DE102011085146A1

DE102011085146A1 - Bedienelement mit magnetischer Rückstellung

Info

Publication number: DE102011085146A1
Application number: DE102011085146A
Authority: DE
Inventors: Thilo Schultheis; Stefan Schuberth; Arthur Klossek
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-04-25
Also published as: US20140260771A1; WO2013060501A1; EP2771755B1; EP2771755A1; US9298206B2; CN103076840A; CN103076840B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 1. Bedienelement (1) für mehrere Schalt- und/oder Regelfunktionen, aufweisend: ein Widerlagerteil (3); ein händisch aus einer Ruhestellung in wenigstens zwei entgegengesetzte Richtungen gegenüber dem Widerlagerteil (3) bewegbares, beispielsweise verschiebbares und/oder verschwenkbares, Betätigungsteil (2); magnetische Rückstellmittel (4, 5) zur Bewirkung der Rückstellung des Betätigungsteil (2) in die Ruhestellung; Detektionsmittel zur Erzeugung eines jeweils wenigstens den Maximalstellungen und der Ruhestellung des Betätigungsteils entsprechenden elektrischen Signals; wobei die magnetischen Rückstellmittel (4, 5) wenigstens einen ersten, betätigungsteilseitigen Ringmagneten (4) und einen zweiten, widerlagerteilseitigen Ringmagneten (5) umfassen, die in der Ruhestellung so angeordnet sind, dass deren Stirnflächen einander zugewandt und beabstandet sind, dass sie das Betätigungsteil (2) gegen das Widerlagerteil (3) ziehend angeordnet und dass sie konzentrisch sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement für mehrere Regel- und/oder Schaltfunktionen. Gattungsgemäß weist es ein händisch aus einer Ruhestellung in wenigstens zwei entgegengesetzte Richtungen gegenüber einem Widerlagerteil verschiebbares und/oder verschwenkbares Betätigungsteil auf. Ferner sind magnetische Rückstellmittel zur Bewirkung der Rückstellung des Betätigungsteils in die Ruhestellung vorgesehen. Je nach Bewegbarkeit in wenigstens zwei, vier oder in beliebige Richtungen bis zu einer Maximalschaltung, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Bedienelement um einen Wippschalter, Vier-Wege-Schalter oder Joystick. Detektionsmittel zur Erzeugung eines jeweils wenigstens den Maximalstellungen und der Ruhestellung des Betätigungsteils entsprechenden elektrischen Signals sind erfindungs- und gattungsgemäß ebenfalls vorgesehen.
Es ist bekannt, Bedienelemente im Bewegungsbereich des Betätigungsteils durch mechanisch miteinander in Eingriff stehende Komponenten in die Ruhestellung des Betätigungsteils zurückzustellen. Ferner sind miteinander mechanisch verrastende Komponenten für die Bereitstellung eines haptischen Feedbacks bekannt. Derartige Bedienelemente unterliegen dem Verschleiß, so dass mit zunehmender Abnutzung sich die Haptik und/oder die relativen Stellungen ändern, wenn nicht gar die Funktion ganz beeinträchtigt ist. Zur Verminderung der Verschleißanfälligkeit ist es ferner bekannt, auf magnetischen Kräften basierende Rückstellmittel vorzusehen. Die bisher bekannten Konstruktionen, wie die in der DE 10 2008 004 909 A1 gezeigten Ausführungsformen weisen eine vergleichsweise aufwändige und voluminöse Konstruktion auf, da u.a. neben den magnetischen Rückstellmitteln zwingend ein mechanischer Wirkeingriff zwischen dem Widerlagerteil und dem Betätigungsteil, beispielsweise in Form einer Achslagerung oder eines Kugelgelenks, vorgesehen ist. Derartige mechanische Wirkeingriffe unterliegen dem Verschleiß und somit verschlechtert sich die Positioniergenauigkeit des Betätigungsteils.
