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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik eines Betätigungselements. Weiterhin betrifft die Erfindung eine manuelle Eingabevorrichtung zum Erfassen einer manuellen Eingabe, mit einem Betätigungselement, das aufgrund einer manuellen Eingabe ein entsprechendes Eingabesignal erzeugt, mit einem mechanisch mit dem Betätigungselement gekoppelten Aktuator, der zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements eingerichtet ist, sowie mit einer den Aktuator steuernden Steuereinheit. Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer manuellen Eingabevorrichtung.
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Eingabevorrichtungen der gattungsgemäßen Art sind dem Grunde nach bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Eingabevorrichtungen, insbesondere manuelle Eingabevorrichtungen, dienen zum Erfassen einer manuellen Eingabe, die in der Regel von einem Nutzer vorgenommen wird. Zu diesem Zweck weist die Eingabevorrichtung in der Regel wenigstens ein Betätigungselement auf, das vom Nutzer durch Betätigung mittels einer Hand oder einem Finger betätigt werden kann. Auf diese Weise kann der Nutzer Funktionen in gewünschter Weise aktivieren und/oder deaktivieren. Solche Eingabevorrichtungen finden einen weiten Anwendungsbereich bei Fahrzeugen wie Landfahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen und denen in der Regel der Steuerung von Fahrzeugfunktionen. Landfahrzeuge sind insbesondere Kraftfahrzeuge wie Personenkraftfahrzeuge oder Lastkraftfahrzeuge.
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Es ist bekannt, das Betätigungselement mit einem Aktuator zu koppeln und hierdurch eine Rückwirkung für einen die Betätigung des Betätigungselements bewirkenden Nutzer zu erzeugen.
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Obwohl sich die Kopplung des Betätigungselements mit dem Aktuator bewährt hat, besteht hinsichtlich der Ausgestaltung und Realisierung der Rückwirkung weiterer Verbesserungsbedarf.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, die Rückwirkung ergonomischer zu gestalten.
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Als Lösung wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik eines Betätigungselements, mit folgenden Schritten:
- (a) Erfassen eines Beginns und/oder eines Endes einer manuellen Betätigung des Betätigungselements,
- (b) Erzeugen eines vorgegebenen mechanischen Impulses mittels eines Aktuators und
- (c) Einleiten des vorgegebenen mechanischen Impulses mit einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung nach Erfassen des Beginns und/oder des Endes der manuellen Betätigung in das Betätigungselement.
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Mit der Erfindung lässt sich eine ergonomisch besser angepasste Bewegungs-Kraft-Charakteristik bei dem Betätigungselement erzeugen. Dadurch kann das subjektive haptische Empfinden des Nutzers bei Betätigung des Betätigungselements vorteilhaft beeinflusst werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass der Nutzer durch die erfindungsgemäß erzeugte haptische Rückwirkung den Eindruck eines hochwertigen Betätigungselements erhält. Dies eröffnet darüber hinaus weitere Einsatzfelder wie zum Beispiel Anwendungen im Bereich hochwertiger Fahrzeuge. Betätigungen können nicht nur ergonomisch günstiger sondern auch für den Nutzer besser identifizierbar gestaltet werden. Mit der Erfindung können ferner neue Einsatzbedingungen geschaffen werden.
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Dadurch, dass lediglich mittels eines mechanischen Impulses auf das Betätigungselement eingewirkt wird, kann ein Aufwand für den Aktuator reduziert werden. Der Aktuator kann beispielsweise auf der Nutzung des elektrostriktiven, piezoelektrischen oder elektromagnetischen Effekts basieren. Das Betätigungselement kann durch einen Hebel, aber auch durch einen Schalter, eine Taste, Kombinationen hiervon und/oder dergleichen gebildet sein. Mit dem Betätigungselement kann eine manuelle Betätigung des Nutzers erfasst werden. Das Betätigungselement setzt die manuelle Betätigung des Nutzers in ein Signal um, das beispielsweise ein elektrisches, pneumatisches, hydraulisches oder dergleichen Signal sein kann. Im Bereich der Kraftfahrzeuge kann das Betätigungselement üblicherweise als elektromechanisches Bauteil ausgebildet sein, welches aufgrund manueller Betätigung durch den Nutzer ein elektrisches Signal bereitstellt. Mittels des elektrischen Signals können Funktionen aktiviert und/oder deaktiviert aber auch gesteuert werden.
