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1. WO2020221494 - CONTROL ELEMENT

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Bedienelement

Die Erfindung betrifft ein Bedienelement, wie es vorzugsweise in einem Fahrzeug, ins besondere einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Luftfahrzeug oder ei nem Wasserfahrzeug verwendet wird.

In Fahrzeugen sind zahlreiche Bedienelemente vorgesehen, deren Betätigung leicht zu einer Ablenkung des Bedieners führen kann. Hierdurch können unerwünschte Reaktio nen oder ggf. sogar die Gefahr eines Unfalls entstehen.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bedienelement bereitzustellen, das eine möglichst geringe Ablenkung eines Benutzers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Bedienelement, umfassend einen elektrorheologisches Material gelöst, mit mindestens einer Treiberanordnung zum Erzeugen eines veränder baren elektrischen Feldes.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Erfindungsgemäß kann durch eine elektrische Feldänderung eine Veränderung der Haptik des Bedienelementes erzeugt werden. Dies kann insbesondere durch eine Ver änderung der Form des Bedienelementes und/oder durch eine Veränderung der Steifig keit des Bedienelementes bewirkt werden. Auf diese Weise kann eine Kommunikation mit einem Benutzer des Bedienelementes erreicht werden, ohne dass der Benutzer das Bedienelement selbst anschauen muss und somit abgelenkt wird.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrorheologische Ma terial ein elektrorheologisches Elastomer auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das elektrorheologische Ma terial ein elektrorheologisches Fluid auf.

In beiden Fällen kann die elektrorheologische Eigenschaft des Materials genutzt wer den, um bei Anlegen eines elektrischen Feldes an das elektrorheologische Material eine Eigenschaftsänderung zu bewirken.

Soweit das Elastomer elektrorheologisch ist, handelt es sich um ein elektrisch polari sierbares Elastomer. Es gibt einige Elastomere, die von Haus aus elektrisch polarisier bar sind, wie z.B. Polyvinylchlorid, PVC. Andere Elastomere sind dagegen kaum polari sierbar, wie etwa Styrolgummimaterialien, z.B. SEBS / SIBS / SEPS. Es können auch polarisierbare Partikel im Elastomer dispergiert sein.

Soweit ein elektrorheologisches Fluid verwendet wird, so versteht es sich, dass dieses in einem geeigneten Hohlraum eines Elastomers dichtend eingeschlossen sein muss.

Während bei elektrorheologischen Elastomeren unter Einfluss eines elektrischen Feldes sowohl eine Formänderung als auch eine Veränderung der Steifigkeit auftreten kann, beschränkt sich der Effekt im Falle eines elektrorheologischen Fluides auf eine Verän derung der Viskosität.

In beiden Fällen ergibt sich jedoch eine Veränderung der Haptik, die von einem Benut zer des Bedienelementes wahrnehmbar ist.

Die Treiberanordnung umfasst im einfachsten Fall eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, zwischen denen ein elektrisches Feld anlegbar ist.

Hierbei weist die Treiberanordnung bevorzugt zumindest eine flexible Elektrode auf, und das elektrorheologische Material ist zumindest teilweise zwischen den Elektroden angeordnet.

Da somit zumindest eine der Elektroden am Ende des durch das elektrorheologische Elastomer gebildeten Körpers angeordnet ist, und sich die Form, insbesondere die Länge oder Breite des Körpers, verändern kann, ist die betreffende Elektrode bevorzugt flexibel ausgebildet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Treiberanordnung zur Erzeu gung einer Vibration des Bedienelementes ausgebildet, insbesondere mit unterschiedli chen vom Bediener wahrnehmbaren Frequenzen, unterschiedlicher Dauer und/oder in termittierender Ausgabe.

Auf diese Weise ist es ermöglicht, dem Benutzer durch eine Vibration anzuzeigen, dass eine Eingabe beispielsweise korrekt erfolgt ist.

So könnte einem Benutzer beispielsweise durch eine Vibration angezeigt werden, wenn eine korrekte Eingabe erfolgt ist, beispielsweise die Eingabe einer Telefonnummer ab geschlossen ist. Öder es könnte einem Benutzer durch unterschiedliche Frequenzen angezeigt werden, ob beispielsweise eine Eingabe zu einer Erhöhung eines bestimmten Wertes oder zu einer Erniedrigung eines bestimmten Wertes erfolgen soll. Ferner kön nen unterschiedliche Frequenzen genutzt werden, um einen Benutzer bestimmte Rück meldungen zu geben oder bestimmte Anforderungen an einer Eingabe. In entsprechen der Weise können unterschiedliche Dauern und/oder intermittierende Ausgaben einer Frequenz genutzt werden, um mit einem Benutzer zu kommunizieren.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Treiberanordnung dazu aus gebildet, zumindest einen Teil des Bedienelementes bei Aktivierung aus einer Oberflä che heraus hervortreten zu lassen oder in einer Oberfläche zu versenken.

Auf diese Weise kann das Bedienelement dann, wenn es nicht benötigt wird, beispiels weise in einer Oberfläche versenkt bleiben und nur dann herausgefahren werden, wenn eine Eingabe erforderlich ist.

Das Bedienelement ist vorzugsweise als Druckknopf oder Taster ausgebildet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Bedienelement eine Mehrzahl von Einzelbedienelementen, die jeweils eine eigene Treiberanordnung auf weisen.

