B E S C H R E I B U N G

Bedienelement mit verbesserter Kipphaptik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bedienelement für ein Kraftfahrzeug insbesondere einen in mehreren Richtungen kippbaren Joystick, mit einem Bedienknopf, einer in einem Gehäuse des Bedienelementes befindlichen Lagerstelle für den Bedienknopf, einer fest mit dem Bedienknopf verbundenen Verlängerung, einem an der Verlängerung befestigten ersten Permanentmagneten und einem im Gehäuse befestigten zweiten Permanentmagneten, wobei die Permanentmagnete ein Permanentmagnetpaar bilden und sich in einer Mittelstellung des Bedienknopfes ungleiche Pole der Magnete beabstandet gegenüber stehen.

Kippbare Bedieneiemente werden in Kraftfahrzeugen dort eingesetzt, wo mittels eines Bedienelementes mehrere Funktionen ausführbar sind. Beispiele dafür sind Kippschalter für elektrische Fensterheber oder elektrisch verstellbare Außenspiegel sowie joystickartige Bedienelemente zur Steuerung eines Bordcomputers. Hierbei werden unter joystickartigen Bedienelementen derartige Bedienelemente verstanden, die zumindest in vier Richtungen kippbar sind, so dass mittels des joystickartigen Bedienelementes ein Menü in einem dem Bedienelement zugeordneten Anzeigesystem ansteuerbar ist. Für eine angenehmere Bedienung und zur haptischen Rückmeldung der Betätigung ist zur Bedienung des Bedienelementes eine über die Auslenkung veränderliche Kraft notwendig, über die dem Benutzer vermittelt wird, dass der Schaltvorgang erfolgt ist. Bei den bekannten Bedienelementen wird dieser Kraft-Weg-Verlauf üblicherweise durch eine oder mehrere Federn oder kooperierende Permanentmagnete erzeugt, die zusätzlich das Bedienelement in eine Mittelstellung zurückbringen, wenn es der Benutzer loslässt.

Aus der DE 10 2006 002 634 A1 ist ein Bedienelement, insbesondere ein Joystick mit einer Kipphaptik für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das Bedienelement weist einen kippbar gelagerten Hebel mit einem primären und mindestens einem sekundären Hebelarm sowie mindestens ein Permanentmagnetenpaar auf, wobei ein Magnet eines Permanentmagnetenpaares an einem sekundären Hebelarm und ein Magnet ortsfest im Bedienelement angeordnet ist. Hierbei stehen sich ungleiche Pole der Magnete derart gegenüber, dass das Bedienelement

in einer Mittelstellung gehalten ist. Der Kraftverlauf über die Auslenkung des Bedienelementes hängt dabei ab von den Parametern: Länge des sekundären Hebelarms, Stärke der Permanentmagnete, physikalische Größe der Permanentmagnete und die Größe des Luftspalts zwischen den Magneten eines Permanentmagnetenpaares. Durch die Kraft zwischen den Magneten wird der sekundäre Hebelarm und damit der gesamte Hebel in der Mittelstellung gehalten. Zum Kippen des primären Hebelarms muss der Benutzer eine Kraft überwinden. Die Gegenkraft, die der Benutzer zum Kippen des primären Hebelarms überwinden muss, ist graphisch darstellbar, wobei nach einer überwindung eines Kraftmaximums die Kraft zur Auslenkung des Hebels wieder abnimmt und schließlich nach einem Erreichen eines Endanschlags erneut ansteigt. Der Verlauf des für den Bediener des Bedienelementes fühlbaren Kraftanstiegs, Kraftabfalls und erneuten Kraftanstiegs wird hierbei als Haptik des Bedienelementes bezeichnet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Haptik eines Bedienelementes derart zu verändern, dass der Kraft-Weg-Verlauf, das heißt die Haptik des Bedienelementes gezielt einstellbar ist, wobei dies mit minimalem konstruktivem Aufwand und kostengünstig zu realisieren ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass an einem in dem Bedienelement angeordneten Permanentmagnetenpaar zumindest bereichsweise und/oder umfänglich ein magnetisch leitfähiger Werkstoff befestigt ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung eines Bedienelementes ist nun die Möglichkeit geschaffen, vorhandene Bedienelemente mit minimalem konstruktivem Aufwand und somit kostengünstig in ihrem Haptikverlauf entscheidend zu beeinflussen. So ist es insbesondere ohne eine Veränderung der vorhandenen Magnete möglich, den Haptikverlauf in Bezug auf die Maximalkraft und den Weg zur Erreichung dieses Maximalkraftwertes gezielt zu beeinflussen. Es ist insbesondere möglich, die Höhe der Maximalkraft und somit das Moment am Bedienelement zu variieren, ohne die Stärke der Permanentmagnete oder deren physikalische Größe zu verändern. Es ist weiterhin die Möglichkeit geschaffen, mit minimal konstruktivem Aufwand und unter Beibehaltung der geometrischen Abmessungen vorhandener Permanentmagnetenpaare den Kraft-Weg-Verlauf der Haptik wesentlich zu beeinflussen.

Die Permanentmagnetenpaare sind entweder in runder Ausführung umfänglich oder im Falle einer flachen, rechteckigen oder quadratischen Ausführungsform der Permanentmagnete mit einem leitfähigen Werkstoff umgeben. In der Ummantelung beziehungsweise seitlichen Ergänzung der Permanentmagnete werden die äußeren magnetischen Feldlinien je nach Stärke und magnetischer Leitfähigkeit der Ummantelung mehr oder weniger stark gebündelt.

Die Ummantelung besteht in der erfindungsgemäßen Form aus elektrisch-leitfähigen Werkstoffen oder seltene Erden, wie beispielsweise Sm ₂ COi ₇ , SmCo ₂ oder NdFeW.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Diagrammen und Skizzen an Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes joystickartiges Bedienelement,

Figur 2 ein Kraft-Weg-Diagramm als haptischen Verlauf der Kraft-Weg-Linie des

Bedienelementes gemäß der Figur 1 ,

Figur 3a die Anordnung eines Permanentmagnetenpaares gemäß dem Stand der Technik,

Figur 3b die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Permanentmagnetenpaares in einem Bedienelement,

Figur 4 den haptischen Verlauf eines Bedienelementes als Funktion von Kraft und Weg und

Figur 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bedienelementes

Die Figuren 1a, 1 b und 1c zeigen eine Seitenansicht im Schnitt eines Bedienelementes 1 in drei verschiedenen Bedienpositionen, nach dem Stand der Technik. Das Gehäuse 9 des Bedienelementes 1 weist eine Ausnehmung auf, in der eine Kugel als Lagerstelle für einen Hebel angeordnet ist. Der Hebel besteht aus einem primären Hebelarm 2 und einem sekundären Hebelarm 9. Ein Ende des Hebelarms 2 ist fest mit der Kugel 4 verbunden, das andere Ende trägt eine Handhabe 3, in Form eines Bedienknaufs. Der sekundäre Hebelarm 5 ist mit einem Ende fest mit der Kugel 4 verbunden, das andere Ende trägt einen Permanentmagneten 6. Ein zweiter Permanentmagnet 7 ist derart im Gehäuse 9 angeordnet, dass in der Mittelstellung des primären Hebelarms 2 ein Luftspalt zwischen dem Magneten 6 und dem Magneten 7 besteht und sich ungleiche Pole der Magnete gegenüber stehen. Die Endanschläge 8 begrenzen den Bewegungsspielraum des sekundären Hebelarms 5 und damit ebenfalls des primären Hebelarms 2.

Durch die Kraft zwischen den Magneten 6 und 7 wird der sekundäre Hebelarm 5 und damit der gesamte Hebel in der Mittelstellung gehalten. Zum Kippen des primären Hebelarms muss der Benutzer diese Kraft überwinden. Die Kraft F oder Gegenkraft, die der Benutzer zum weiteren Kippen des primären Hebelarms überwinden muss, ist in der Figur 2 über die Auslenkung s des primären Hebelarms 2 aufgetragen. Die Schnittdarstellung in Figur 1b zeigt das Bedienelement 1 mit leicht ausgelenktem primärem Hebelarm 2, wobei die in der Figur 1b dargestellte Position der gestrichelten Linie b aus dem Kraft-Weg-Diagramm der Figur 2 entspricht. über die Kugel 4 wird die Kippbewegung des primären Hebelarms 2 auf den sekundären Hebelarm 5 übertragen. Diese Bewegung des Hebelarms 5 hat eine Relativbewegung der Magnete 6 und 7 zur Folge. In der in Figur 1 b dargestellten Position des Hebels ist die Kraft, die zum weiteren Kippen des Hebels notwendig ist, größer als die Kraft, die zum Kippen des Hebels aus der in Figur 1a dargestellten Position heraus notwendig ist. Aber der in Figur 1b dargestellten Auslenkung des Hebels ist die abstoßende Kraft zwischen den Nordpolen der Magnete 6 und 7 der anziehenden Kraft der ungleichen Pole der Magnete 6 und 7 entgegen gerichtet. Dies bedeutet, dass die von dem Benutzer aufzubringende Kraft, um den Hebel weiter zu kippen, abnimmt. Diese Abnahme der Rückstellkraft gibt dem Benutzer eine haptische Rückmeldung darüber, dass der Schaltvorgang erfolgt ist, wobei die Abnahme der Kraft von der Position B zur Position C in der Figur 2 als Snap bezeichnet wird. Im Idealfall entspricht der Abfall der Kraft oder der Snap etwa einem Drittel der Maximalkraft, die vom Benutzer aufzubringen ist.

In der in Figur 1c dargestellten Position des Hebels liegt der sekundäre Hebelarm 5 an dem Endanschlag an. Der Endanschlag 8 bewirkt über den sekundären Hebelarm 5 und die Kugel 4 eine Begrenzung des Kippweges des primären Hebelarms 2. Bevorzugt ist der Endanschlag 8 elastisch ausgeführt, um eine sprunghaft ansteigende Gegenkraft zu verhindern. Durch die geringe Nachgiebigkeit des Materials des Endanschlages erfolgt eine schnelle, aber stetige Zunahme der Gegenkraft, wie sie im Auslauf der Kurve in Figur 2 dargestellt ist.

In der Figur 3a sind die Permanentmagnetenpaare 6 und 7 losgelöst vom Bedienelement 1 dargestellt. Die Permanentmagnetenpaare bestehen aus einem Nordpol (dunkelgrau) und einem Südpol (hellgrau). Gegenüberliegende Pole der Magnete weisen somit eine unterschiedliche Polung auf, so dass die Handhabe 3 oder der Bedienknopf 3 in seiner Mittenstellung gehalten ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnete flach und an ihren gegenüberliegenden Enden 10 ,11 zum Beispiel quadratisch oder rechteckig ausgebildet.

Die Figur 3b zeigt ein Permanentmagnetenpaar 12, 13 mit auf beiden Seiten der Magnete 12,13 angeordneten Blechen 14, 15, 16, 17 aus einem die magnetischen Feldlinien leitenden Werkstoff. Die Bleche 14, 15, 16, 17 oder leitenden Auflagen 14, 15, 16, 17 bewirken eine Ausrichtung und Bündelung der die Magnete 12, 13 umgebenden magnetischen Feldlinien 18. Die Ausrichtung und Bündelung der magnetischen Feldlinien 18 ermöglicht erfindungsgemäß eine Erhöhung der maximalen Kraft F, ohne den Einsatz teurer und großvolumiger Permanentmagnete. Je nach Ausbildung, Werkstoff, Dicke und Anzahl der Bleche 14, 15, 16, 17 am Umfang der Permanentmagnete 12, 13 ist somit eine gezielte Steuerung des Kraft-Weg-Verlaufes und folglich der Haptik am Bedienelement möglich. So ist darüber hinaus ein Vorteil der Erfindung, dass bei einer Beibehaltung der Maximalkraft eine Erhöhung des Luftspaltes 19 zwischen den Permanentmagneten 12, 13 ermöglicht wird, was wiederum die Montage erleichtert. Darüber hinaus ist es ebenfalls vorstellbar, Permanentmagnete mit geringeren geometrischen Abmessungen einzusetzen, was sich wiederum positiv auf die Kosten der Bedienelemente auswirkt.

In dem in der Figur 3b dargestellten Ausführungsform sind die Permanentmagnete 12, 13 flach ausgeführt, so dass die magnetisch leitenden Bleche flach an den seitlichen Enden der Permanentmagnete 12, 13 befestigbar sind. Im Falle der Ausbildung der Permanentmagnete 12, 13 als kreisrunde Permanentmagnete 12, 13 ist es dann erfindungsgemäß vorstellbar, die Permanentmagnete 12, 13 vollständig und umfänglich mit einem magnetisch leitenden Material zu umgeben. Die vollständige Ummantelung der Permanentmagnete 12, 13 ist natürlich ebenfalls bei flach ausgebildeten Permanentmagneten 12, 13 ausführbar.

In der Figur 4 ist ein Kraft-Weg-Diagramm dargestellt. Ausgehend von einer Mittelstellung wird auf das Bedienelement eine Kraft ausgeübt, die bis zu einem gewissen Punkt F1 , S1 ansteigt, wobei dieser Punkt F1 , S1 der Kraft F1 und dem Weg S1 entspricht, der die maximal zu überwindende Anziehungskraft zwischen den sich gegenüber liegenden Permanentmagneten 12, 13 entspricht. Beispielhaft kann hier eine Relativbewegung zwischen den Permanentmagneten von S1 = 0,8 mm genannt sein. Nach der überwindung der Maximalkraft F1 sinkt die Kraft ab, bis zu einer Kraft F2 im Punkt S2, wobei sich nun gleichartige Pole der Permanentmagnete 12, 13 gegenüberstehen, so dass der Bedienknopf aus dieser Lage, ohne die Einwirkung des Bedieners wieder in seine Mittenstellung zurückbewegen würde. Die Kraft im Diagramm der Figur 4 steigt nach dem Erreichen des Punktes F2, S2 erneut an, bis zum Erreichen einer Kraft F3 nach dem Weg S3, wobei dieser Punkt F3, S3 dem Erreichen des Endanschlages im Bedienelement entspricht. Der Abfall der Kraft von F1 zu F2 ist im Idealfall etwa ein Drittel von F1 und mit einem Wert von 35 % plus 10 % minus 5 %

bezifferbar. F1 sowie der Weg S3 variiert hierbei je nach Anwendung und einzustellender bzw. vorgegebener Haptik. Beispielhaft sei für den Weg S3 ein Weg von S3 = 1 ,5 mm angebbar. Der Punkt des Abstoßens zwischen den Permanentmagneten 12, 13 wird nicht erreicht, so dass sich der Bedienknopf nach der Betätigung stets wieder in seine Mittenstellung selbsttätig zurückbewegt. Der Weg S1 ist mit 45 Prozent von S3 und einer Toleranz von plus 5 % und minus 10 % angebbar. Der Weg S2 ist mit S2 = 1 ,7 x S1 angebbar, wobei eine Toleranz von plus/minus 10 % möglich ist.

In der Figur 5 ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bedienelement in seinen wesentlichen Bestandteilen im Schnitt und in der Seitenansicht wiedergegeben. Das Bedienelement 20 besitzt einen primären Hebelarm 21 , zur Aufnahme eines nicht gezeigten Bedienknopfes, eine Lagerstelle 22, in Form einer kugelförmigen Lagerung 22, einen sekundären Hebelarm 23, wobei primärer und sekundärer Hebelarm 21 , 23 in einer Mittellinie oder Mittelachse 24 fluchtend übereinander angeordnet sind. Am sekundären Hebelarm 23 sind Ausleger 25, 26 befestigt. Am Ausleger 26 ist ein Permanentmagnet 27 befestigt, der mit einem Permanentmagneten 28 zusammenwirkt, wobei der Permanentmagnet 28 in einem fest mit dem Gehäuse des Bedieneiementes 20 verbundenen oder einen Teil des Gehäuses bildenden Bodenteil 29 des Bedienelementes 20 befestigt ist. Die Permanentmagnete 27, 28 bilden ein Permanentmagnetenpaar 27, 28, wobei sich die gegenüber liegenden Pole der Permanentmagnete 27, 28 unterscheiden, so dass die Hebelarme 21 , 23 in einer Mittenstellung gehalten sind. Bevorzugt sind zwei Ausleger 26 mit je einem Permanentmagnetenpaar 27, 28 im Bedienelement 20 um 90 Grad versetzt im Bedienelement 20 eingebaut. Der Ausleger 25 ist um 180 Grad versetzt am sekundären Hebelarm 23 befestigt. Der Ausleger 25 wirkt mit Mitteln zur Positionserkennung und zur Erfassung des Weges F der Auslenkung des Hebels 23 zusammen. Vorstellbar ist hierbei zum Beispiel der Einsatz von fotosensitiven oder induktiven Sensoren. In diesem Ausführungsbeispiel sind ebenfalls zwei Ausleger 25 um je 90 Grad versetzt am sekundären Hebelarm 23 angeordnet.

Aus dem sekundären Hebelarm 23 steht ein Stift 30 heraus, der mit elastischen Endanschlägen 31 zusammenwirkt und somit die Kippbewegung des Hebels 21 , 23 begrenzt. Die Bewegung des Stifts 30 in Richtung des Endanschlags 31 entspricht dem Weg S3 von ca. 1 ,5 mm. Wie der Figur 5 und dem darin dargestellten Ausführungsbeispiel deutlich zu entnehmen ist, werden die Permanentmagnete 27, 28 nicht so weit ausgelenkt, dass es zu einem Abstoßen der sich gegenüberliegenden Pole der Permanentmagnete 27, 28 kommt.

Durch die Einbindung der erfindungsgemäßen magnetisch leitenden Werkstoffe, wie beispielsweise Blechen, ist es möglich, zum einen das Kraftmaximum F1 zu erhöhen und gleichzeitig den Weg S1 zu verringern. Dicke Bleche verringern die Maximalkraft F1 , so dass der Weg S1 verschiebbar wird. Es ist somit möglich, den Haptikverlauf, das heißt den Verlauf der haptischen Kurve aus dem Kraft-Weg-Diagramm zu variieren und exakt einzustellen. Durch den Einsatz der erfindungsgemäß magnetisch leitenden Werkstoffe, wie weichmagnetische Werkstoffe, Elektrobleche oder seltene Erden auf den Permanentmagneten 27, 28 werden die Feldlinien gebündelt, so dass die Maximalkraft um 50 % bis 100 % steigerbar ist.

Die Ausbildung des elastischen Endanschlags 31 im Bodenteil 29 des Bedienelementes 20 ist ebenfalls als Kulissenführung 31 nutzbar. Hierbei würde das elastische Element 31 zum Beispiel eine Kreuznut 32 aufweisen, in der der Stift 30 geführt ist. Eine Kulissenführung ist aber nur bedingt notwendig, da durch den Einsatz der magnetisch leitenden Materialien um die Permanentmagnete 27, 28 eine ausreichende Führung gewährleisten.

Wie in der gattungsbildenden DE 10 2006 002 634 A1 beschrieben, eignet sich der Einsatz von Perrnanentmagnetenpaaren auch für den Einsatz von Drucktasten. Hierbei ist an den Bedienknopf eine Verlängerung einstückig oder zumindest kraftschlüssig angebaut, wobei an der Verlängerung ein erster Permanentmagnet befestigt ist. Im Gehäuse ist ein zweiter Permanentmagnet befestigt, wobei die Permanentmagnete ein Permanentmagnetenpaar bilden und sich in einer Ausgangsstellung des Bedienknopfes des Drucktasters ungleiche Pole der Magnete beabstandet gegenüberstehen und an den Permanentmagnetenpaaren zusätzlich ein die magnetischen Feldlinien leitender Werkstoff befestigt ist. Der Kraft-Weg-Verlauf einer Drucktaste entspricht im Wesentlichen der eines joystickartigen Bedienelementes (20), wobei lediglich der Bedienknopf und die Verlängerung eine lineare Bewegung in Richtung des Bedienelementes ausführen.