DE102022110704A1

DE102022110704A1 - Mesostrukturelle Rückstelleinheit

Info

Publication number: DE102022110704A1
Application number: DE102022110704.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Reisch; Manfred Süßmann
Original assignee: Elobau & CoKg GmbH; Elobau GmbH and Co KG
Current assignee: Elobau & CoKg GmbH; Elobau GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-02
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2023-11-02
Also published as: EP4276572A1; US20230350450A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rückstelleinheit (1), für die Rückstellung von Rotations- und/oder Translationsauslenkbewegungen eines Stellelements, aufweisend eine aus einer geordneten Anordnung von mindestens einer Elementarzelle (3) gebildete, geordnete Mesostruktur (2) von Elementarzellen (3), wobei die mindestens eine Elementarzelle (3) mittels Krafteinwirkung reversibel kompressier- und expandierbar sind, die Rückstelleinheit (1) weiter aufweisend mindestens einen Signalgeber (4) und/oder mindestens eine Reaktionseinheit (5), die Rückstelleinheit (1) weiter aufweisend mindestens eine Auswerteeinheit (6), die ein vom Signalgeber (4) abgegebenes Signal auswertend ist und/oder die Reaktionseinheit (5) elektrisch und/oder magnetisch ansteuernd ist, wobei Signalgeber (4) und/oder Reaktionseinheit (5) in die mindestens eine Mesostruktur (2) eingebettet sind, wobei eine Rückstellkraft der Rückstelleinheit (1) zumindest teilweise durch Verformung der Mesostruktur (2) erzeugbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mesostrukturelle Rückstelleinheit, insbesondere zur Anwendung in Bedienvorrichtungen für Baumaschinen, landwirtschaftliche Traktoren und sonstige Nutzfahrzeuge.
Derartige Bedienvorrichtungen werden unter anderem zur Steuerung von Nutzfahrzeugen, Maschinen, Arbeitsfunktionen von Nutzfahrzeugen oder Baumaschinen und Anbaugeräten eingesetzt. Bedienvorrichtungen im Sinne der Erfindung sind jegliche Vorrichtungen, die Bedienelemente wie beispielsweise Fahrhebel, Fahrpedale, Tasten und insbesondere Joysticks aufweisen. So sind beispielsweise Armrests erfindungsgemäße Bedienvorrichtungen, die eine Vielzahl von Bedienelementen aufweisen. Für solche Bedienelemente ist es hinlänglich bekannt, dass diese Rückstelleinheiten aufweisen, die aufgrund einer auf das Bedienelement wirkenden Rückstellkraft dieses von einer ausgelenkten Position in seine Ausgangsstellung zurückbewegen.
Diese Rückstelleinheiten sind im Stand der Technik regelmäßig elastische Elemente wie Federn oder Elastomere, oder aber elektrische Elemente wie Aktuatoren, bei denen sich eine Kraftkurve anders wie bei den elastischen Elementen auch nach dem Einbau ohne einen Austausch der verbauten Teile ändern lässt. Dagegen müssten die elastischen Elemente aus den Bedienelementen ausgebaut und durch neue ausgetauscht werden, die die gewünschte Elastizität aufweisen. Alternativ sind auch adaptive elastische Materialien bekannt, also solche, deren Materialeigenschaften wie die Elastizität durch das Anlegen eines Stroms oder Magnetfeldes veränderbar sind. Nachteilig an all diesen bekannten Rückstelleinheiten ist, dass sie entweder wie die elastischen Elemente nicht adaptierbar sind, sodass man sich bei der Herstellung auf eine zukünftig festgelegte und nur durch eine Umkonstruktion änderbare Kraftlinie festlegen muss, oder wie die elektrischen Elemente besonders raum- und materialintensiv sind und eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien benötigen. Damit einhergehend ist es bei derartigen Elementen nachteilig, dass eine Wartung einzelner Teile dieser elektrischen Elemente in der Regel kosten- und zeitintensiv ist. Eine Lösung dafür ist im Stand der Technik die modulare Ausgestaltung der Rückstelleinheiten, jedoch lösen auch diese nicht das Problem der ressourcenintensiven Ausgestaltung.
Während die eingangs genannten elastischen Materialien zwar im Gegensatz zu den adaptiven Elementen relativ ressourcensparend sind, mangelt es diesen regelmäßig an der Adaptivität. Dieses Problem wird im Stand der Technik regelmäßig durch ein Ergänzen dieser elastischen Materialien um ein adaptierendes Modul gelöst. So wird beispielsweise regelmäßig einer Feder ein Aktuator vorgeschaltet, welcher die Feder je nach Bedarf vorspannen und so die Rückstellkraft verändern kann. Jedoch hat auch diese Ausgestaltung den Nachteil, dass die ursprünglich ressourcensparende Ausgestaltung der elastischen Rückstelleinheit aufgrund des adaptierenden Moduls ebenfalls ressourcenintensiv ist und insbesondere die Kosten und den Raumbedarf der Rückstelleinheit erhöht.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Rückstelleinheit anzugeben, welches besonders ressourcensparend ist und adaptiv erweiterbar ist.
Die Erfindung sieht zur Lösung der Aufgabe unter anderem die Verwendung einer Mesostruktur vor. Im Stand der Technik sind Mesostrukturen an sich allgemein als Strukturen bekannt, die eine Porung aufweisen. Diese Porung kann eine stochastische Porung wie beispielsweise bei Schwämmen oder Schäumen sein, oder aber eine geordnete Porung, beispielsweise eine Wabenstruktur, sein. Eine geordnete Porung führt zu einer aus einzelnen Elementarzellen bestehenden Struktur, deren Verhalten bei Kompression oder Dekompression aufgrund der Eigenschaften der Elementarzellen definiert wird. Ebenso ist eine geordnete Mesostruktur mit verschiedenen, miteinander kombinierten Elementarzellen denkbar, welche sich beispielsweise in Ihrer Form oder Materialeigenschaften unterscheiden. Dadurch wird das Verhalten der Struktur ebenfalls von der Anordnung und Ausrichtung dieser verschiedenartigen Elementarzellen bestimmt.
Der Aufbau der Mesostruktur ist so ausgelegt, dass das Material in definierter Weise nachgibt und somit ein oder mehrere definierte Freiheitsgrade ermöglicht werden. Dazu ist die Mesostruktur so aufgebaut, dass Teile der Volumenstruktur oder die Materialorientierung zumindest partiell nicht der Kraftrichtung folgend sind. Dies führt zu Bewegung, beziehungsweise zum Nachgeben der Struktur. Damit lässt sich der Kraftfluss durch Auslegung der Mesostruktur aus einer Kombination mehrerer Elementarzellen optimiert leiten. Zudem sind derartige Mesostrukturen je nach Material besonders einfach, beispielsweise durch ein additives Verfahren wie 3D-Druck herstellbar.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Rückstelleinheit, für die Rückstellung von Rotations- und/oder Translationsauslenkbewegungen eines Stellelements, aufweisend eine aus einer geordneten Anordnung von mindestens einer Elementarzelle gebildete, geordnete Mesostruktur von Elementarzellen, wobei die mindestens eine Elementarzelle mittels Krafteinwirkung reversibel kompressier- und expandierbar ist, die Rückstelleinheit weiter aufweisend mindestens einen Signalgeber und/oder mindestens eine Reaktionseinheit, die Rückstelleinheit weiter aufweisend mindestens eine Auswerteeinheit, die ein vom Signalgeber abgegebenes Signal auswertend ist und/oder die Reaktionseinheit elektrisch und/oder magnetisch ansteuernd ist, wobei Signalgeber und/oder Reaktionseinheit in die mindestens eine Mesostruktur eingebettet sind, wobei eine Rückstellkraft der Rückstelleinheit zumindest teilweise durch Verformung der Mesostruktur erzeugbar ist.
