird, wenn nicht gleichzeitig das berührungsempfindliche Eingabeelement berührt wird.

Weiterhin kann die Auswerteeinheit das durch das Berühren des Eingabeelements erzeugte Signal und das von dem elektrischen Schaltelement erzeugte Signal unabhängig voneinander auswerten und weiter verarbeiten. Eine derartige Bedieneinheit kann insbesondere bei Ausbildung als Touchscreen zunächst durch Berühren des Eingabeelements eine dort angezeigte Schaltfläche aktivieren und daraufhin weitergehende Informationen darstellen. Erst durch eine höhere Krafteinwirkung und damit Betätigung des Schaltelements wird dann die mit der aktivierten Schaltfläche verbundene Funktion ausgeführt. Die Bedieneinheit weist somit eine doppelte Schaltfunktion auf.

Besteht das Druckfederelement aus einem gummielastischen Material, so lässt sich die Bedieneinheit besonders kostengünstig herstellen. Das Druckfederelement kann hierbei als Matte mit einem oder mehreren Domen ausgebildet sein. Durch Krafteinwirkung auf das Eingabeelement werden die Dome niedergedrückt und durchlaufen eine vorgegebene nichtlineare Kraft-Weg-Kennlinie. Als Druckfederelement können hierbei insbesondere an sich bekannte Schaltmatten, die entsprechende Dome aufweisen, eingesetzt werden. Durch die elastische Lagerung auf den Domen der Schaltmatte wird die Bedieneinheit auch gegen mechanische Belastungen geschützt.

In einer einfachen Ausführungsform kann auf die Schaltfunktion der Schaltmatten verzichtet werden, d.h. die Schaltmatte dient einzig als Druckfederelement mit nichtlinearer Federkennlinie.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist mindestens einer der Dome auf einer von dem Eingabeelement abgewandten Seite ein elektrisch leitfähiges Element auf, das zusammen mit einem elektrisch leitfähigen Element des Trägers ein elektrisches Schaltelement bildet. Bei dieser Ausgestaltung wird somit mindestens einer der Dome einer herkömmlichen Schaltmatte in herkömmlicher Weise als elektrisches Schaltelement mit benutzt. Die elektrisch leitfähigen Elemente können Metallelemente sein. In einer kostengünstigeren Ausgestaltung sind die Elemente als durch Aufvulkanisierung oder durch Aufdrucken leitfähiger Gummipaste aufgebrachte leitfähige Gummielemente ausgebildet.

In einer abweichenden Ausgestaltung kann das Druckfederelement mit nichtlinearer Federkennlinie als Metallfeder ausgebildet sein, insbesondere als Tellerfeder oder Schnappfeder.