Vor dem Hintergrund der Nachteile des Standes der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Bedienelement derart weiterzubilden, dass es besonders verschleißarm, kompakt und insbesondere hinsichtlich seiner haptischen Rückmeldung verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die Erfindung betrifft ein Bedienelement für mehrere Schalt- und/oder Regelfunktionen, welches Folgendes aufweist: ein Widerlagerteil sowie ein händisch aus seiner Ruhestellung in wenigstens zwei entgegengesetzte Richtungen gegenüber dem Widerlagerteil verschiebbares und/oder verschwenkbares Betätigungsteil. Zur Rückstellung des Betätigungsteil in die Ruhestellung sind ferner magnetische, das heißt auf magnetischen Kräften beruhende, Rückstellmittel vorgesehen. Diese umfassen beispielsweise einen oder mehrere Permanentmagnete, ferromagnetische Elemente, Elektromagnete oder Kombinationen hieraus. Erfindungsgemäß sind ferner Detektionsmittel zur Erzeugung eines jeweils wenigstens den Maximalstellungen und der Ruhestellung des Betätigungsteils entsprechenden elektrischen Signals vorgesehen. Bevorzugt sind die Detektionsmittel so ausgelegt, dass ein allen möglichen Stellungen des Betätigungsteils eindeutig entsprechendes, gegebenenfalls proportionales elektrisches Signal zur Stellungsauswertung erzeugt wird. Dem Fachmann sind hierzu geeignete Detektionsmittel bekannt, beispielsweise sind optische oder resistive Stellungserkennungen vorgesehen.
Erfindungsgemäß umfassen die magnetischen Rückstellmittel wenigstens einen ersten, betätigungsteilseitigen Ringmagneten und ein zweiten, widerlagerteilseitigen Ringmagneten, die in der Ruhestellung so angeordnet sind, dass deren Stirnflächen einander zugewandt und beabstandet sind, dass sie das Betätigungsteil gegen das Widerlagerteil ziehend angeordnet und dass sie konzentrisch sind. Durch diese Ausgestaltung wird nicht nur verschleißfrei eine Rückstellung bewirkt, sondern es wird durch das Anziehen des Betätigungsteils an das Widerlagerteil eine wechselseitige Halterung erreicht, bei der auf eine gelenkige mechanische Verbindung zwischen beiden vorteilhaft verzichtet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ferner eine Sicherungseinrichtung, beispielsweise am Gehäuse oder am Widerlagerteil vorgesehen, um das Betätigungsteil gegen Verlust zu sichern. Dadurch, dass die mechanische Anziehung zum Halten des Betätigungsteils herangezogen wird, wird die Verschleißanfälligkeit minimiert wenn nicht gar ausgeschlossen. Ferner lässt sich durch die Verwendung von magnetischen Rückstellmitteln das haptische Feedback beim Betätigen des Betätigungsteils durch entsprechende Dimensionierung der Ringmagnete anforderungsabhängig auslegen.
Bevorzugt ist das Betätigungsteil um eine Drehachse drehbar und sind die Ringmagnete konzentrisch zur Drehachse angeordnet. Die drehbare Lagerung ist beispielsweise durch eine Gleitlagerung zwischen Widerlagerteil und Betätigungsteil realisiert. Durch den zusätzlichen Freiheitgrad kann dem Betätigungsteil eine zusätzliche Schalt- oder Regelfunktion beim Drehen des Betätigungsteils zugeordnet werden. Die Drehung und/oder die Drehstellung werden beispielweise durch optische, magnetische Detektionsmittel detektiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und zweite Ringmagnet jeweils senkrecht zur Bewegungsrichtung polarisiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind wenigstens die einander zugewandten Stirnflächen der Ringmagnete deckungsgleich. Bevorzugt weisen die Ringmagnete eine identische Abmessung und Ausgestaltung auf.