Die Rückstelleinheit ist erfindungsgemäß in einem Stellelement anwendbar, welches im Sinne der Erfindung insbesondere Bedienhebel oder ein anderes Bedienelement sein kann, jedoch ist die Rückstelleinheit auch zur Anwendung mit sonstigen Kontaktflächen geeignet, die beispielsweise eine Force-Feedback-Funktion aufweisen sollen. Die Rückstelleinheit weist erfindungsgemäß eine geordnete, nicht jedoch eine stochastische Mesostruktur auf. Diese Mesostruktur ist gebildet aus mindestens einer Elementarzelle, welche, sofern es mindestens zwei Elementarzellen sind, je nach beabsichtigter Kraftwirkung ausgelegt, angeordnet und verbunden sind. Jede Elementarzelle zeichnet sich zunächst dadurch aus, dass sie durch ihre Form zwei Punkte im Raum über einen nicht direkten Weg verbinden. So weist eine Elementarzelle stets eine Krümmung oder Kante auf. Dabei ist es in einer Alternative der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn jede Elementarzelle zumindest eine Pore aufweist, welche eine Ausnehmung ist, die zumindest in einer Ebene umschlossen ist, sich also ein beliebiger Startpunkt auf dem Rahmen der Elementarzelle durch komplettes Ablaufen des Rahmens als Endpunkt wiederfinden lässt. So ist beispielsweise ein Ring oder ein sonstiger Rahmen mit einem Loch eine solche Elementarzelle mit einer Pore. Auch ein wie eine Acht geformter Rahmen mit zwei Löchern ist demnach eine solche Elementarzelle. Zudem ist das Material, aus dem die Mesostruktur gebildet ist, ein flexibles Material. Aufgrund dieser Ausgestaltung und der materiellen Beschaffenheit der Elementarzellen beziehungsweise der Mesostrukturen sind diese bei Krafteinwirkung reversibel kompressier- und expandierbar. Die Krafteinwirkung, die zu der Kompression oder Expansion der Elementarzellen führt kann dabei punktuell oder flächig, eine Translations- oder Rotationskraft sein. Die Kraftrichtung ist nicht zwingend auf die oben genannte Ebene der Pore oder Elementarzelle beschränkt. Aufgrund der Krafteinwirkung auf die Rückstelleinheit wirkt eine Kraft auf die Mesostruktur und damit auf mindestens eine Elementarzelle, welche wie beschrieben verformt wird. Damit werden auch alle mit dieser verformten Elementarzelle verbundenen Elementarzellen mitverformt. Zudem wird dadurch die Mesostruktur im Ganzen verformt. Aufgrund der Reversibilität der Kompression und Expansion der Elementarzellen und durch deren linear-elastischen Werkstoffverhalten erzeugen diese die Rückstellkraft, welche die Mesostruktur in seine Ruheposition zurückstellt. Durch die spezifische Anordnung der Elementarzellen und durch Auslegung ihrer Freiheitsgrade wird eine definierte räumliche Federwirkung der Rückstelleinheit erzeugt. Derartige Mesostrukturen haben zudem den Vorteil, dass sie besonders einfach herzustellen sind, beispielsweise durch ein additives Verfahren wie 3D-Druck.
Als Signalgeber wird ein in die Mesostruktur integriertes oder angeordnetes Element verstanden, welches ein außerhalb der Rückstelleinheit durch die Auswerteeinheit wahrnehmbares Signal abgibt und so für die Positions- bzw. Parameterbestimmbarkeit, hinsichtlich Dehnung, Materialparameter oder ähnliche Parameter, der Struktur sorgt. Wird die Form der Mesostruktur durch Kompression oder Expansion beeinflusst, wird damit auch das Signal des mindestens einen Signalgebers verändert. Damit ist auch die Änderung der Form der Mesostruktur über das Signal der Signalgeber ermittelbar. Die Reaktionseinheit ist dagegen als Element zu verstehen, das auf ein äußeres Einwirken, beispielsweise ein Magnet- oder ein elektrisches Feld, mit einer entsprechenden Änderung zumindest einer Eigenschaft wie der Position, Orientierung oder Steifigkeit reagiert. Dabei ist die Reaktionseinheit derart in oder an der Mesostruktur oder zumindest einer Elementarzelle angeordnet, dass die Änderung der Eigenschaft der Reaktionseinheit zu einer veränderten Kraftlinie der Rückstelleinheit führt. So kann die Reaktionseinheit wie auch der Signalgeber ein Bauteil der Mesostruktur oder Elementarzelle sein oder aber lediglich an diesen angeordnet sein. Da die Elementarzellen Bewegung zulassen, verändert sich durch ein ansprechen der Reaktionseinheiten ihre Form. Damit kann eine gewollte Zustandsänderung einzelner Elementarzellen, insbesondere hinsichtlich ihrer Steifigkeit oder Form, und damit der gesamten Mesostruktur realisiert werden. Durch die gezielte Ansteuerung der Reaktionseinheiten kann somit die Kraftlinie der Rückstelleinheit bedarfsgerecht und situationsspezifisch an die spezifischen Anforderungen angepasst werden. Die Auswerteeinheit im Sinne der Erfindung ist ein Element, dass die Änderung der zuvor genannten Parameter der Signalgeber empfangend ist. Eine Auswertung im Sinne einer Verwertung oder Interpretation der empfangenen Signale ist dabei nicht zwingend. So ist auch ein Erkennen einer Änderung an sich ausreichend. Alternativ oder ergänzend dazu ist die Auswerteeinheit ein Element, welches die Reaktionseinheit ansteuernd ist und so die gewünschten Reaktionen dieser bedarfsgerecht hervorrufend ist.
Derartige Mesostrukturen, in deren Struktur Signalgeber und/oder Reaktionseinheiten eingebettet sind, sind für absolute oder relative Messungen geeignet. Eine absolute Messung erfolgt dabei durch Ermittlung der Positionsänderung der Signalgeber aufgrund einer Verformung der Mesostruktur. Eine relative Messung erfolgt dagegen durch Ermittlung der Verformung der Signalgeber über die daraus resultierende Änderung physikalischer Eigenschaften wie beispielsweise dessen elektrischer Widerstand. Voraussetzung dafür ist die Verwendung von verformbaren Signalgebern, also insbesondere solchen, die in die Struktur der Elementarzellen oder Mesostrukturen eingearbeitet sind und einen reversibel kompressier- und expandierbaren Teil der Elementarzelle oder Mesostruktur bilden. Die Kraftlinie der Rückstelleinheit kann demnach entweder durch das Sperren von einer oder mehreren Elementarzellen oder die Veränderung der Steifigkeit verändert werden. Damit kann sie zwischen zwei Grenzwerten stufenlos angepasst werden. Es kann dafür sowohl die Vorspannung als auch die Steifigkeit der Elementarzelle angepasst werden.