Eine erfindungsgemäße Bedieneinheit, die einen Touchscreen mit einer veränderbaren Anzeige aufweist, kann in einem neuen Verfahren betrieben werden. Hierbei wird durch Berühren des Touchscreens eine erste Funktion, insbesondere eine Änderung der Anzeige, ausgelöst. Der Touchscreen wirkt mechanisch auf das elektrische Schaltelement ein. Durch Bedienkrafteinwirkung auf den Touchscreen wird dieser in Richtung des elektrischen Schaltelements bewegt, so dass schließlich ein Schaltkontakt des elektrischen Schaltelements geschlossen und hierbei eine zweite Funktion ausgelöst wird. Somit können abhängig von der auf den Touchscreen aufgebrachten Krafteinwirkung zwei unterschiedliche Funktionen nacheinander ausgelöst werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine erfindungsgemäße Bedieneinheit,
2: eine erfindungsgemäße Bedieneinheit während der Bedienung durch einen Benutzer,
3: ein Kraft-Weg-Diagramm des Druckfederelements einer erfindungsgemäßen Bedieneinheit.
1 zeigt einen Schnitt durch eine als Touchscreen 4 ausgebildete erfindungsgemäße Bedieneinheit 5, die einen Bildschirm 1 und ein parallel zum Bildschirm 1 angeordnetes starres, berührungsempfindliches Eingabeelement 2 aufweist. Durch Berühren des berührungsempfindlichen Eingabeelements 2 wird ein elektrisches Signal erzeugt, das einer Auswerteeinheit 3 zugeführt wird. Der Bildschirm 1 kann insbesondere als LCD ausgeführt werden und über ein hier nicht dargestelltes Ansteuerelement in herkömmlicher Weise angesteuert werden. Insoweit handelt es sich um einen an sich bekannten Touchscreen 4.
Die Bedieneinheit 5 weist ferner eine Schaltmatte 6 aus einem gummielastischen Material auf. Derartige Schaltmatten sind an sich ebenfalls bekannt und werden zur Herstellung von Bedieneinheiten mit herkömmlichen Drucktasten verwendet. Die Schaltmatte 6 weist Dome 7 auf, auf denen der Touchscreen 4 aufliegt. Durch eine leichte Vorspannung der Dome 7 wird der Touchscreen 4 in einem Gehäuse 8 der Bedieneinheit 5 gehalten. Die Schaltmatte 6 mit den Domen 7 liegt ihrerseits auf einem Träger 9 auf, bei dem es sich insbesondere um eine Leiterplatte mit Leiterbahnen und elektrischen Kontakten handelt. Die Dome 7 der Schaltmatte 6 weisen auf einer von dem Eingabeelement 2 abgewandten Seite jeweils ein elektrisch leitfähiges Element 10 auf. Auf dem Träger 9 sind gegenüber liegend zu den leitfähigen Elementen 10 entsprechende elektrisch leitfähige Elemente 11 vorhanden, die derart ausgebildet sind, dass bei Kontakt der Elemente 10 mit den Elementen 11 ein Signal an die Auswerteeinheit 3 abgegeben wird. Die Dome 7 mit den Elementen 10 bilden somit zusammen mit den Elementen 11 ein elektrisches Schaltelement, wie es aus der herkömmlichen Funktion von Schaltmatten bekannt ist.
2 zeigt die Bedieneinheit 5 während ein Benutzer mittels eines seiner Finger 12 eine Kraft F auf eine Bedienseite 13 des berührungsempfindlichen Eingabeelements 2 ausübt. Aufgrund der Berührung des Eingabeelements 2 durch den Finger 12 wird ein elektrisches Signal ausgelöst, das der Ausgabeeinheit 3 zugeführt wird. Durch eine entsprechend hohe Kraft F auf das Eingabeelement 2 werden die Dome 7 der Schaltmatte b niedergedrückt, und der Kontakt zwischen den leitfähigen Elementen 10, 11 wird hergestellt. Hierbei wird ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und an die Auswerteeinheit 3 weitergegeben.
Durch die Auswerteeinheit 3 kann dann ein Schaltbefehl beispielsweise nur dann ausgeführt werden, wenn sowohl ein elektrisches Signal von dem berührungsempfindlichen Eingabeelement 2 als von dem mit den Domen 7 der Schaltmatte 6 gebildeten Schaltelement vorliegt.
Alternativ kann aber auch beispielsweise durch Berühren des Eingabeelements 2 eine Änderung der Anzeige des Bildschirms 1 ausgelöst werden, beispielsweise dadurch, dass weitere Informationen zu einer Funktion angezeigt werden. Erst durch Schließen des mit der Schaltmatte 6 gebildeten Schaltelements wird dann schließlich der entsprechende Befehl ausgeführt.
Die Dome 7 wirken in der gezeigten Anordnung zwischen dem Träger 9 und einer der Bedienseite 13 gegenüberliegenden Rückseite des Eingabeelements 2 als Druckfederelemente mit nichtlinearer Federkennlinie. Beim Niederdrücken des Touchscreens 4 erzeugen die Dome 7 eine Gegenkraft F_D, die ein Maximum durchläuft. Hierdurch entsteht für den Benutzer ein Schaltgefühl wie bei herkömmlichen Tasten mit einem Druckpunkt.
3 zeigt das Kraft-Weg-Diagramm der Schaltdome 7. Daraus ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Niederdrücken der Schaltdome 7 die von den Schaltdomen 7 erzeugte Kraft F_D zunächst ansteigt, nach Durchlaufen eines Maximums abfällt, schließlich ein Minimum durchläuft und anschließend wieder ansteigt. Die Federkennlinie der Dome, die den Zusammenhang zwischen Kraft F_D und Weg s angibt, ist somit nicht linear ausgebildet.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Bedieneinheit kann auf einfache und kostengünstige Weise somit einem Benutzer eine haptische Rückmeldung bei Bedienung der Bedieneinheit gegeben werden, die der haptischen Rückmeldung bei Bedienung herkömmlicher Tasten mit einem Druckpunkt entspricht. Die haptische Rückmeldung kann hierbei auch kostengünstiger als bisher erzeugt werden.