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Ein Impuls im Sinne der Erfindung ist eine vorgegebene, zeitlich begrenzte, mechanische Bewegung oder Krafteinwirkung. Der Impuls kann beispielsweise ein Rechteckimpuls, ein Nadelimpuls, aber auch ein Impuls mit einem kurvenförmigen Verlauf, beispielsweise ein Sinusimpuls oder dergleichen sein.
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Bei der Erfindung wirkt der Aktuator nur zu ganz bestimmten spezifischen Zeitpunkten auf das Betätigungselement ein. Zu diesem Zweck ist der Aktuator dazu ausgebildet, einen vorgegebenen mechanischen Impuls zu erzeugen, der beispielsweise durch einen Kraftimpuls, einen Bewegungsimpuls, Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein kann. Der Impuls kann prinzipiell parallel oder auch normal zu einer Betätigungsrichtung des Betätigungselements in das Betätigungselement eingeleitet werden. Der Aktuator kann den mechanischen Impuls beispielsweise aufgrund der Zuführung elektrischer, pneumatischer, hydraulischer oder dergleichen Energie erzeugen. Infolgedessen kann ein Aktuator beispielsweise durch einen Hubmagneten, eine hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Anordnung oder dergleichen gebildet sein. Das Erfassen der manuellen Betätigung kann anhand des durch das Betätigungselement erzeugten Signals vorgenommen werden. So kann beispielsweise mit einer geeigneten Erfassungseinrichtung erfasst werden, ob das Betätigungselement ein Signal erzeugt oder nicht, ein Signal ändert oder nicht oder dergleichen. Die Erfassungseinrichtung liefert das Erfassen der manuellen Betätigung als Information an den Aktuator, der mit der Erfassungseinrichtung in Kommunikationsverbindung steht. Daraufhin erzeugt der Aktuator den vorgegebenen mechanischen Impuls und leitet diesen mit einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung nach Erfassen des Beginns und/oder des Endes der manuellen Betätigung in das Betätigungselement ein. Dadurch kann die Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements in gewünschter Weise beeinflusst werden.
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Insbesondere der Umstand, dass lediglich ein vorgegebener mechanischer Impuls erzeugt werden muss, erlaubt es, den Aufwand für das Einwirken auf die Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements zu reduzieren. So muss beispielsweise der Aktuator lediglich für die Abgabe des vorgegebenen mechanischen Impulses ausgelegt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Aktuator lediglich genau einen einzigen mechanischen Impuls vorgegebener Art erzeugt und in das Betätigungselement einleitet. Darüber hinaus können jedoch auch mehrere vorgegebene mechanische Impulse erzeugt und in das Betätigungselement zeitlich gegeneinander versetzt, beispielsweise mit vorgegebenen zeitlichen Verzögerungen, eingeleitet werden. Die Anzahl der vorgegebenen mechanischen Impulse kann je nach Anwendung variiert werden. Dadurch kann eine hohe Flexibilität erreicht werden. Auf diese Weise können in gewünschter Weise Schaltspiele des Aktuators erzeugt werden.
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Die Vorgabe des mechanischen Impulses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass Parameter des mechanischen Impulses zuvor festgelegt sind. Auf diese Weise kann eine aufwändige Berechnung von Parametern für den mechanischen Impuls vermieden werden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt sehr schnell ausgeführt und sehr kostengünstig realisiert werden. Vorzugsweise ist der mechanische Impuls an die Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements angepasst gewählt. Es handelt sich also hierbei um eine Voreinstellung, die vorzugsweise betätigungselementselektiv vorgesehen ist. Die erforderlichen vorzugebenden Parameter können beispielsweise empirisch anhand von Versuchen mit gewünschten Betätigungselementen ermittelt werden. Sie können in einer Speichereinheit abrufbar gespeichert werden.
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Um die gewünschte Wirkung zu erzeugen, sieht die Erfindung vor, dass der mechanische Impuls mit einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung nach Erfassen des Beginns und/oder des Endes der manuellen Betätigung in das Betätigungselement eingeleitet wird. Dadurch kann die Wirkung des mechanischen Impulses auf das Betätigungselement optimiert werden. Insbesondere können gewünschte Einwirkungen auf die Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements erreicht werden. Die zeitliche Verzögerung kann beispielsweise an Eigenwerte des Betätigungselements angepasst sein, beispielsweise Eigenschwingungen, Abmessungen oder dergleichen.