Weist die Rückstelleinheit besonders vorteilhaft mindestens zwei insbesondere gleichartige Mesostrukturen auf, welche zueinander in Kraftwirkung parallelgeschaltet sind, ist es für die korrekte Funktionsweise der Erfindung unerheblich, wenn einzelne Mesostrukturen ausfallen sollten, beispielsweise durch Ermüdung und Bruch des Materials, da die restlichen funktionsfähigen Mesostrukturen die Rückstellkraft weiterhin erzeugen können. Die Parallelschaltung der Mesostrukturen im Sinne der Erfindung ist dabei als Anordnung dieser nebeneinander zu verstehen, sodass die Anordnung der Mesostrukturen senkrecht zu der Kraftwirkungsrichtung angeordnet ist. Sind die Mesostrukturen gleichartig, gleichen sich diese in ihrer Struktur, Form, Material und Anordnung. Der Vorteil der mechanischen Redundanz verstärkt sich mit steigender Anzahl der angewandten, parallelgeschalteten Mesostrukturen. So wird die Rückstelleinheit im Gesamten weniger belastet, wenn sich die Last von einer ausgefallenen Mesostruktur auf möglichst viele verbleibende funktionsfähige Mesostrukturen verteilt. Diese vorteilhafte Lastenverteilung kann im Übrigen auch innerhalb einer Mesostruktur auftreten, wenn diese besonders viele, in Reihe und/oder Parallel geschaltete Elementarzellen aufweist, beispielsweise in Form eines Gitters, in dem eine Elementarzelle ausfallen könnte, während die von dieser Elementarzelle ursprünglich übernommene Last auf die übrigen, unbeschädigten Elementarzellen verteilt wird. Zudem ist auch eine Parallelschaltung nicht gleichartiger Mesostrukturen denkbar. Dadurch kann eine spezifische Rückstellkraftverteilung über die Rückstelleinheit erreicht werden, beispielsweise in Form von Überdruckpunkten, welche durch die Anordnung von starren Mesostrukturen zwischen sonst weniger starren Mesostrukturen erzeugt werden.
Ebenso ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens eine Mesostruktur mindestens zwei verschiedene Elementarzellen aufweist, die sich in ihrer Struktur, Form, Material und/oder Anordnung unterscheiden. Die Mesostruktur kann dabei auch Anteile einer stochastischen Mesostruktur ergänzt um Elementarzellen entsprechend einer geordneten Mesostruktur aufweisen. Durch die Wahl der Struktur und Form der Elementarzellen lässt sich die Kraftlinie der Rückstelleinheit beispielsweise je nach Kompressions- oder Zugkraft beeinflussen. Als unterschiedliche Materialien sind insbesondere solche Materialien erfindungsgemäß, die durch ein additives Fertigungsverfahren, beispielsweise durch 3D-Druck hergestellt werden können um eine besonders einfache Herstellung zu ermöglichen. Ebenfalls sind elektrisch leitende oder magnetische Materialien vorteilhaft, welche als Signalgeber und/oder Reaktionseinheiten dienen können. So können einzelne Elementarzellen bei Anlegen eines Magnet- oder elektrischen Feld vorgespannt werden und so die Kraftlinie der Rückstelleinheit beeinflusst werden. Jedoch sind grundsätzlich jegliche reversibel flexible Materialien erfindungsgemäß. Die Anordnung der Elementarzellen kann sich insbesondere hinsichtlich deren Orientierung zueinander unterscheiden. Durch die Kombination solcher unterschiedlicher Elementarzellen können unterschiedliche Kraftreaktionen in unterschiedliche Raumrichtungen erzeugt werden. Diese unterschiedlichen Kraftreaktionen können lineare und nichtlineare Kräfte sein, welche sich zu anwendungsgerechten Kraftlinien kombinieren lassen. Zudem kann dadurch eine erhöhte Stabilität gegen die verschiedenen Kräfte in unterschiedlichen Raumrichtungen erzielt werden. Aufgrund der hohen Anzahl kombinierbarer Materialien, Strukturen, Formen und Anwendungen ergibt sich eine hohe Anzahl an möglichen Ausführungen der erfindungsgemäßen Rückstelleinheit und somit eine hohe Anwendungsvariabilität.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer Elementarzelle ein elastisches Element, insbesondere eine Feder oder ein Elastomer, oder ein adaptives Element, insbesondere ein Aktor oder ein MRF-Element, in Kraftwirkung vor- und/oder nachgeschaltet ist. Das Vor- oder Nachschalten im Sinne der Erfindung ist als Reihenschaltung zu verstehen, bei dem die Elementarzelle und das elastische oder adaptive Element zueinander parallel zur Kraftwirkungsrichtung angeordnet sind. Als elastisches Element wird dabei ein rein passives Element verstanden, welches bei Verformung eine eigene vordefinierte Rückstellkraft erzeugt, die die Rückstellkraft der vor- oder nachgeschalteten Elementarzelle überlagert. Als adaptives Element werden aktive Elemente verstanden, welche durch einen Benutzer bedienbar sind. So kann ein Benutzer durch Ansteuerung des adaptiven Elements die dadurch erzeugte Rückstellkraft oder die Vorspannung der vor- oder nachgeschalteten Elementarzelle bedarfsgerecht einstellen. Dabei ist ein MRF-Element ein Element aufweisend ein magnetorheologisches Fluid, dessen Viskosität durch ein Magnetfeld beeinflussbar ist. Durch diese Elemente lässt sich eine Vorspannung an bestimmten Stellen innerhalb einer Mesostruktur erzeugen. Dies ermöglicht weitere Optionen, die der Einstellung einer anwendungsgerechten Kraftlinie dienlich sind. Insbesondere adaptive Elemente ermöglichen bei Bedarf die Zuschaltung einer Vorspannung oder einer Enddämpfung. Somit ist auch die Anpassung der Kraftlinie der Rückstelleinheit zu einer bedarfsgerechten linearen oder nichtlinearen Kraftlinie möglich. Im Übrigen ist auch eine derartige Reihenschaltung von elastischen und/oder adaptiven Elementen mit mindestens einer Mesostruktur erfindungsgemäß vorgeschlagen, sodass die Vorspannung auch auf eine gesamte Mesostruktur auswirkend ist. Diese kann mit der Reihenschaltung von in der besagten Mesostruktur angeordneten Elementarzellen und elastischen und/oder adaptiven Elementen kombiniert werden, um eine besonders detaillierte Kraftlinienverteilung über die gesamte Rückstelleinheit hinweg definieren zu können.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit nicht mechanisch, jedoch wirksam mit der Mesostruktur verbunden ist. Damit ist insbesondere von Vorteil erreicht, dass die Auswerteeinheit auch außerhalb der Mesostruktur oder gar außerhalb der Rückstelleinheit angeordnet sein kann. Eine wirksame Verbindung gemäß der Erfindung ist insbesondere eine Verbindung durch ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld, aber auch durch ein Lichtsignal, welches auf die Mesostruktur und seine lichtleitenden Signalgeber fällt und durch diese gebrochen und anschließend von der Auswerteeinheit empfangen wird. Damit kann vorteilhaft auf möglicherweise wartungsintensive Bauteile zur Herstellung einer mechanischen Verbindung verzichtet werden. Zudem werden damit etwaige Ausfälle dieser Bauteile vermieden und eine präzisere und konstante Signalübermittlung zwischen Auswerteeinheit und Signalgeber und/oder Reaktionseinheit gesichert.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reaktionseinheit durch einen daran angelegten Strom oder ein Magnetfeld in ihrer Form und/oder Elastizität beeinflussbar ist. Unter dem Anlegen eines Stroms an die Reaktionseinheit wird insbesondere ein durch ein Magnetfeld induzierter Strom oder ein auf die Reaktionseinheit wirkendes, äußeres elektrisches Feld verstanden, wobei in beiden Fällen die Ansteuerung der Reaktionseinheit durch die Auswerteeinheit über einen nicht mechanischen, kabellosen Weg erfolgt. Entsprechend ist das Material und die sonstige Ausgestaltung der Reaktionseinheit erfindungsgemäß derart gewählt, dass die Reaktionseinheit entsprechend auf elektrische oder magnetische Einflüsse reagiert. Dies sind insbesondere elektrisch und/oder magnetisch leitende Materialien. Dabei sind Umwelteinflüsse wie ein natürliches oder aus sonstigen Gründen äußeres Magnetfeld durch eine gezielte Ansteuerung der Auswerteeinheit ausgleichbar.