Bevorzugt entspricht beim Verschieben oder Verschwenken des Betätigungsteils aus der Ruhestellung in die Maximalstellung der Verschiebeweg des betätigungsteilseitigen Ringmagneten wenigstens der Wandstärke des widerlagerseitigen Ringmagneten. Beispielsweise ist die Maximalstellung so gewählt, dass bei senkrechter Projektion der einander zugewandten Stirnflächen der Ringmagnete in deren axialer Richtung auf eine gemeinsame Ebene zwischen den Stirnflächen eine sichelförmige Fläche ausgebildet. Diese weist beispielsweise einen maximalen Abstand der Sichelflanken von weniger als 1mm, beispielsweise 0,5 mm auf.
Es hat sich gezeigt, dass dadurch bei zunehmender Auslenkung des Betätigungsteils nach einem Anstieg der Rückstellungskraft ein haptisch deutlich merkbarer Abfall der Rückstellungskraft, auch als „snap“ bezeichnet, realisierbar ist. Bevorzugt ist das Betätigungsteil monostabil, dass heißt außerhalb der Ruhestellung ist die Rückstellungskraft nie null. Beispielsweise ist es in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass zur Erzeugung einer Rasthaptik die Ringmagnete so ausgebildet und angeordnet sind, dass in dem Bewegungsbereich des Betätigungsteils die Rückstellkraft ein lokales Maximum aufweist. Der dem Maximum folgende Einbruch in der Rückstellkraftkraft nach nur einem Teil, beispielsweise etwa der Hälfte oder etwa Zweidrittel der maximal möglichen Auslenkung, führt ferner dazu, dass die Maximalstellung nach Überwinden der maximalen Rückstellung und dem folgenden Abbruch unvermeidbar erreicht wird. Dies erhöht somit die Bedienzuverlässigkeit und gibt dem Bediener gleichzeitig ein haptisches Feedback.
Bevorzugt definieren die wenigstens zwei entgegengesetzten Bewegungsrichtungen eine Linie oder eine Krümmung, noch bevorzugter wenigstens ein Kreissegment.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Widerlagerteil ein oder mehrere Gleit- oder Wälzelemente zur Lagerung des Betätigungsteils. Es ist in einer weiteren Ausgestaltung ein Käfig zur Aufnahme und Führung der Wälzelemente vorgesehen.
Zur Verschleißminderung umfassen die Detektionsmittel Mittel zur berührungslosen Detektion der Stellung des Betätigungsteils oder des betätigungsteilseitigen Ringmagneten. Noch bevorzugter handelt es sich um wenigstens einen optischen und/oder magnetischen Sensor.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ringmagnete ausschließlich zur Rückstellung bzw. haptischen Rückmeldung vorgesehen sind. Zur Stellungsdetektion des Betätigungsteils können separate Sensoren und Geber vorgesehen sein, mittels derer die Bewegung des Betätigungsteils detektiert wird. Erfindungsgemäß umfasst soll eine Ausgestaltung sein, bei der wenigstens der betätigungsteilseitige Ringmagnet als Geber für einen oder mehrere Sensoren, beispielsweise Hallsensoren, fungiert.
Das Bedienelement findet vorteilhaft Verwendung in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als Bedienelement zur Steuerung der Fahrzeugklimatisierung.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: die Ruhestellung des Betätigungsteils 2 des erfindungsgemäßen, in einer bevorzugten Ausführungsform gezeigten Bedienelements 1;
2: die Maximalstellung des Betätigungsteils 2 des Bedienelements 1 aus 1;
3A: eine vergrößerte Detailansicht der 1;
3B: eine vergrößerte Detailansicht der 2; sowie
4: einen Verlauf der vom Bediener zu überwindenden Rückstellkraft F in Abhängigkeit der zurückgelegten Ausschlags S aus der Ruhelage.