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Die vorgegebene zeitliche Verzögerung kann im Bereich einer oder mehrerer Millisekunden gewählt sein. Sie kann aber auch nahezu Null sein, beispielsweise lediglich begrenzt durch Signallaufzeiten, Reaktionszeiten und/oder dergleichen. Vorzugsweise ist die Verzögerung einstellbar. Sie kann zum Beispiel bei einer ersten Inbetriebnahme oder dergleichen eingestellt werden. Darüber hinaus kann die vorgegebene zeitliche Verzögerung natürlich auch fest vorgegeben sein, beispielsweise als Wert, der vorzugsweise bereits herstellungsseitig in einer Speichereinheit gespeichert ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Beginn und/oder Ende ein Beginn eines Ausschwingvorgangs des Betätigungselements erfasst wird.
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Die Erfassung kann natürlich auch mittels eines geeigneten Sensors realisiert sein, der ein entsprechendes Sensorsignal zur Steuerung des Aktuators bereitstellt.
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Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass mit Beginn und/oder Ende einer manuellen Betätigung des Betätigungselements ein Eigenschwingvorgang, beispielsweise in Form einer Resonanz, ausgelöst wird. In der Regel handelt es sich hierbei um eine gedämpfte Schwingung. Der Beginn und/oder das Ende kann beispielsweise mit Erfassung des Eingabesignals erfasst werden. Darüber hinaus kann natürlich auch ein separater Sensor vorgesehen. sein, der den Beginn und/oder das Ende der Betätigung des Betätigungselements separat erfasst und ein entsprechendes Sensorsignal liefert. Insbesondere kann natürlich der Beginn der Eigenschwingung beziehungsweise Resonanz des Betätigungselements zum entsprechenden Erfassen dienen. Beispielsweise kann auch der Aktuator vorgesehen sein, als Sensor zur Erfassung des Beginns und/oder des Endes der Betätigung des Betätigungselements zu dienen.
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Mit Erfassen des Ausschwingvorgangs kann die zeitliche Verzögerung des Einleitens des mechanischen Impulses aktiviert werden, sodass der mechanische Impuls zu einem vorgegebenen Zeitpunkt auf die Schwingung des Ausschwingvorgangs auftrifft und sich zu der gewünschten Wirkung überlagert, sodass die gewünschte Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements erreicht wird. Der Wert für die zeitliche Verzögerung ist vorzugsweise fest eingestellt und für das Betätigungselement angepasst gewählt.
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Darüber hinaus wird als mechanischer Impuls vorzugsweise ein fest vorgegebener mechanischer Impuls verwendet. Der fest vorgegebene mechanische Impuls weist Parameter auf, die hinsichtlich der gewünschten Wirkung auf die Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements angepasst gewählt sind. Vorzugsweise ist zumindest während des bestimmungsgemäßen Betriebs eine Änderung von Parametern des mechanischen Impulses nicht vorgesehen. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Parameter unveränderlich sind. So kann beispielsweise eine Impulslänge beziehungsweise Zeitdauer, aber auch eine Impulshöhe in gewünschter Weise vorgegeben sein. Der Impuls kann beispielsweise ein Kraftimpuls, ein Bewegungsimpuls, insbesondere ein translatorischer Bewegungsimpuls, aber auch ein Drehimpuls und/oder dergleichen sein. Vorzugsweise sind die Parameter des Impulses an den Ausschwingvorgang angepasst gewählt, beispielsweise hinsichtlich einer Amplitude des Impulses oder auch hinsichtlich der Zeitdauer, die an eine Periode der Eigenschwingung und/oder der Resonanz des Betätigungselements angepasst gewählt sein können. Vorzugsweise wird ein an den Ausschwingvorgang angepasster mechanischer Impuls verwendet.