Claims

Bedieneinheit mit einem starren, berührungsempfindlichen Eingabeelement (2), insbesondere einem Touchpanel, und mit Mitteln zur Erzeugung einer haptischen Rückmeldung, wobei das Eingabeelement (2) senkrecht zu einer einem Benutzer zugewandten Bedienseite (13) beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der haptischen Rückmeldung zwischen einem Träger (9) und einer der Bedienseite (13) gegenüberliegenden Rückseite des Eingabeelements ein Druckfederelement mit nichtlinearer Federkennlinie angeordnet ist, wobei das Eingabeelement (2) entgegen einer Federkraft (F_D) des Druckfederelements bewegbar ist.
Bedieneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkennlinie während der Bewegung des Eingabeelements (2) ein Maximum durchläuft.
Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingabeelement (2) eine Anzeigefunktion aufweist.
Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedieneinheit (5) ein elektrisches Schaltelement enthält und das berührungsempfindliche Eingabeelement (2) auf das elektrische Schaltelement mechanisch einwirkt.
Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus einem gummielastischen Material besteht.
Bedieneinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement als Matte (6) mit einem oder mehreren Domen (7) ausgebildet ist.
Bedieneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Dome (7) auf einer von dem Eingabeelement abgewandten Seite ein elektrisch leitfähiges Element (10) aufweist, das zusammen mit einem elektrisch leitfähigen Element (11) des Trägers (9) ein elektrisches Schaltelement bildet.
Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfederelement als Metallfeder ausgebildet ist, insbesondere als Tellerfeder oder Schnappfeder.
Bedieneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedieneinheit (5) mit einer Auswerteeinheit (3) verbunden ist, wobei die Auswerteeinheit (3) sowohl ein durch Berühren des Eingabeelements (2) erzeugtes Signal als auch ein von dem elektrischen Schaltelement erzeugtes Signal auswertet.
Bedieneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) das durch Berühren des Eingabeelements (2) erzeugte Signal erst dann weiterverarbeitet, wenn auch das von dem elektrischen Schaltelement erzeugte Signal vorliegt.
Bedieneinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (3) das durch das Berühren des Eingabeelements (2) erzeugte Signal und das von dem elektrischen Schaltelement erzeugte Signal unabhängig voneinander ausgewertet und weiterverarbeitet.
Verfahren zum Betreiben einer Bedieneinheit (5), die einen Touchscreen (4) mit einer veränderbaren Anzeige aufweist, wobei durch Berühren des Touchscreens (4) eine erste Funktion, insbesondere eine Änderung der Anzeige, ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Touchscreen (4) mechanisch auf ein elektrisches Schaltelement einwirkt und durch Bedienkrafteinwirkung auf den Touchscreen (4) dieser in Richtung des elektrischen Schaltelements bewegt wird, sodass ein Schaltkontakt des elektrischen Schaltelements geschlossen und eine zweite Funktion ausgelöst wird.