Die Figuren zeigen in einer vereinfachten Prinzipdarstellung den Aufbau sowie die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bedienelements 1. Das Bedienelement 1 weist ein Widerlagerteil 3 und ein Betätigungsteil 2 auf. Das Widerlagerteil 3 weist eine dem Betätigungsteil 2 zugewandte, konvexe Oberfläche auf. Das Betätigungsteil 2 weist eine zu der vorerwähnten Oberfläche des Widerlagerteils 3 komplementär geformte, dem Widerlagerteil 3 zugewandte, konkave Oberfläche auf. Das Betätigungsteil 2 ist bezüglich des Widerlagerteils 3 frei verschieb- bzw. verschwenkbar. Die jeweilige Stellung ist durch eine nicht dargestellte Detektionseinrichtung detektierbar. Das Widerlagerteil 3 umfasst eine Wälzlagereinrichtung, um die Verschiebung des Betätigungsteils 2 zu erleichtern und um den Verschleiß zu minimieren. Die Wälzlagereinrichtung weist mehrere, ringförmig angeordnete Kugeln 6 auf, die mittels eines Käfigs 7 in gleichmäßigem Abstand geführt werden. Neben der Verschiebbarkeit ist eine Drehung des Betätigungsteils 2 ermöglicht, siehe hierzu die Bewegungspfeile 10, wobei die Verschiebung in alle Richtungen ferner auch in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung ermöglicht ist und hier nur zum Zwecke der besseren Anschauung die Bewegung beschränkt auf die Richtungen gemäß der Pfeile 10 im Folgenden beschrieben werden soll.
Die Bewegung des Betätigungsteils 2 ist durch den durch eine Durchbohrung 11 im Widerlagerteil geführten Zapfen 8 begrenzt, wobei der Zapfen 8 ferner als Sicherungseinrichtung über seine endständige tellerförmige, beispielsweise aufgeschraubte Verbreiterung und die Buchse 9 gegen Herausfallen gesichert ist. Damit ist ein Trennen von Betätigungsteil 2 und Widerlagerteil 3 weitgehend unmöglich gemacht. In die einander zugewandten Oberflächen von Betätigungsteil 2 und Widerlagerteil 3 sind jeweils Ringnuten eingearbeitet, in die jeweils ein ringförmiger Permanentmagnet 4, 5, im Folgenden auch Ringmagnet genannt, eingesetzt ist. Die Ringmagnete 4, 5 weisen dieselben Abmessungen auf und sind parallel zu ihrer Axialrichtung, d.h. Rotationssymmetrieachse, polarisiert. Die Ringmagnete 4, 5, sind so angeordnet, dass ungleichnamige Pole und die Stirnflächen sich in der in 1 gezeigten Ruhestellung beabstandet gegenüberliegen. Die Ringmagnete 4, 5 sind ferner in der Ruhestellung konzentrisch zur Drehachse des Betätigungsteils 2 angeordnet. Beim Verschieben des Betätigungsteils 2 in einer in der Zeichnungsebene liegenden Richtung aus der in 1 gezeigten Ruhestellung, wird die in 2 gezeigte Maximalstellung erreicht. Die Ringmagnete 4, 5 bewirken die Rückstellung in die in 1 gezeigte Ruhestellung. Beim Verschwenken entfernt sich der betätigungsteilseitige Ringmagnete 4 mit seinem in Bewegungsrichtung vorne und hinten liegenden Ringabschnitten von den betreffenden Ringabschnitten des widerlagerteilseitigen Ringmagnets 5. Die Maximalstellung ist so gewählt, dass der betätigungsteilseitige Ringmagnet 4 mehr als um die Dicke der Wandung des widerlagerteilseitigen Ringmagneten 5 verschoben wird. Bevorzugt beträgt der Versatz der Ringmagnete 4, 5, also der projizierte Abstand zwischen Innendurchmesser des betätigungsteilseitigen Ringmagneten 4 und dem Außendurchmesser des widerlagerteilseitigen Ringmagneten 5 in der Maximalstellung und in der betreffenden Verschieberichtung zwischen etwa oder genau 1,0 mm und etwa oder genau 5,0 mm. Die relative Bewegung der Ringmagneten 4, 5 ist in den Detailansichten der 3A und 3B verdeutlicht. Die 4 zeigt den Verlauf der Rückstellkraft in Abhängigkeit des Ausschlags. Diese nimmt mit der Verschiebung des Betätigungsteils