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Weiterhin wird gemäß einer Ausgestaltung vorgeschlagen, dass eine Energie des mechanischen Impulses auf eine Energie des Ausschwingvorgangs abgestimmt ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Impuls Energieverluste des Ausschwingvorgangs ausgleicht, um dessen Wirkung in gewünschter Weise zu verlängern. Darüber hinaus kann aber auch vorgesehen sein, dass die Energie des mechanischen Impulses derart gewählt ist, dass sie an die Energie des Ausschwingvorgangs angepasst ist, sodass eine möglichst effektive Dämpfung des Ausschwingvorgangs erreicht werden kann. Vorzugsweise entspricht die Energie des mechanischen Impulses der des Ausschwingvorgangs, sodass eine weitgehend vollständige Unterdrückung des Ausschwingvorgangs erreicht werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine aktive Dämpfung des Ausschwingvorgangs erreichen. Natürlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der mechanische Impuls über eine Zeitdauer eingeleitet wird, die kleiner als eine halbe Schwingungsperiode des Ausschwingvorgangs ist. Hierdurch kann eine besonders schnelle Dämpfung des Ausschwingvorgangs erreicht werden. Insbesondere kann die Zeitdauer der halben Schwingungsperiode des Ausschwingvorgangs entsprechen. Dadurch lassen sich Wellen im Betätigungselement, die sich mechanisch ausbreiten, effektiv dämpfen. Daneben kann aber auch vorgesehen sein, dass der mechanische Impuls über eine Zeitdauer eingeleitet wird, die wesentlich kleiner als die halbe Schwingungsperiode des Ausschwingvorgangs ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Zeitdauer einer viertel Schwingungsperiode des Ausschwingvorgangs oder sogar weniger entspricht. Entsprechend angepasst ist bei dem mechanischen Impuls dessen Amplitude zu wählen, sodass eine zuverlässige Dämpfung erreicht werden kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass anstelle einer Dämpfung eine entsprechende Stützung des Ausschwingvorgangs erreicht werden soll, wozu der mechanische Impuls entsprechend phasenversetzt über die Zeitdauer eingeleitet wird. Dies ist zum Beispiel vorteilhaft, wenn das Betätigungselement einen vorgegebenen haptischen Effekt als Reaktion auf den Beginn und/oder das Ende der manuellen Betätigung des Betätigungselements liefern soll. Bei mehreren mechanischen Impulsen sind entsprechende Anpassungen vorzunehmen. So können während eines ersten Zeitraums die mechanischen Impulse zur Stützung des Ausschwingvorgangs phasengleich zugeführt werden, wohingegen in einem zweiten Zeitraum zum Zwecke der Dämpfung des Ausschwingvorgangs die mechanischen Impulse gegenphasig zur Schwingung des Ausschwingvorgangs eingeleitet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der mechanische Impuls bezüglich einer Ruhelage des Betätigungselements unipolar ist. Der Aktuator ist deshalb derart ausgelegt, dass er lediglich mechanische Impulse einer einzigen Polarität erzeugt. Hierdurch kann der Aktuator vereinfacht werden. Darüber hinaus werden Freiräume geschaffen, den mechanischen Impuls hinsichtlich seiner Parameter individuell besser einstellen zu können. Auch für die Einleitung des mechanischen Impulses in das Betätigungselement kann eine Vereinfachung erreicht werden.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Polarität des mechanischen Impulses der Polarität einer ersten Halbschwingung des Ausschwingvorgangs entspricht. Dadurch lässt sich eine einfache Adaption der Erfindung an beliebige Betätigungselemente erreichen. Durch Verschiebung der zeitlichen Lage des mechanischen Impulses gegenüber der Schwingung des Ausschwingvorgangs beziehungsweise durch Verändern der Phasenlage kann entweder eine Unterstützung des Ausschwingvorgangs oder eine Dämpfung erreicht werden. Insbesondere kann erreicht werden, dass der mechanische Impuls mit einer sehr kurzen Zeitdauer versehen im Bereich eines Polaritätswechsels der Schwingung des Ausschwingvorgangs eingeleitet wird. Dies erlaubt eine besonders günstige Wirkung, wenn der Ausschwingvorgang eine Bewegung betrifft. Die Phasenverschiebung beziehungsweise Zeitdauer des mechanischen Impulses gegenüber der Schwingung des Ausschwingvorgangs sind vorzugsweise fest vorgegeben.