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sie Rastelemente aufweist, durch die der mindestens eine Signalgeber und/oder die mindestens eine Reaktionseinheit bei einer vorgegebenen Position einrastend sind. Diese können mechanische Rastelemente sein, jedoch sind sie besonders bevorzugt magnetische Rastelemente, welche mit einem von in der Mesostruktur angeordneten Signalgebern oder Reaktionseinheiten erzeugten Magnetfeld interagieren und aufgrund dessen bei einer Annäherung zwischen Rastelement und entsprechendem Signalgeber oder Reaktionseinheit auf eine vordefinierte Distanz einrasten. Diese vordefinierte Distanz ist dabei über die Magnetfeldstärke bestimm- und beeinflussbar. Sind die Rastelemente demnach adaptiv ausgestaltet, kann durch geeignete Wahl einer angelegten Stromstärke die vordefinierte Distanz angepasst werden. Dafür sind die Rastelemente insbesondere nicht innerhalb der Mesostruktur oder mit dieser gemeinsam beweglich angeordnet. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn die Rastelemente zu einem System, in dem die Mesostruktur beweglich ist, unbeweglich ausgestaltet sind. Dies kann beispielsweise durch deren Anordnung an einem Gehäuse, in dem die Rückstelleinheit aufgenommen ist erfüllt werden. Dies hat weiter zum Vorteil, dass die Rastelemente bei adaptiver Ausgestaltung über einfache Schaltkreise, die unbeweglich ausgestaltet sein können, mit Strom versorgt und so angesteuert werden können. Entsprechend kann das Einrasten zwischen Rastelement und Signalgeber und/oder Reaktionseinheit entweder durch entsprechendes Ansteuern der Rastelemente, sofern diese ebenfalls adaptiv ausgestaltet sind, oder der Reaktionseinheit, oder durch eine derartige Kompression oder Expansion der Mesostruktur, dass die Distanz zwischen Rastelementen und Signalgeber oder Reaktionseinheit die genannte vordefinierte Distanz übersteigt, aufgelöst werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Signalgeber und/oder die mindestens eine Reaktionseinheit gewählt sind aus der folgenden Gruppe: Metalldraht, Metallpartikel, Spule, Elektromagnet, Kohlenstofffaser, CFK-Faser, leitfähiger Kunststoff, Magnet. Je nach Gruppenelement, wie beispielsweise bei Elektromagneten, lässt sich deren Funktion als Signalgeber oder Reaktionseinheit durch Anlegen eines Stroms aktivieren oder je nach Stromstärke verändern. Damit kann die Kraftlinie der Rückstelleinheit auch ohne deren mechanischen Umbau und jederzeit bedarfsgerecht präzise angepasst werden. Auch als reine Signalgeber eignen sich derartige Materialien besonders gut, da diese je nach Umwelteinflüssen oder Bedarf ab- oder zugeschaltet werden können und die Rückstelleinheit nochmals variabler einsetzbar ist. Demgegenüber sind jedoch auch einfache Magneten erfindungsgemäß als Signalgeber oder Reaktionseinheit anwendbar, welche aufgrund ihrer konstruktiven Einfachheit besonders geeignet ist für einfache Anwendungen, bei denen eine besonders präzise oder spezifische Änderung der Kraftlinie der Rückstelleinheit nicht benötigt wird. Ebenso sind zur Anwendung als Signalgeber und insbesondere Reaktionseinheiten Materialien geeignet, die sich durch das Anlegen eines Stroms in ihrer Steifigkeit verändern. Weiter sind jegliche Lichtleiter als Signalgeber erfindungsgemäß, bei denen Signale durch Lichtbrechung erzeugt werden, ein von außerhalb der Mesostruktur kommendes Licht also je nach Verformung der Mesostruktur unterschiedlich gebrochen oder bedeckt wird und dieses beeinflusste Licht von außerhalb der Mesostruktur wahrnehmbar ist. So ist es ebenfalls erfindungsgemäß, Signalgeber zu verwenden, die einen Teil der Mesostruktur oder von einzelnen Elementarzellen bilden, also darin angeformt oder eingearbeitet sind. Als geeignete Werkstoffe oder Bauteile mit mehreren Zuständen sind außerdem Formgedächtnislegierungen wie Piezometalle bekannt und erfindungsgemäß.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Auswerteeinheit gewählt ist aus der folgenden Gruppe: Spule, Elektromagnet, Hallsensor, Platine mit Leiterbahnen, DMS-Messeinheit. Je nach Wahl der Art der Auswerteeinheit lassen sich insbesondere magnetische Signale von Signalgebern in Form eines elektrischen Stroms auswerten, welcher beispielsweise in einer Spule aufgrund des magnetischen Feldes der Signalgeber induziert wird. In einem alternativen Fall, beispielsweise bei einem Elektromagneten, kann die Auswerteeinheit derart angesteuert werden, dass diese von sich aus ein elektrisches oder insbesondere magnetisches Feld erzeugt und Reaktionseinheiten in der Mesostruktur mit einem ihrerseits vorhandenen Magnetfeld darauf durch Abstoßung oder Anziehung reagieren. Im Fall einer Spule als Auswerteeinheit lässt sich gar sowohl ein Signal in Form eines Magnetfeldes durch den in der Spule induzierten Strom auswerten, als auch eine Reaktionseinheit über die Spule durch einen angelegten Strom und dem daraus erzeugten Magnetfeld ansteuern. Entsprechend sind auch solche kombinierten Auswerteeinheiten erfindungsgemäß.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rückstelleinheit verschiedene Mesostrukturen aufweist, die in ihrer Benutzung austauschbar sind. Diese Austauschbarkeit ist insbesondere bei solchen Mesostrukturen vorteilhaft, welche sich in ihrer Struktur, Form, Material und/oder Anordnung unterscheiden. Das Auswechseln der Mesostrukturen ermöglicht den Wechsel zwischen unterschiedlichen vordefinierten Kraftlinien, die sich, wie oben bereits beschrieben, aus der jeweiligen Beschaffenheit der ausgewählten Mesostruktur ergeben. So lässt sich bedarfsgerecht eine bestimmte Mesostruktur aktivieren, deren Kraftlinie der aktuellen Anwendung entspricht. Insbesondere in Anwendungsfällen, in denen unterschiedliche Umgebungsfaktoren oder Verwendungsarten auftreten, kann eine einzelne Rückstelleinheit für verschiedenste Anforderungen optimal angepasst werden. Beispielhaft ist die Rückstelleinheit in einer Bedienvorrichtung einer Landmaschine wie einem Traktor anwendbar, an den verschiedenste Arbeitsmaschinen mit unterschiedlichen Funktionen angekoppelt werden. Diese werden üblicherweise über eine gleichbleibende zentrale Steuerung im Traktor gesteuert. Durch die erfindungsgemäße Rückstelleinheit lässt sich die Bedienvorrichtung jedoch zumindest in den Rückstellkraftlinien stets an die angeschlossene Arbeitsvorrichtung anpassen. Weiterhin ist in Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die verschiedenen Mesostrukturen durch ein Wechselmagazin, insbesondere ein Trommelwechselmagazin in der Rückstelleinheit gegeneinander austauschbar sind. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorteile der verschiedenen austauschbaren Mesostrukturen erreicht. Ein Wechselmagazin im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung, in der mehrere verschiedene Mesostrukturen voneinander getrennt aufgenommen und abrufbar sind. Dies kann beispielsweise ein linear verschiebbar gelagertes Magazin sein, durch dessen verschieben verschiedene Mesostruktursegmente abrufbar sind. Besonders vorteilhaft ist jedoch ein Trommelwechselmagazin, welches eine besonders einfache Ausführungsform eines Wechselmagazins darstellt, bei dem die zu verwendende Mesostruktur in eine aktive Position gedreht wird, während die übrigen Mesostrukturen nicht mit einem rückzustellenden Element, beispielsweise einer Bedienvorrichtung, wirksam verbunden ist. Ein Trommelwechselmagazin lässt sich zudem besonders platzsparend konstruieren. Die Anwendung eines solchen Wechselmagazins ermöglicht eine modulare Gestaltung der Rückstelleinheit, bei der einzelne Mesostrukturen beispielsweise bei Wartungsarbeiten oder bei veränderten Anforderungen an die Rückstelleinheit ausgetauscht werden können. Entsprechend ist es besonders vorteilhaft, wenn die verschiedenen Mesostrukturen lösbar verbindbar in das Wechselmagazin einsetzbar sind.
Weiter wird erfindungsgemäß eine Bedienvorrichtung vorgeschlagen, aufweisend eine Rückstelleinheit wie oben beschrieben. Insbesondere solche Bedienvorrichtungen, welche üblicherweise eine Rückstelleinheit aufweisen, sind durch die Verwendung der oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Rückstelleinheit bedarfsgerecht variabel einsetzbar. Dies ist insbesondere bei Joysticks und sonstigen Bedienhebeln, aber auch bei Bedientasten und Touchpads besonders vorteilhaft. Auch Bedienvorrichtungen, deren Bedienbewegung eine Rotationsbewegung ist, können die erfindungsgemäße Rückstelleinheit aufweisen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Bedienvorrichtung derart wirksam mit der Rückstelleinheit verbunden ist, dass durch die Bewegung der Bedienvorrichtung eine Kompression oder Expansion der Rückstelleinheit verursacht wird, sodass diese eine Rückstellkraft auf die Bedienvorrichtung auslöst. Zudem ist auch eine auf die in der Rückstelleinheit vorgesehenen Mesostrukturen wirkende Rotationskraft durch die Mesostrukturen bei entsprechenden Eigenschaften ausgleichbar.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung ist vorgesehen, dass sie einen Bedienhebel aufweist, wobei die Rückstelleinheit in dem Bedienhebel gelagert ist, insbesondere in einem Griff oder in einem eine Kulisse abtastenden Teil des Bedienhebels. Dabei kann durch die Ausgestaltung der Rückstelleinheit und die Form der Kulisse eine bedarfsgerechte Kraftlinie gebildet werden, durch die der Bedienhebel je nach Position oder Auslenkung unterschiedliches Feedback an einen Benutzer abgibt. Diese Kraftlinie ist dabei nicht nur durch die Wahl der Kulisse veränderbar. Vielmehr ist die Gestaltungsfreiheit aufgrund der möglichen hohen Komplexität der Mesostruktur besonders groß. Zudem ist die Rückstelleinheit aufgrund der Redundanz der Elementarzellen besonders wartungsarm. Ist die Rückstelleinheit in dem Griff des Bedienhebels angeordnet, ist diese aufgrund von Signalgebern nicht nur eine einfache Anwesenheitserkennung. Vielmehr können dadurch Informationen über die gewünschte Bedienungsrichtung ermittelt und entsprechend antizipiert werden.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung ist vorgesehen, dass sie eine Kulisse, in der ein Bedienhebel geführt ist aufweist, wobei die Rückstelleinheit die Kulisse zurückstellend ist. Gegenüber der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung, nach der die Rückstelleinheit in dem Bedienhebel gelagert ist, kann auch in dieser Ausführungsform die Kraftlinie der Rückstellkraft durch die Form der Kulisse oder durch die Ausgestaltung der Rückstelleinheit angepasst werden. Dabei wird die Kulisse je nach Form der Kulisse bei einer bestimmten Auslenkung des Bedienhebels von dem die Kulisse abtastenden Element des Bedienhebels verdrängt und die Rückstelleinheit entsprechend gespannt. Aufgrund der von der Rückstelleinheit erzeugten Rückstellkraft wird die Kulisse und somit auch der in der Kulisse geführte Bedienhebel in ihre Ausgangslage gedrängt. Eine besonders einfache Anordnung der Rückstellkraft ist eine Anordnung an der Kulisse auf der dem Bedienhebel gegenüberliegenden Seite der Kulisse. Zudem ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kulisse flexibel ausgestaltet ist, also nicht nur im Ganzen vom Bedienhebel verdrängt und von der Rückstelleinheit zurückgestellt werden kann. Aufgrund der hohen Gestaltungsfreiheit der Rückstelleinheit ist es so möglich, einzelne Abschnitte der Kulisse mit unterschiedlichen Steifigkeiten der Rückstelleinheit zu versehen. Dieser Effekt kann nochmals mit Volumenkörpern auf der Kulisse verstärkt werden, insbesondere solchen, die eine zum Rest der Kulisse unterschiedliche Steifigkeit aufweist. So kann durch geeignete Wahl der Kulissenform und der Ausgestaltung der Rückstellkraft eine bedarfsgerechte Kraftlinie erzeugt und so ein Überdruckpunkt erstellt werden. Durch die Anwendung von Auswerteeinheiten und Signalgebern und/oder Reaktionseinheiten in der Rückstelleinheit ist so die Bildung von adaptiven Kulissen möglich. Neben der oben genannten Variabilität der Rückstelleinheit kann die Kraftlinie nochmals durch entsprechende Ansteuerung der Reaktionseinheiten angepasst werden.
Ebenso wird erfindungsgemäß vorteilhaft vorgeschlagen, dass die Kulisse mehrteilig ausgestaltet ist, wobei zumindest eines dieser Kulissenteile durch eine Rückstelleinheit zurückgestellt wird. In einer solchen Ausführungsform muss der Bedienhebel selbst nicht durch eine Rückstelleinheit zurückgestellt werden. Vielmehr wird auch hier zumindest eines der Kulissenteile durch die Rückstelleinheit zurückgestellt. Dies kann in Form eines Kulissensystems verwirklicht sein, bei dem das mindestens eine Kulissenteil eine Kulisse für den in dieser geführten Bedienhebel bildet, wobei die Kulisse eine je nach Lage des Bedienhebels veränderte Rückstellkraft auf diesen ausübend ist. Ebenso ist es erfindungsgemäß, einzelne Abschnitte einer Kulisse, welche nur bei bestimmten Auslenkungen des darin geführten Bedienhebels von diesem kontaktiert sind, mit Rückstelleinheiten oder von den restlichen Kulissenteilen unterschiedlichen Rückstelleinheiten zu versehen, sodass je nach Bedienhebelauslenkung ein bedarfsgerechtes Rückstellverhalten der Rückstelleinheit erzielt werden kann. Dadurch lassen sich nochmals spezifischere Kraftlinien der Rückstelleinheit und ein besonders individuelles Kulissensystem, beispielsweise mit Überdruckpunkten, erzeugen.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bedienvorrichtung ist vorgesehen, dass sie eine von einem Benutzer kontaktierte Kontaktfläche aufweist, die durch die Rückstelleinheit zurückgestellt wird. Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in solchen Kontaktflächen lässt sich vorteilhaft die Haptik der Kontaktfläche je nach Eigenschaften der Rückstelleinheit und den darin verwendeten Mesostrukturen, aber auch je nach Ansteuerungen eventueller Reaktionseinheiten adaptiv definieren. Diese anpassbare Haptik ermöglicht eine variable Anpassung der Kontaktfläche an einen diese kontaktierenden Benutzer. Zudem kann die Haptik durch eine Segmentierung der Rückstelleinheit örtlich begrenzt sein und besonders präzise an den Benutzer angepasst oder diesem Feedback-Informationen zur Kontaktfläche liefern. Mit dieser Rückstelleinheit sind insbesondere eine intelligente Anwesenheitserkennung eines Benutzers an der Kontaktfläche als auch die Identifizierung eines Bedienerwunsches je nach Art des Kontaktes umsetzbar. Ist die Kontaktfläche eine Auflagefläche, beispielsweise eine Armauflagefläche eines Armrests, kann diese in ihrer gesamten Fläche mit der Rückstelleinheit ausgestattet sein. In diesem Fall gibt die Auflagefläche je nach Beanspruchung und Beanspruchungsposition ergonomisch entsprechend dem Kontakt des Benutzers nach. Die Steifigkeit kann auch hier durch Struktur, Form, Material und Anordnung der Mesostrukturen und Elementarzellen der Rückstelleinheit definiert werden. Auch eine räumlich variable Steifigkeit ist durch die erfindungsgemäße Rückstelleinheit definierbar. Demgegenüber wäre eine variable Steifigkeit bei der Verwendung herkömmlicher Polster nur durch einen hohen konstruktiven Aufwand erreichbar. Bei einer Kontaktfläche in Form einer Bedienfläche, beispielsweise einem Touchpad, lässt sich ebenfalls die Haptik der Kontaktfläche durch bedarfsgerechte und geeignete Wahl der Struktur, Form, Material und Anordnung der Mesostrukturen und Elementarzellen der Rückstelleinheit die Steifigkeit der Kontaktfläche definieren. Bei einem Touchpad wird die Rückstelleinheit besonders vorteilhaft als flächige Mesostruktur mit integrierten Signalgebern und/oder Reaktionseinheiten ausgeführt. Damit kann durch die Verformung der Mesostruktur ein Fingerdruck identifiziert werden. Da die Mesostrukturen kein Vollmaterial sind, kann durch das Durchscheinen von Licht oder durch gedruckte Lichtleiter die Symbolik von einem Bildschirm durch die Rückstelleinheit hindurch einem Benutzer dargestellt werden. Durch die mehrfach beschriebene haptische Rückmeldung ergibt sich zudem ein gegenüber im Stand der Technik üblichen Displays mit Touchfunktion verbessertes Bediengefühl. Ebenso kann durch die entsprechende Ansteuerung der Rückstelleinheit die Bedienkraft oder die Form der Bedienfläche adaptiv angepasst werden. Ebenso wird ein Griff eines Bedienhebels, also der einem Benutzer und von diesem in Benutzung kontaktierte Teil, als Kontaktfläche erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei dem die Verwendung der Rückstelleinheit die gleichen, bereits genannten Vorteile bietet. Dadurch erfährt der Benutzer sowohl ein bestimmtes haptisches, als auch ein visuelles Feedback durch die Formänderung der Kontaktfläche. Aufgrund der Ausgestaltung der Elementarzellen und der daraus gebildeten Mesostruktur lässt sich auch durch die Struktur ein dahinter dargestelltes Licht eines Displays erkennen. So kann das Licht dahinter durch die Struktur durchscheinen oder aber durch Lichtleiter, die in die Struktur der Rückstelleinheit eingearbeitet sind geleitet und so einem Benutzer vor der Rückstelleinheit dargestellt werden.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:

1: Eine beispielhafte Mesostruktur im Sinne der Erfindung,
2: eine erste Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit,
3: eine erste Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung mit einer Bedienvorrichtung in einem Ruhezustand,
4a: eine zweite Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung mit einer Bedienvorrichtung in einem Ruhezustand,
4b: eine dritte Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung mit einer Bedienvorrichtung in einem Ruhezustand,
5: eine erfindungsgemäße Rückstelleinheit mit Rastelementen,
6a: eine erste Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung mit einer flexiblen Kulisse,
6b: eine zweite Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung mit einer flexiblen Kulisse,
6c: eine dritte Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung mit einer flexiblen Kulisse,
7: eine erfindungsgemäße Rückstelleinheit in Anwendung in dem Griff eines Bedienhebels,
8a: die Wirkung einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung in dem Griff eines Bedienhebels bei Bewegung des Bedienhebels in negativer x-Richtung,
8b: die Wirkung einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung in dem Griff eines Bedienhebels bei Bewegung des Bedienhebels in positiver x-Richtung.

1 zeigt eine beispielhafte Mesostruktur 2 im Sinne der Erfindung. Die Mesostruktur 2 weist dabei eine Vielzahl von miteinander verbundenen Elementarzellen 3 auf, welche hier nur schematisch als rautenförmige Zellen dargestellt sind, alternativ dazu aber je nach Bedarf die bisher genannten verschiedenen Ausführungen annehmen können. Die Elementarzellen 3 sind dabei wie auch die Mesostruktur 2 im Ganzen flexibel ausgestaltet, sodass die Mesostruktur 2 im Ganzen je nach Krafteinwirkung verformt wird. Bei der hier dargestellten Krafteinwirkung in der Mitte der Mesostruktur 2 wird diese entsprechend an dieser Stelle nach unten gedrückt, sodass die Mesostruktur 2 zu dieser Stelle hin expandiert wird. In die Mesostruktur 2 sind zudem zwischen den Elementarzellen 3 Signalgeber 4 und/oder Reaktionseinheiten 5 angeordnet, welche fest mit der Mesostruktur 2 verbunden sind, sodass eine Verformung der Mesostruktur 2 zu einer Positionsänderung der Signalgeber 4 und Reaktionseinheiten 5 im Raum führen. Handelt es sich dabei um Signalgeber 4, lässt sich durch die Positionsänderung der Signalgeber 4 das Ausmaß der Verformung der Mesostruktur 2 ermitteln. Dazu wird das durch die Positionsänderung veränderte Signal der Signalgeber 4 durch eine externe, hier nicht dargestellte Einheit ausgelesen und entsprechend interpretiert. Alternativ dazu kann bei Anwendung von Reaktionseinheiten 5 aufgrund der festen Verbindung zwischen diesen und der Mesostruktur 2 die Steifigkeit der Mesostruktur 2 oder deren Vorspannung durch gezielte Ansteuerung der Reaktionseinheiten 5 beeinflusst werden. Auch in diesem Fall erfolgt die Ansteuerung durch eine externe, hier nicht dargestellte Einheit, insbesondere durch die Erzeugung eines Magnetfeldes. Dabei ist auch eine Anwendung von Signalgebern 4 und Reaktionseinheiten 5 innerhalb einer gemeinsamen Mesostruktur 2 vorgesehen. Dadurch können sowohl die Vorteile der Signalgeber 4 als auch der Reaktionseinheiten 5 in der Mesostruktur 2 verwirklicht werden.
2 zeigt eine erste Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1. Die hier dargestellte Rückstelleinheit 1 gleicht der in 1 dargestellten, wobei diese hier lediglich in einer Seiten- bzw. Querschnittsansicht dargestellt ist. Die Rückstelleinheit 1 weist entsprechend eine Mesostruktur 2 auf, die wiederum eine Vielzahl von Elementarzellen 3 aufweist. Zwischen den Elementarzellen 3 sind auch hier Signalgeber 4 und/oder Reaktionseinheiten 5 angeordnet und fest mit der Mesostruktur 2 verbunden, sodass eine Verformung dieser auch zu einer Positionsänderung der Signalgeber 4 und Reaktionseinheiten 5 führt. Außerhalb der Mesostruktur 2 angeordnet, aber mit dieser wirksam verbunden befindet sich die Auswerteeinheit 6, welche in diesem Fall eine kombinierte Auswerteeinheit 6 ist. Demnach weist diese einerseits einen Hall-Sensor auf, über den ein von den Signalgebern 4 erzeugtes Magnetfeld ermittelt wird. Entsprechend ist über den Hall-Sensor eine Veränderung dieses Magnetfeldes ermittelbar, insbesondere eine solche Veränderung, die aufgrund einer Positionsänderung der Signalgeber 4 entsteht. Damit ist auch die Art und das Ausmaß der Verformung der und darüber auch die Krafteinwirkung auf die Mesostruktur 2 ermittelbar. Ebenso weist die Auswerteeinheit 6 Elektromagneten auf, welche über einen einfachen Stromkreis mit Strom versorgt werden und ein Magnetfeld erzeugen, das mit den Magnetfeldern der Reaktionseinheiten 5 interagiert. So kann die Mesostruktur 2 je nach Polung der Magnetfelder bei gezielter Ansteuerung der Reaktionseinheiten 5 durch eine Verformung vorgespannt werden. Bilden die Reaktionseinheiten 5 jedoch strukturelle Elemente der Mesostruktur 2 und sind deren materiellen elastischen Eigenschaften durch Magnetfelder oder elektrische Felder beeinflussbar, kann durch deren gezielte Ansteuerung die Steifigkeit der Mesostruktur 2 im Gesamten angepasst werden.