aus der Ruhelage bis zum Erreichen des lokalen Maximums F_max stark zu. Sobald der betätigungsteilseitige Ringmagnet um die Wandstärke des widerlagerteilseitigen Ringmagneten verschoben wird, bricht die Rückstellkraft ein, ohne ganz auf null zurückzugehen. Danach wird bei S_max durch Beanschlagung die Maximalstellung erreicht. Der zuvor beschriebene Einbruch der Rückstellkraft, auch als „snap“ bezeichnet, ist haptisch merkbar und dient dazu, dem Bediener ein haptisches Feedback darüber zu geben, dass die Maximalstellung erreicht ist. Der Anstieg in der Rückstellkraft mit nachfolgendem Einbruch sorgt ferner dafür, dass die Maximalstellung sofern einmal die maximale Rückstellkraft F_max überwunden wurde, zuverlässig und nahezu unvermeidbar erreicht wird. Dies erhöht die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit in der Bedienung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008004909 A1 [0002]

Claims

Bedienelement (1) für mehrere Schalt- und/oder Regelfunktionen, aufweisend: ein Widerlagerteil (3); ein händisch aus einer Ruhestellung in wenigstens zwei entgegengesetzte Richtungen gegenüber dem Widerlagerteil (3) bewegbares, beispielsweise verschiebbares und/oder verschwenkbares, Betätigungsteil (2); magnetische Rückstellmittel (4, 5) zur Bewirkung der Rückstellung des Betätigungsteil (2) in die Ruhestellung; Detektionsmittel zur Erzeugung eines jeweils wenigstens den Maximalstellungen und der Ruhestellung des Betätigungsteils entsprechenden elektrischen Signals; wobei die magnetischen Rückstellmittel (4, 5) wenigstens einen ersten, betätigungsteilseitigen Ringmagneten (4) und einen zweiten, widerlagerteilseitigen Ringmagneten (5) umfassen, die in der Ruhestellung so angeordnet sind, dass deren Stirnflächen einander zugewandt und beabstandet sind, dass sie das Betätigungsteil (2) gegen das Widerlagerteil (3) ziehend angeordnet und dass sie konzentrisch sind.
Bedienelement (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Betätigungsteil (2) um eine Drehachse drehbar ist und die Ringmagnete (4, 5) konzentrisch zur Drehachse angeordnet sind.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Ringmagnet (4, 5) jeweils senkrecht zur Bewegungsrichtung polarisiert sind.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens die einander zugewandten Stirnflächen der Ringmagnete (4, 5) deckungsgleich sind.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Verschieben oder Verschwenken des Betätigungsteils (2) aus der Ruhestellung in die Maximalstellung der Verschiebeweg des betätigungsteilseitigen Ringmagneten (4) in der betreffenden Bewegungsrichtung wenigstens der Wandstärke des widerlagerseitigen Ringmagneten (5) entspricht.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei entgegengesetzten Bewegungsrichtungen eine Linie oder eine Krümmung, bevorzugt einen Kreisabschnitt definieren.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Betätigungsteil (2) gegenüber dem Widerlagerteil (3) frei verschwenkbar oder frei verschiebbar ist.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Widerlagerteil (3) ein oder mehrere Gleit- oder Wälzelemente (6) zur Lagerung des Betätigungsteils (2) umfasst.
Bedienelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionsmittel Mittel zur berührungslosen Detektion der Stellung des Betätigungsteils (2) oder des Betätigungsteilseitigen Ringmagneten (4) umfassen.
Bedienelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Mittel zur berührungslosen Detektion einen optischen und/oder magnetischen Sensor umfassen.
Verwendung des Bedienelements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug.