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

Bedienelement für ein Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Betätigungselement, einem Gehäuse, wobei das Betätigungselement kippbar und drückbar im Gehäuse gelagert ist, einem ersten Mittel zur Erkennung aller möglichen Betätigungsrichtungen und einem zweiten Mittel zur Erkennung der Schaltschwellen des Betätigungsvorgangs.

In heutigen Kraftfahrzeugen ist es vielfach so, dass die Bedienelemente die Eingabe mehrerer unterschiedlicher Funktionen ermöglichen. Insbesondere in Kraftfahrzeugen, die mit einem Display ausgestattet sind, gibt es auswählbare Menüs, die mittels des Bedienelementes ansteuerbar und gleichzeitig auswählbar sind. Um das Navigieren und Auswählen der einzelnen Menüpunkte zu ermöglichen oder zu erleichtern, sind derartige Bedienelemente mit mehreren Kipp- und Drückfunktionen ausgestattet.

Ein gattungsgemäßes Bedienelement ist in der DE 103 42 335 A1 beschrieben. Beschrieben ist ein Bedienelement mit einer Dreh- und Druckfunktion, bestehend aus einem Drehschalter sowie aus einem Drucktaster, als bauliche Einheit zu einem Dreh- /Drucksteller. Ein Teil dieses Bedienelementes ist ein joystickartig aufgebautes Betätigungselement, das kippbar und drückbar im Gehäuse gelagert ist. Das Betätigungselement ist hierbei gegen die Kraft einer Feder in das Bedienelement hinein drückbar, wobei ein unterhalb des Betätigungselementes angeordneter Taster betätigt wird. Die Kippbewegung des Betätigungselementes wird mittels eines opto-elektrischen Systems bestehend aus einer Kulisse, die mit Lichtschranken zusammenwirkt, gebildet. Hierbei wirkt das Betätigungselement, das auch als Joystick beschrieben ist, mittels einer Kulisse auf zwei Lichtschranken, wobei die Lichtschranken in der Ruhestellung des Betätigungselementes gleichmäßig abgedunkelt sind. Die Lichtschranken sind hierbei um 90° zueinander versetzt, so dass beim Schwenken des Betätigungselementes es zu

einer detektierbaren und elektronisch auswertbaren Veränderung des Lichtflusses in den Lichtschranken kommt.

Ein gattungsgemäßer Stand der Technik ist in der unveröffentlichten DE 10 2006 014 923.8 beschrieben, auf die hier ausdrücklich und in vollem Umfang Bezug genommen wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es eine sensorische Lösung für die Betätigungserkennung in einem Bedienelement mit vier Kipprichtungen eines Betätigungselementes sowie einer Erkennung der Drückbewegung bereitzustellen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv einfache und kostengünstige Lösung für eine sensorische Betätigungserkennung zu entwickeln.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das erste Mittel zur Erkennung der Kipp- und Drückbewegung aus einem opto-elektronischen oder elektronischen Mittel gebildet ist und das zweite Mittel zur Erkennung der Schaltschwelle aus einem schwenkbar im Gehäuse gelagerten Hebel gebildet ist, der mit einem Schaltelement zusammenwirkt, wobei das Betätigungselement mit dem Hebel mechanisch so gekoppelt ist, dass bei einer beliebeigen Auslenkung des Betätigungselementes der Hebel aus einer Ruhestellung heraus auslenkbar ist. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Bedienelementes ist nun die Möglichkeit geschaffen, ein Betätigungselement in einem Bedienelement derart auszuführen, dass mit einfachsten konstruktiven Mitteln mindestens vier Kipprichtungen detektierbar sind. Insbesondere aus dem Zusammenspiel der Mittel zur Erkennung der Kipp- und Drückbewegung und dem zur Schaltschellenerkennung ist eine schnelle und eindeutige Kipprichtungs- und Schaltschwellenerkennung möglich.

Zur Erkennung einer Kippbewegung, das heißt einer Auslenkung des Betätigungselementes in zwei Richtungen wird eine Reflexionslichtschranke benötigt. So ist beispielsweise eine Nord-/Süderkennung dadurch detektierbar, dass einerseits die Reflexionslichtschranke in eine Richtung geschlossen und in die andere Richtung geöffnet wird. Durch das zweite Mittel zur Erkennung der Schaltschwelle, welches aus Hebel und mit dem Hebel zusammenwirkendes Schaltelement gebildet ist, ist hierbei

die Schaltschwelle zur Erkennung der Betätigungsrichtung des Betätigungselementes definierbar.

Es ist somit eine berührungslose und reibungsarme und folglich auch störungsunempfindliche Sensorik bereitgestellt, mittels der die Aufgabe der Erfindung gelöst ist. Darüber hinaus bietet diese Lösung eine kostengünstige Ausführung, da sämtliche zur Erkennung der Kipp- und Drückbewegungen erforderlichen elektrischen Bauteile auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Zusätzlich bietet der erfindungsgemäße Aufbau den Vorteil, dass die Kipprichtungserkennung von der Schaltschwellenerkennung entkoppelt ist, so dass sich diese elektrischen Bauelemente gegenseitig nicht beeinflussen und sich die Schaltschwellencharakteristik individuell auf die gewünschte Sensibilität einstellbar gestalten lässt. Dies bietet gleichzeitig den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Aufbau eine hohe Toleranzverträglichkeit aufweist. Große Toleranzen bei den Kipprichtungserkennungsteilen sind ohne Bedeutung oder haben zumindest nur einen sehr geringen Einfluss auf die Funktionalität des erfindungsgemäß aufgebauten Bedienelementes, da selbst große Toleranzen im Aufbau des Bedienelementes durch eine Einstellung der Schaltschwelle eliminierbar sind.

Die unterschiedlichen Ausführungsvarianten der Erfindung werden nachfolgend anhand dreier Ausführungsbeispiele beschrieben.

Es zeigt

Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Bedienelementes in einer Mittelstellung im seitlichen Schnitt,

Figur 2 ein Bedienelement gemäß der Figur 1 im seitlichen Schnitt in ausgelenkter Stellung,

Figur 3 eine Seitenansicht auf ein Bedienelement gemäß der Figur 1 in einer weiteren ausgelenkten Stellung,

Figur 4 ein Bedienelement gemäß der Figur 1 im Schnitt in der Seitenansicht in einer gedrückten Stellung,

Figur 5 eine prinzipielle Darstellung eines Bedienelementes gemäß der Figur 1 der Funktion des Betätigungselementes in einer dreidimensionalen Ansicht,

Figur 6 eine alternative Ausführungsform eines Mittels zur Erkennung der Kippbewegung,

Figur 7 eine weitere alternative Form zur Erkennung der Kippbewegung in einer Draufsicht auf das Betätigungselement und eine Leiterplatte und

Figur 8 ein Diagramm, in dem die Auswertung der Bewegungen des Betätigungselementes als elektrische Impulse wiedergegeben ist.

In der Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau eines Bedienelementes 1 in einer Seitenansicht und im teilweisen Schnitt wiedergegeben. Das Bedienelement 1 besteht aus einem Betätigungselement 2, das in einer Kugelführung 3 in einem Gehäuse 4 schwenkbar und drückbar aufgenommen ist. Stützen 5, 6 tragen einerseits das Gehäuse und nehmen gleichzeitig die Leiterplatte 7 auf. Die Stützen 5, 6 reichen dabei vom Boden 8 des Gehäuses 4 bis zum Gehäusedeckel 9. Unterhalb des Betätigungselementes 2 und der Kugelführung 3 ist in Art eines Zylinder 10 eine stiftförmige Verlängerung angeformt. An dem unteren Ende 11 des Zylinderstiftes 10 sowie im Hebel 12 sind V-förmige Aussparungen angebracht, zwischen denen eine Kugel eingespannt ist, die als ein Umlenkelement alle Betätigungen des Bedienelements in eine Schwenkbewegung des Hebels 12, der schwenkbar in einer Lagerung 13 im Gehäuse 4 befestigt ist, umwandelt. An den Zylinderstift 10 ist mindestens eine hebelarmartige Verlängerung 14 angeformt, die an ihrem äußeren Ende eine Reflexionsfläche 15 besitzt und mit den beiden Sendern und Empfängern 16, 17 eine Reflexionslichtschranke bildet.

An einem äußeren Ende 18 des Hebels 12 ist ein Arm befestigt, der wiederum mit einem Sender 20 und Empfänger 21 gemeinsam eine Gabellichtschranke bildet und der sich im Wesentlichen parallel zum Zylinderstift 10 erstreckt. Der Arm 19 erstreckt sich hierbei ausgehend vom Ende 18 des Hebels 12 durch die Leiterplatte 7 hindurch zwischen die Lichtschranke 20, 21 , die auf der Leiterplatte 7 angeordnet ist.

Wie in der Figur 2 dargestellt, ist das Betätigungselement 2 in Richtung des Pfeils P1 im Gehäuse 4 schwenkbar. Durch das Schwenken des Betätigungselementes 2 in Richtung des Pfeils P1 bewegt sich die Verlängerung 14 in Richtung des Gehäusedeckels 9 und verändert somit das durch die Reflexionslichtschranke 15, 16, 17 erzeugte Signal, da sich die Reflexionsfläche 15 vom Sender 16 und Empfänger 17 entfernt. Gleichzeitig kippt das Zylinderstift 10 um seinen Drehpunkt in der Kugelführung 3, wodurch der Hebel 12 mittels der Umlenkkugel um seinen Lagerpunkt 13 herum ausgelenkt wird. Diese Auslenkung oder Schwenkbewegung des Hebels 12 hat zur Folge, dass der Arm 19, sich aus dem Bereich der Lichtschranke 20, 21 heraus bewegt, wodurch ein eindeutiges Schaltsignal erzeugbar ist. Je nach Länge des Arms 19 und des Hebels 12 ist somit die Schaltschwelle der Lichtschranke 20, 21 einstellbar. Anzumerken bleibt hier, dass die Schaltschwelle natürlich auch durch jede geometrische Veränderung der Hebelmechanik, wie beispielsweise die Lage des Lagerpunktes 13, beeinflussbar und einstellbar ist. So ist mittels der Reflexionslichtschranke 15, 16, 17 die Kipprichtung in Richtung des Pfeils P1 und mittels der Lichtschranke 20, 21 und dem Arm 19 die Schaltschwelle einstellbar. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau, ist somit eine berührungslose und störunempfindliche Sensorik bereitgestellt, bei der eine Entkopplung der Kipprichtungserkennung von der Schaltschwellenerkennung realisiert ist.

Wie in der Figur 3 dargestellt, reicht eine einzige Lichtschranke 15, 16, 17 aus, um zwei Kipprichtungen zu erkennen. In der Figur 3 ist das Betätigungselement 2 in Richtung des Pfeils P2 bewegt, wodurch der Abstand zwischen dem Reflektor 15 und den Lichtschrankendioden 16, 17 kleiner wird. Somit wird auch das Lichtschrankensignal beim Kippen in Abhängigkeit mit der Kipprichtung P1 , P2 entweder stärker oder schwächer. Zur Erkennung von vier Kipprichtungen ist eine weitere gleiche Lichtschranke 15, 16, 17, die im 90 ° Winkel zu der ersten Lichtschranke 15, 16, 17 auf der Leiterplatte 7 angeordnet ist, erforderlich. Der 90° Winkel gewährleistet in diesem Fall, das der Abstand in der Lichtschranke 15, 16, 17 für quer liegende Richtungen bezüglich in Bezug auf die weitere Betätigungsrichtung praktisch unverändert bleibt. Um eine Kipprichtung P1 , P2 zu erkennen muss die größte Signaländerung von beiden Reflexionslichtschranken 15, 16, 17 kurz vor oder nach dem Erreichen der Schaltschwelle ermittelt werden. Die Schaltschwelle wird, wie oben beschrieben, mittels der Gabellichtschranken 19, 20, 21 detektiert und eingestellt.

Neben einem Kippen des Betätigungselementes 2 ist auch ein Drücken des Betätigungselementes 2 in Richtung des Pfeils P3 möglich. Während des Drückens, ändert sich das Ausgangssignal von beiden Lichtschranken 15, 16, 17 gleichzeitig in eine Richtung, so werden beispielsweise beide Ausgangssignale stärker. Diese Signaländerung in Kombination mit dem Signal der Gabellichtschranke 19, 20, 21 detektiert somit eindeutig die Druckfunktion des Bedienelementes 1. Anzumerken bleibt, dass neben den hier beschriebenen optischen Sensoren auch andere Arten von Sensoren für die beschriebene Auswertung einsetzbar sind, wichtig ist hierbei lediglich, dass es bei einer Bewegung P1 , P2, P3 des Betätigungselementes 2 zu einer auswertbaren Signaländerung kommt. Denkbar sind magnetische, kapazitive, induktive oder mechanisch wirkende Sensoren.

Eine dreidimensionale Darstellung der Lichtschrankensysteme 15, 16, 17, 19, 20, 21 ist prinzipiell in der Figur 5 wiedergegeben. Zu erkennen ist die Lage der Verlängerung 14 mit den unter dem Reflektor 15 angeordneten Lichtschrankendioden 16, 17. Dargestellt ist eine Kippbewegung des Betätigungselementes 2 in Richtung des Pfeils P4. Diese Kippbewegung in Richtung Nord N und Süd S ist mittels einer Lichtschranke 15, 16, 17 detektierbar. Für die Kipprichtungserkennung in Richtung West W und Ost O ist ein zweites Lichtschrankensystem 15, 16, 17 erforderlich. Gleichzeitig dargestellt ist die Gabellichtschranke 20, 21 mit einer zwischen der Gabellichtschranke 20, 21 befindlichen öffnung 22, durch die sich der Arm 19 durch die Leiterplatte 7 hindurch zwischen die Lichtschranke 20, 21 erstreckt.

Eine alternative Ausführungsform ist in der Figur 6 dargestellt. Neben der Verwendung der Reflexionslichtschranke 15, 16, 17 ist es ebenfalls vorstellbar, die Kipprichtung des Betätigungselementes 2 mittels potentiometrischer Sensoren zu erfassen. Auf einer Leiterplatte 23 sind zwei potentiometrische Schichten 24, 25 aufgebracht, die mit zwei Schleifkontakten 26, 27 zusammenwirken. Die Schleifkontakte 26, 27 sind hierbei mit dem Zylinderstift 10 fest verbunden und über den Zylinderstift 10 elektrisch angeschlossen. Während des Kippens des Betätigungselementes in der Kugelführung 3 werden die Schleifkontakte 26, 27 über die potentiometrischen Flächen 24, 25 verschoben. Diese Widerstandsänderung der beiden potentiometrischen Sensoren 24, 25, 26, 27 ist auswertbar, so dass die Kipprichtungen Nord, Süd, West, Ost wieder eindeutig detektierbar sind. Das Erreichen der Schaltschwelle wird hierbei ebenfalls

wiederum durch eine Gabellichtschranke 28, 29 mit einem dazugehörigen Arm eingestellt und erkannt.

Eine weitere Ausführungsform zur Erkennung der Kipprichtung beim Schwenken des Betätigungselementes 2 ist die Verwendung einer Kontaktfeder 30, wie sie in der Figur 7 dargestellt ist. Hierbei wird an dem Zylinderstift 31 eine Kontaktfeder 30 mit jeweils vier Kontaktarmen 32, 33, 34, 35 am Zylinderstift 31 befestigt, die wiederum mit elektrischen Kontakten 36, 37, 38, 39 zusammenwirken. Wie in der Figur 7 dargestellt, kommt es bei einer Auslenkung des Betätigungselementes 40 zur Schaltstellung, wie sie als punktierte Linie 41 in der Figur 7 wiedergegeben ist.

Wird nun das Betätigungselement 40 in die punktierte Richtung P5 verschoben, so wird der Kontakt 38 von dem Kontaktarm 34 kontaktiert, so dass eine eindeutige Kipprich- tungserkennung in diesem Fall in Richtung Westen W, erkannt. Die dadurch erzeugten Ausgangssignale sind für die Erkennung des Schaltvorgangs ungeeignet, da hier relativ große Toleranzen auftreten, sie reichen aber zur eindeutigen richtigen Kipprich- tungserkennung aus. Die Schaltschwelle wird auch in diesem Fall mittels einer Gabellichtschranke 42, 43 erkannt.

Das erfindungsgemäße Bedienelement 1 bietet somit den Vorteil, dass für alle Kipprichtungen Nord N, Ost O, Süd S und West W eine absolut gleiche Schaltschwelle einstellbar ist. Dies wiederum ermöglicht ein genaues Abstimmen der Schaltschwellen- detektion auf die Haptik des Bedienelementes 1 , wie dies in der Figur 8 mit den Verläufen der Schaltschwellen Ausgangssignale 44 klar ersichtlich ist. Die Ausgangssignale 44 für die Schaltschwellen L3 liegen alle auf einem einheitlichen Niveau. In das Diagramm sind neben dem Verlauf der Schaltschwellencharakteristik der Gabellichtschranke auch der Verlauf der beiden Reflexionslichtschranken 15, 16, 17 eingetragen. Beispielhaft wird hier der Verlauf in der Kipprichtung P4 oder Nord N, nach Figur 5, erläutert. Bei der Bewegung des Betätigungselementes 2 in Richtung des Pfeils P4 oder in Richtung Nord N ändert sich der Wert des Lichtschrankensystems L1 nur geringfügig, der Verlauf der Linie L1 ist nahe zu konstant, wohingegen sich der Wert des Lichtschrankensystems L2, die die als Linie L2 in das Diagramm eingezeichnet ist, als deutlicher Ausschlag des Signals im Verlauf des Diagramms zeigt. Der Verlauf der Schaltschwellencharakteristik L3, hier als Linie L3 wiedergegeben zeigt für alle Kipp-

richtungen einen identischen Ausschlag. Umgekehrt ist dies in Kipprichtung W ₁ hier äußert sich der Verlauf der Linie L3 nur geringfügig, wobei er nahezu konstant bleibt. Der Verlauf der Kennlinie L1 zeigt hingegen einen deutlichen positiven Ausschlag, wie im Diagramm mit 45 gekennzeichnet.