3 zeigt eine erste Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung mit einer Bedienvorrichtung 10 in einem Ruhezustand. Die Rückstelleinheit 1 ist in Anwendung mit einer Bedienvorrichtung 10 dargestellt, wobei die Bedienvorrichtung 10 einen Arm oder eine Ebene senkrecht zur Längsachse der Bedienvorrichtung 10 aufweist, der bei Auslenkung der Bedienvorrichtung 10 mit der Rückstelleinheit 1 in Kontakt tritt und diese komprimiert. Durch die in der Rückstelleinheit 1 erzeugte Rückstellkraft wird die Bedienvorrichtung 10 in ihre Ruheposition zurückgestellt. Die Rückstelleinheit 1 weist mehrere, zueinander parallel geschaltete Mesostrukturen 2 auf, welche hier als schematische Vierecke dargestellt sind. Diese schematische Darstellung umfassen jegliche Formen von Mesostrukturen 2, welche erfindungsgemäß jeweils zumindest eine Elementarzelle aufweisen. Die Parallelschaltung der Mesostrukturen 2 ist als Anordnung dieser nebeneinander zu verstehen, sodass die Anordnung der Mesostrukturen 2 senkrecht zu der Kraftwirkungsrichtung angeordnet ist. Durch diese Redundanz der parallel geschalteten Mesostrukturen 2 kann der Ausfall einzelner Mesostrukturen 2 durch Umverteilung der Kräfte auf die übrigen Mesostrukturen 2 kompensiert werden. Dadurch ist die Funktion der Rückstelleinheit 1 auch bei Ausfall einzelner Mesostrukturen 2 weiterhin in vollem Umfang gegeben. Durch die Reihenschaltung von Mesostrukturen 2 an ausgewählten Stellen, also die Anordnung der Mesostrukturen 2 in Kraftwirkungsrichtung zueinander, können an diesen Stellen zu den übrigen Mesostrukturen 2 unterschiedliche Kraftlinien erzeugt werden, beispielsweise um Überdruckpunkte zu bilden. Durch eine geeignete Wahl von Reihen- und Parallelschaltungen der Mesostrukturen in spezifischen Positionen lässt sich so eine spezifische, bedarfsgerechte Kraftlinie der Rückstelleinheit 1 erzielen.
4a zeigt eine zweite Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung mit einer Bedienvorrichtung 10 in einem Ruhezustand. Die Bedienvorrichtung 10 überträgt in dieser Ausführungsform sowohl Schwenkbewegungen als auch Zug- und Druckbewegungen auf die Rückstelleinheit 1, wodurch die Rückstelleinheit und die darin enthaltenen flexiblen Elemente entsprechend komprimiert und expandiert werden. Die Rückstelleinheit 1 weist in dieser Ausführungsform eine Vielzahl von zueinander parallel geschalteten Mesostrukturen 2 auf, welche die bereits genannten Vorteile bieten. Dabei sind in der dargestellten Ausführungsform die Mesostrukturen 2 und elastische Elemente 7 in Form von Federn zueinander in Reihe geschaltet, also zueinander parallel zur Kraftwirkungsrichtung angeordnet. Die Feder ist eine einfache Variante eines elastischen Elements 7 im Sinne der Erfindung, welches ein passives Element ist, das bei Verformung eine vordefinierte Rückstellkraft erzeugt, die die Rückstellkraft der vor- oder nachgeschalteten Mesostruktur 2 überlagert. Demgegenüber zeigt 4b eine dritte Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung mit einer identischen Bedienvorrichtung 9 in einem Ruhezustand, wobei den Mesostrukturen 2 in dieser Ausführungsform mit adaptiven Elementen 8, hier in Form von Aktuatoren, in Reihe geschaltet sind. Diese sind gegenüber den elastischen Elementen aus 4a aktive Elemente, welche durch einen Benutzer bedienbar sind. Ein Benutzer kann demnach durch Ansteuerung des adaptiven Elements 8 die dadurch erzeugte Rückstellkraft oder die Vorspannung der nachgeschalteten Mesostruktur 2 bedarfsgerecht einstellen. Sowohl durch die elastischen, als auch durch die adaptiven Elemente wird an den nachgeschalteten Mesostrukturen 2 eine Vorspannung erzeugt. Dadurch ist die aufgrund der Variabilität der Mesostruktur 2 ohnehin variabel gestaltbare Rückstelleinheit 1 nochmals flexibler einsetzbar und eine Kraftlinie besonders präzise bestimmbar.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Rückstelleinheit 1 mit Rastelementen 9. Die Rückstelleinheit 1 weist auch hier wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mehrere parallelgeschaltete Mesostrukturen 2 auf, welche hier nur schematisch dargestellt sind. Dabei sind die Mesostrukturen 2 auch hier wie in den 1 und 2 dargestellt mit Signalgebern 4 und/oder Reaktionseinheiten 5 versehen, welche lediglich in der Umgebung der Rastelemente 9 als an der Mesostruktur 2 angeordnete Elemente dargestellt sind. Die Signalgeber 4 und/oder Reaktionseinheit 5 sind dabei derart mit der jeweiligen Mesostruktur 2 verbunden, dass eine Verformung der Mesostruktur 2 zu einer Positionsänderung des Signalgebers 4 und/oder der Reaktionseinheit 5 führt. Demgegenüber sind die Rastelemente 9 unbeweglich zu einem Grund, beispielsweise einem Gehäuse der Rückstelleinheit 1 ausgestaltet. Die Rastelemente 9 sowie Signalgeber 4 und/oder Reaktionseinheit 5 sind dabei (elektro-)magnetisch ausgestaltet, sodass eine Kopplung zwischen ihnen aufgrund einer magnetischen Anziehungskraft entsteht. Die Kopplung entsteht dabei erst bei Erreichen einer anhand der entsprechenden Magnetfeldstärken vordefinierten Distanz zwischen Rastelementen 9 und Signalgebern 4 und/oder Reaktionseinheiten 5. Zudem sind die Rastelemente 9 adaptiv durch einen einfachen Stromkreis ansteuerbar. Somit sind diese je nach Bedarf ein- oder ausschaltbar. Ebenso kann durch die Wahl einer entsprechenden Stromstärke die genannte vordefinierte Distanz bedarfsgerecht angepasst werden. Alternativ lässt sich diese auch durch eine geeignete Ansteuerung der Reaktionseinheiten 5 anpassen.