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Gemäß einer Weiterbildung wird wenigstens ein Parameter des mechanischen Impulses mit der Herstellung einer das Betätigungselement umfassenden Eingabevorrichtung fest vorgegeben. Dies erlaubt es, die Parameter des mechanischen Impulses an das jeweilige Betätigungselement individuell anzupassen, um so eine möglichst optimale Wirkung hinsichtlich Dämpfung oder Unterstützung des Ausschwingvorgangs erreichen zu können. Auf diese Weise können individuelle haptische Wirkungen des Betätigungselements erreicht und/oder individuelle Eigenschaften des Betätigungselements berücksichtigt werden. Natürlich können mehrere Parameter vorgesehen sein.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Parameter, vorzugsweise bei einer Wartung der Eingabevorrichtung, aktualisiert wird. Insbesondere erfolgt die Aktualisierung des Parameters automatisch. Hierdurch können Alterungserscheinungen und/oder Veränderungen der Eigenschaften des Betätigungselements, wie beispielsweise des Ausschwingvorgangs oder dergleichen, berücksichtigt werden. Dies erlaubt es, dauerhaft eine zuverlässige Bewegungs-Kraft-Charakteristik bereitstellen zu können. Die automatische Aktualisierung kann in Abhängigkeit von der Alterung, einem Zeitablauf, einer Bewegung, insbesondere einer Schwingung, Kombinationen hiervon oder dergleichen erfolgen.
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Alternativ oder ergänzend wird gemäß einer Weiterbildung vorgeschlagen, dass der Parameter in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen vorzugsweise automatisch aktualisiert wird. Die auslösenden Umgebungsbedingungen können beispielsweise durch die Temperatur, Feuchtigkeit, insbesondere Luftfeuchtigkeit, Druck, Schwingungen, chemische Einwirkungen, Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein. Bei Schwingungen kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Zähler vorgesehen ist, mittels dem die Anzahl der Schwingungen erfasst wird. Bei Erreichen einer vorgebbaren Anzahl der Schwingungen wird der Parameter automatisch aktualisiert.
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Weiterhin wird gemäß einer Ausgestaltung vorgeschlagen, dass der Parameter in wiederkehrenden Zeitintervallen aktualisiert wird. Die Zeitintervalle können sich über Stunden, Tage, Wochen, Monate, Jahre oder dergleichen erstrecken.
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Mit der Erfindung wird ferner eine manuelle Eingabevorrichtung zum Erfassen einer manuellen Eingabe vorgeschlagen, mit einem Betätigungselement, das aufgrund einer manuellen Eingabe ein entsprechendes Eingabesignal erzeugt, mit einem mechanisch mit dem Betätigungselement gekoppelten Aktuator, der zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements eingerichtet ist, sowie mit einer den Aktuator steuernden Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Verfahren der Erfindung auszuführen. Insbesondere wird eine manuelle Eingabevorrichtung zum Erfassen einer manuellen Eingabe vorgeschlagen, mit einem Betätigungselement, das aufgrund einer manuellen Eingabe ein entsprechendes Eingabesignal erzeugt, mit einem mechanisch mit dem Betätigungselement gekoppelten Aktuator, der zum Einwirken auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements eingerichtet ist, sowie mit einer den Aktuator steuernden Steuereinheit, wobei mittels der Steuereinheit ein Beginn und/oder ein Ende einer manuellen Betätigung des Betätigungselements erfassbar und der Aktuator derart ansteuerbar ist, dass der Aktuator einen vorgegebenen mechanischen Impuls erzeugt und mit einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung nach Erfassen des Beginns und/oder des Endes der manuellen Betätigung in das Betätigungselement einleitet.
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Die manuelle Eingabevorrichtung wird somit im Sinne der Erfindung ertüchtigt, eine vorgegebene Bewegungs-Kraft-Charakteristik wenigstens eines ihrer Betätigungselemente bereitzustellen. Die manuelle Eingabevorrichtung ist vorzugsweise in einem Fahrzeug angebracht, beispielsweise in einem Armaturenbrett, einer Mittelkonsole, einer Tür und/oder dergleichen. Durch die Erfindung lässt sich erreichen, dass die manuelle Eingabevorrichtung mit ihrem wenigstens einen Betätigungselement eine haptische Wirkung bei Betätigung durch einen Nutzer bereitstellt, sodass das subjektive Empfinden des Nutzers positiv beeinflusst wird. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass der Nutzer auch ohne Sichtkontakt feststellen kann, ob er eine gewünschte Betätigung des Betätigungselements durchführt. Vorteilhaft ist dies beispielsweise bei Fahrzeugen während deren bestimmungsgemäßen Betriebs, wenn der Nutzer der Fahrer ist, der zugleich den Verkehr beobachten muss. Durch die Erfindung bekommt der Nutzer die Möglichkeit, haptisch eine manuelle Betätigung differenzieren zu können. Parameter des vorgegebenen mechanischen Impulses können mittels der Steuereinheit aktuatorgerecht eingestellt werden.
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Weiterhin schlägt die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Eingabevorrichtung gemäß der Erfindung vor. Dadurch kann die Sicherheit bezüglich der Nutzung des Fahrzeugs weiter verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, vorzugsweise sensorlos eine geeignete haptische Einstellung eines Betätigungselements zu erreichen und damit eine ergonomisch günstige manuelle Eingabevorrichtung zu schaffen. Insbesondere erlaubt es die Erfindung, eine haptische Rückwirkung bei Betätigungselementen dahingehend zu verbessern, dass eine Nachahmung des haptischen Effekts klassischer, vorzugsweise passiver Bedienelemente erreicht werden kann. Dadurch kann auch durch Austausch eines klassischen Bedienelements durch eine mit der Erfindung aufgerüstete manuelle Eingabevorrichtung eine im Wesentlichen gleiche Wirkung erreicht werden, sodass ein Nutzer keine besonderen Umgewöhnungsumstände zu berücksichtigen braucht.
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Weitere Merkmale und Vorteile sind der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen. Die Beschreibung dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und soll diese nicht beschränken.
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Es zeigen:
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1 schematisch ein Diagramm eines Weg-Zeit-Verlaufs einer Oberfläche eines Betätigungselements mit einem Aktuator ohne aktive Dämpfung;
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2 schematisch ein Diagramm mit einem exemplarischen Weg-Zeit-Verlauf der Oberfläche des Betätigungselements gemäß 1 mit aktiver Dämpfung;
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3 eine manuelle Eingabevorrichtung in schematischer Ansicht mit einem Betätigungselement gemäß der Erfindung; und
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4 ein Personenkraftfahrzeug in schematischer Seitenansicht mit der manuellen Eingabevorrichtung gemäß 3.
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Klassische passive haptische Bedienelemente als Betätigungselemente erzeugen eine Rückmeldung mittels einer rein mechanischen Komponente wie zum Beispiel einer Feder, zusätzlichen Massen, einem Dämpfer und/oder dergleichen. Die Energie für die haptische Rückmeldung wird dabei durch den Nutzer während eines ersten Teils eines Betätigungsvorgangs, das heißt einer Betätigung, zugeführt und in der Regel in Form von potentieller Energie zwischengespeichert und für die haptische Rückmeldung bereitgestellt.
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Insbesondere im automobilen Umfeld finden sich zunehmend aktive haptische Bedienelemente als Betätigungselemente. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die haptische Rückmeldung durch ein aktives Element, nämlich einen Aktuator, erzeugt wird. Die Aktuatoren nutzen dabei häufig den elektrostriktiven oder piezoelektrischen oder elektromagnetischen Effekt.
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Die Anregung durch den Aktuator versetzt eine Oberfläche des aktiven Bedienelements beim Betätigen in Schwingung. Die Weg-Zeit-Charakteristik dieser Schwingung beeinflusst maßgeblich das subjektive haptische Empfinden des Nutzers bei Ausführung der Betätigung. Dabei erlaubt es der Aktuator, dass die Bewegung der Oberfläche beispielsweise parallel oder auch normal zur Betätigungsrichtung erfolgt. Bei passiven Bedienelementen erfolgt die Bewegung der Oberfläche üblicherweise parallel hierzu.
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Auch wenn die folgenden Ausführungen auf translatorisch bewegbare Betätigungselemente bezogen sind, können sie in dualer Weise auf rotatorisch betätigbare Betätigungselemente übertragen werden.
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Unter Berücksichtigung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Weg-Zeit-Charakteristik des Betätigungselements als besondere Form einer Bewegungs-Kraft-Charakteristik mittels geeigneter Ansteuerung des Aktuators gezielt beeinflusst wird. Dadurch kann bei geeigneter Anregung eine aktive Dämpfung erreicht werden, die das Ausschwingverhalten beziehungsweise den Ausschwingvorgang zeitlich verkürzt. Dadurch empfindet der Nutzer die haptische Rückwirkung im Allgemeinen als präziser und hochwertiger.