6a zeigt eine erste Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung mit einer flexiblen Kulisse 12. Im Anwendungsfall wird eine Bedienvorrichtung, die an einem Ende in der Kulisse 12 beweglich, insbesondere schwenkbar geführt ist und die Kulisse 12 bei einer Auslenkung der Bedienvorrichtung entsprechend verformt und oder verdrängt. Die dargestellte Kulisse 12 kann demnach in ihrer Grundform veränderlich sein, was einer Verformung gleichkommt, oder aber nur in ihrer Gesamtheit beweglich gelagert sein, sodass bei einer Verdrängung die gesamte Kulisse 12 relativ zu einem Grund bewegt wird. Die Kulisse 12 wird dabei durch die damit wirksam verbundene Rückstelleinheit 1 in ihre Ruheposition zurückgestellt. Die Rückstelleinheit 1 weist auch hier mehrere parallelgeschaltete Mesostrukturen 2 auf, die jeweils einzelne Bereiche der Kulisse 12 und die Kulisse 12 aufgrund ihrer Orientierung in verschiedene Kraftrichtungen zurückstellend sind. 6b zeigt dagegen eine zweite Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung mit einer flexiblen Kulisse 12, bei der an ausgewählten Stellen Mesostrukturen 2 zueinander in Reihe geschaltet sind. Dadurch ergeben sich andere Kraftlinien, durch die die Rückstellkraft je nach Position der Bedienvorrichtung in der Kulisse 12 unabhängig von der eigentlichen Kulissenform unterschiedlich angepasst ist. Dadurch können beispielsweise Überdruckpunkte oder andere bedarfsgerechte spezifische Kraftlinien oder -punkte erzeugt werden. Dazu gegenteilig zeigt 6c eine dritte Alternative einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung mit einer flexiblen Kulisse 12, bei der ein solcher Überdruckpunkt durch die Kombination der federnden Mesostrukturen 2 und vor allem einem Volumenkörper 15 auf der Kulisse 12, welcher eine von der Kulisse 12 unterschiedliche Steifigkeit aufweisen kann, erzeugt wird. Dabei lässt sich auch hier durch die Steifigkeit des Volumenkörpers 15 und der Eigenschaften und Anordnung der Mesostrukturen 2 im Bereich des Überdruckpunkts eine bedarfsgerechte Kraftlinie erzeugen.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Rückstelleinheit 1 in Anwendung in dem Griff 13 eines Bedienhebels 11. Der Griff 13 eines Bedienhebels 11 ist das Ende des Bedienhebels 11, das in Benutzung von einem Benutzer kontaktiert wird. Die Oberfläche des Griffs 13 ist demnach eine Kontaktfläche 14 für den Benutzer. Die Rückstelleinheit 1 ist dabei derart in dem Griff 13 angeordnet, dass der Benutzer die Rückstelleinheit 1 bei Benutzung des Griffs 13 durch den Kontakt komprimierend ist. Der Benutzer nimmt die Rückstellkraft demnach je nach Intensität der Kompression wahr.
8a zeigt die Wirkung einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit 1 in Anwendung in dem Griff 13 eines Bedienhebels 11 bei Bewegung des Bedienhebels 11 in negativer x-Richtung. Demgegenüber zeigt 8b die Wirkung einer erfindungsgemäßen Rückstelleinheit in Anwendung in dem Griff 13 eines Bedienhebels 11 bei Bewegung des Bedienhebels 11 in positiver x-Richtung. Durch die Verwendung der Rückstelleinheit 1 in dem Griff 13 eines Bedienhebels 11 wie in 7 dargestellt kann eine Anwesenheitserkennung durch die Erkennung von Druck über Verformung realisiert werden. Mit diesem Prinzip ist auch die Erkennung der vom Benutzer gewünschten oder initiierten Bewegung des Bedienhebels 11 möglich. Demnach kann also die Richtung, in die der Bedienhebel 11 bewegt werden soll, vor Eintritt der Winkeländerung dessen durch seine Bewegung bestimmt werden. Ebenso ist bei feiner Segmentierung der Rückstelleinheit 1 durch dessen Verformung die genaue Lage der Hand identifizierbar. Bei der in 8b dargestellten Auslenkung in positiver x-Richtung ergibt sich eine Druckerhöhung oben auf der Griffrückseite im Bereich des Daumenballens des Benutzers und eine Druckreduktion auf dem unteren Teil der Griffvorderseite im Bereich von Zeigefinger bis kleiner Finger des Benutzers, oder ausschließlich Druck auf der Rückseite (b). Bei der in 8a dargestellten Auslenkung in negativer x-Richtung ergibt sich dagegen eine Druckerhöhung auf der Griffvorderseite. Bei Auslenkung in positiver und negativer y-Richtung, welche senkrecht zur x- und z-Richtung orientiert ist, ergibt sich eine Druckerhöhung an der Handauflagefläche und auf deren Gegenseite. Bei einer kombinierten Bewegung werden die genannten Kraftrichtungen entsprechend überlagert. Der anhand dessen ermittelbare Kraftvektor dient als weiterer Kanal für die Sicherheitsbetrachtung oder als Regelparameter, aufgrund dessen das durch den Bedienhebel 11 zu steuernde Gerät zusätzlich gesteuert werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Rückstelleinheit
2: Mesostruktur
3: Elementarzelle
4: Signalgeber
5: Reaktionseinheit
6: Auswerteeinheit
7: Elastisches Element
8: Adaptives Element
9: Rastelement
10: Bedienvorrichtung
11: Bedienhebel
12: Kulisse
13: Griff
14: Kontaktfläche
15: Volumenkörper

Claims

Rückstelleinheit (1), für die Rückstellung von Rotations- und/oder Translationsauslenkbewegungen eines Stellelements, aufweisend eine aus einer geordneten Anordnung von mindestens einer Elementarzelle (3) gebildete, geordnete Mesostruktur (2) von Elementarzellen (3), wobei die mindestens eine Elementarzelle (3) mittels Krafteinwirkung reversibel kompressier- und expandierbar ist, die Rückstelleinheit (1) weiter aufweisend mindestens einen Signalgeber (4) und/oder mindestens eine Reaktionseinheit (5), die Rückstelleinheit (1) weiter aufweisend mindestens eine Auswerteeinheit (6), die ein vom Signalgeber (4) abgegebenes Signal auswertend ist und/oder die Reaktionseinheit (5) elektrisch und/oder magnetisch ansteuernd ist, wobei Signalgeber (4) und/oder Reaktionseinheit (5) in die mindestens eine Mesostruktur (2) eingebettet sind, wobei eine Rückstellkraft der Rückstelleinheit (1) zumindest teilweise durch Verformung der Mesostruktur (2) erzeugbar ist.
Rückstelleinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer Elementarzelle (3) ein elastisches Element (7), insbesondere eine Feder oder ein Elastomer, oder ein adaptives Element (8), insbesondere ein Aktor oder ein MRF-Element, in Kraftwirkung vor- und/oder nachgeschaltet ist.
Rückstelleinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (6) nicht mechanisch, jedoch wirksam mit der Mesostruktur (2) verbunden ist.
Rückstelleinheit (1) gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionseinheit (5) durch einen daran angelegten Strom oder ein Magnetfeld in ihrer Form und/oder Elastizität beeinflussbar ist.
Rückstelleinheit (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Rastelemente (9) aufweist, durch die der mindestens eine Signalgeber (4) und/oder die mindestens eine Reaktionseinheit (5) bei einer vorgegebenen Position einrastend sind.
Rückstelleinheit (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Signalgeber (4) und/oder die mindestens eine Reaktionseinheit (5) gewählt sind aus der folgenden Gruppe: Metalldraht, Metallpartikel, Spule, Elektromagnet, Kohlenstofffaser, CFK-Faser, leitfähiger Kunststoff, Magnet.
Rückstelleinheit (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Auswerteeinheit (6) gewählt ist aus der folgenden Gruppe: Spule, Elektromagnet, Hallsensor, Platine mit Leiterbahnen, DMS-Messeinheit.
Bedienvorrichtung (10) aufweisend eine Rückstelleinheit (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
Bedienvorrichtung (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Bedienhebel (11) aufweist, wobei die Rückstelleinheit (1) in dem Bedienhebel (11) gelagert ist, insbesondere in einem Griff (13) oder in einem eine Kulisse (12) abtastenden Teil des Bedienhebels (11).
Bedienvorrichtung (9) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kulisse (12), in der ein Bedienhebel (10) geführt ist aufweist, wobei die Rückstelleinheit (1) die Kulisse (12) zurückstellend ist.
Bedienvorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine von einem Benutzer kontaktierte Kontaktfläche (14) aufweist, die durch die Rückstelleinheit (1) zurückgestellt wird.