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1 zeigt in einem Diagramm exemplarisch schematisch eine Darstellung eines Weg-Zeit-Verlaufs einer nutzerrelevanten Oberfläche eines Betätigungselements 26 ohne aktive Dämpfung. Das Diagramm umfasst eine horizontale Zeitachse 20 sowie eine vertikale Wegachse 18. In 1 ist mit einem Graph 14 zu Beginn der Schwingung beziehungsweise des Ausschwingvorgangs eine kurzzeitige Betätigung des Aktuators dargestellt. Zugleich startet ein Ausschwingvorgang mit einer durch einen Graphen 10 dargestellten Schwingung. Hierbei handelt es sich um eine Eigenschwingung des entsprechenden Betätigungselements 26 nach Abklingen der Betätigung durch den Nutzer. Der Graph 10 zeigt eine gedämpfte Schwingung.
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2 zeigt den Ausschwingvorgang, wenn wenigstens eine geeignete Anregung der Oberfläche während des Ausschwingvorgangs durch einen Aktuator 22 erfolgt. Der Ausschwingvorgang ist hier mit einem Graphen 12 gekennzeichnet. Wie ersichtlich ist, ist die erste Halbschwingung des Graphen 12 mit der ersten Halbschwingung des Graphen 10 in 1 im Wesentlichen identisch. Im Anschluss an die erste Halbschwingung des Graphen 12 erfolgt eine polaritätsgleiche Zuführung eines mechanischen Impulses, gekennzeichnet durch den Graphen 16, der zu einer gegenphasigen Anregung in Bezug auf die Schwingung gemäß dem Graphen 12 erfolgt. Dadurch kann eine fast vollständige Auslöschung der Schwingung bereits nach der ersten Halbwelle des Graphen 12 erzeugt werden.
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Durch eine geeignete Erfassung des Weg-Zeit- beziehungsweise Kraft-Zeit-Verlaufs kann der Zeitpunkt der gegenphasigen Ansteuerung zur Schwingung des Ausschwingvorgangs ermittelt werden.
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Insbesondere lässt sich die erfindungsgemäße Wirkung vorteilhaft mit einem piezoelektrischen Aktuator 22 erreichen, wie es in 3 dargestellt ist. Der Aktuator 22 kann in dieser Ausgestaltung zugleich auch als Sensor genutzt werden, da der piezoelektrische Effekt umkehrbar ist.
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Die aktive Dämpfung durch den Aktuator 22 hat gegenüber einer passiven beziehungsweise rein mechanischen Dämpfung den Vorteil, dass sie sich gezielter beeinflussen lässt. Vor allem Elastomere haben als passive Dämpfungselemente hinsichtlich ihrer Strukturdämpfung und Steifigkeit eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit, die bei aktuatorbasierten aktiven Dämpfungen vermieden wird.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, den Effekt der gegenphasigen Ansteuerung zur Schwingungsdämpfung zur Beeinflussung des haptischen Empfindens aktiver Bedienelemente zu nutzen.
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Alternativ kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die haptische Rückwirkung durch eine nicht-phasenverschobene Einleitung eines mechanischen Impulses zunächst weiter verstärkt wird, bevor anschließend eine aktive Dämpfung erfolgt.
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3 zeigt eine manuelle Eingabevorrichtung 24 zum Erfassen einer manuellen Eingabe eines Nutzers, mit einem Betätigungselement 26, das hier als Schalthebel ausgebildet ist. Aufgrund einer manuellen Eingabe des Nutzers erzeugt das Betätigungselement 26 ein entsprechendes Eingabesignal 28, das einer weiteren Verwendung wie zum Beispiel Aktivierung oder Deaktivierung einer Funktion zugeführt wird. Mit dem Betätigungselement 26 ist ein Aktuator 22 gekoppelt, der vorliegend als piezoelektrischer Aktuator ausgebildet ist. Die Kopplung ist derart gestaltet, dass mittels des Aktuators 22 eine Bewegung auf den Schalthebel 26 ausgeübt werden kann. Hierüber kann der Aktuator auf eine Bewegungs-Kraft-Charakteristik, hier einen Weg-Zeit-Verlauf der Oberfläche des Betätigungselements 26, einwirken. Die manuelle Eingabevorrichtung 24 umfasst ferner eine den Aktuator 22 steuernde Steuerung 34. Die manuelle Eingabevorrichtung 24 ist in einem Personenkraftwagen 36, wie in 4 dargestellt, angeordnet.
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Die Steuerung 34 ist derart eingerichtet, dass sie den Aktuator 22, wie zuvor zu den 1 und 2 ausgeführt, steuert. Zu diesem Zweck erfasst die Steuerung 34 das Eingabesignal 28 des Betätigungselements 26. Darüber hinaus ist der Aktuator 22 über eine Erfassungsleitung 30 mit dem Betätigungselement 26 in Kommunikationsverbindung, über welche Erfassungsleitung 30 der Aktuator 22 ebenfalls das Eingabesignal 28 erfasst.
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Die Graphen 14 und 16 in den 1 und 2 bezeichnen einen vorgegebenen mechanischen Impuls des Aktuators 22. Der Impuls 16 ist eine vorgegebene, zeitlich begrenzte, mechanische Bewegung oder Krafteinwirkung. Der Impuls 16 kann beispielsweise ein Rechteckimpuls, ein Nadelimpuls, aber auch ein Impuls mit einem kurvenförmigen Verlauf, beispielsweise ein Sinusimpuls oder dergleichen sein. Er ist an die gewünschte Wirkung auf die Bewegungs-Kraft-Charakteristik des Betätigungselements 26 angepasst gewählt und fest eingestellt.
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Wenn, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, die mechanischen Parameter des Betätigungselements 26 im Wesentlichen konstant sind, so kann eine separate Erfassung der Bewegung der Oberfläche beziehungsweise des Aktuators 22 eingespart werden, sodass ein sensorloser Betrieb erreicht werden kann.
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Neben der Erfassung der Bewegung der Oberfläche des Betätigungselements 26 kann auch die Erfassung bestimmter elektrischer Größen geeignet sein, um Rückschlüsse auf den Zustand des Betätigungselements 26 zu erhalten. Bei elektromagnetischen Aktuatoren kann hierzu beispielsweise eine Induktionsspannung oder auch ein Spulenstrom genutzt werden.
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Die Erfindung erlaubt es, eine weitgehend temperaturunabhängige Funktion des Betätigungselements 26 zu ermöglichen, insbesondere in einem Bereich, bei dem Menschen als Nutzer die Betätigungselemente 26 betätigen. Insbesondere gilt dies für Betätigungselemente mit einem Elastizitätsmodul mit geringer Temperaturabhängigkeit, wie beispielsweise bei Metallen, insbesondere Stahl.
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Dominiert ferner die Federsteifigkeit das Systemverhalten des aktiven Bedienelements neben einer in der Regel konstanten Masse, kann die aktive Dämpfung vorzugsweise sensorlos ausgeführt sein. Insbesondere kommen hier Bedienelemente mit Strukturen aus Metall in Betracht.
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Insbesondere erlaubt es die Erfindung, lediglich unipolare Anregungen durch den Aktuator 22 vorzusehen. Exemplarisch ist dies in 2 dargestellt, in der ein Kraftimpuls gemäß dem Graphen 14 zur Verkürzung der haptischen Rückwirkung in die gleiche Richtung wie der Kraftimpuls zum Auslösen der haptischen Rückwirkung gemäß Graphen 16 erfolgt.
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Damit erreicht es die Erfindung, die haptische Rückwirkung bei aktiven Bedienelementen zu verbessern, die die Nachahmung des haptischen Eindrucks klassischer, insbesondere passiver Bedienelemente zum Ziel haben. Die Erfindung ist somit insbesondere darauf gerichtet, einen Ersatz klassischer Bedienelemente durch neuartige Bedienelemente zu gewährleisten, wobei die ergonomischen Eigenschaften nutzerseitig weitgehend erhalten bleiben. Dies erreicht die Erfindung durch die Nachahmung des haptischen Eindrucks.
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Die Erfindung erweist sich insbesondere vorteilhaft zum Einsatz bei klassischen Bedienelementen wie zum Beispiel sogenannten Mikroschaltern oder dergleichen.
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Das vorgenannte Ausführungsbeispiel dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend. Insbesondere können natürlich Merkmale und Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, um zu weiteren bedarfsgerechten Ausgestaltungen zu gelangen, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