Auf diese Weise kann ein ganzes Eingabefeld realisiert werden, beispielsweise zur Ein gabe einer Telefonnummer.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode zur Betäti gung einer elektrischen Schalteinrichtung ausgebildet und zumindest teilweise manuell beweglich.

Während das Bedienelement sonst Teil einer elektrischen Schalteinrichtung sein kann, z.B. als Stößel oder Drehknopf zur Betätigung eines Schalters ausgebildet sein kann, kann auch das Bedienelement selbst Teil einer elektrischen Schalteinrichtung sein, die so unmittelbar über die erste Elektrode betätigt wird. Hierzu kann die erste Elektrode vorzugsweise einen flexiblen Bereich aufweisen, worüber die Betätigung erfolgt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei die erste Elektrode an einem ersten Ende des elektrorheologischen Elastomers angeordnet und zur Kontaktierung einer Zwischenelektrode bei manueller Aktivierung ausgebildet.

So kann zwischen der ersten Elektrode und der Zwischenelektrode die elektrische Schalteinrichtung realisiert werden. Dagegen ist die Treiberanordnung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gekoppelt, die am anderen Ende des Elastomers angeordnet ist. Mittels der Treiberanordnung wird die veränderbare Haptik bereitge stellt.

Auf diese Weise ist das Bedienelement auf besonders einfache und kompakte Weise ausgestaltet, um einerseits eine Schalteinrichtung zu realisieren und um andererseits eine veränderbare Haptik bereitzustellen, um mit einem Benutzer kommunizieren zu können.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an einem ersten Ende eine erste Elektrode angeordnet und die zweite Elektrode am anderen Ende des Elastomers ange ordnet. Beide Elektroden sind mit der Treiberanordnung gekoppelt, um die veränder bare Haptik bereitzustellen. Dabei weist die elektrische Schalteinrichtung Mittel zur Überwachung einer Veränderung der Kapazität zwischen der ersten und der zweiten

Elektrode auf, um eine Bewegung der ersten Elektrode zu registrieren. Dadurch kann die elektrische Schalteinrichtung geschaltet werden.

Auf diese Weise kann das Bedienelement mit einer elektrischen Schalteinrichtung kom biniert sein und von der Treiberanordnung galvanisch getrennt sein.

Ein erfindungsgemäßes Bedienelement ist vorzugsweise im 3D-Druck herstellbar.

Im 3D-Druck können nahezu beliebige Formen realisiert werden, so dass das Bedien element an unterschiedliche Anwendungen und Anforderungen ohne weiteres anpass bar ist.

Wie vorstehend bereits erwähnt, ist ein erfindungsgemäßes Bedienelement vorzugs weise verwendbar, um mit einem Bediener zu kommunizieren, wozu eine von einem Bediener wahrnehmbare Änderung der Haptik des Bedienelementes verwendet wird. Hierbei kann etwa eine Vibration benutzt werden, um einem Bediener eine Rückmel dung auf eine Aktivierung des Bedienelementes zu geben oder um den Bediener zu ei ner Eingabe aufzufordern.

Wie bereits erwähnt, ist ein erfindungsgemäßes Bedienelement vorzugsweise in einem Fahrzeug verwendbar, insbesondere einem Kraftfahrzeug, einem Schienenfahrzeug, einem Luftfahrzeug oder einem Wasserfahrzeug.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläu ternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination son dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelemen tes mit einem elektrorheologischen Elastomer;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelemen tes mit einem elektrorheologischen Fluid;

Figur 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelemen tes, das aus einer Mehrzahl von elektrorheologischen Einzelelementen besteht;

Figur 4 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Bedienelementes, das in einer

Oberfläche versenkt ist, im nicht aktivierten Zustand;

Figur 5 eine Ansicht des Bedienelementes gemäß Fig. 5 im aktivierten Zustand, wobei dieses teilweise aus der Oberfläche hervorsteht;

Figur 6 eine schematische Darstellung eines Bedienelementes bestehend aus neun Einzelelementen, wobei jedes Einzelelement zusätzlich einen Schaltbereich aufweist;

Figur 7 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungs gemäßen Bedienelementes, das einerseits als elektrisches Schaltelement verwendbar ist und andererseits ein elektrorheologisches Elastomer auf weist, um durch eine veränderte Haptik mit einem Benutzer kommunizie ren zu können; und

Figur 8 eine vergrößerte Darstellung einer weiteren Ausführung eines erfindungs gemäßen Bedienelementes, das einerseits als elektrisches Schaltelement verwendbar ist und andererseits ein elektrorheologisches Elastomer auf weist, um durch eine veränderte Haptik mit einem Benutzer kommunizie ren zu können, wobei das elektrischen Schaltelement die Kapazitätsverän derung elektronisch auswertet, um einen Schaltvorgang auszulösen.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bedienelementes insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Es handelt sich um ein Bedienelement 10 mit einem elektrorheologischen Elastomer 12 in Form eines Blockes, an dessen beiden En den zwei elektrische Elektroden vorgesehen sind, eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18. Die beiden Elektroden 16, 18 können über eine Treiberanordnung 14 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden. Hierzu ist eine lediglich sche matisch mit 20 angedeutete Spannungsquelle vorgesehen, sowie ein Schalter 22. Es versteht sich, dass die Spannungsquelle 20 üblicherweise eine elektronische Span nungsquelle ist, die eine Gleichspannung oder eine veränderliche Gleichspannung ab gibt und dass der Schalter 22 in der Regel ein elektronischer Schalter ist, der über eine geeignete Steuerung betrieben wird.

Im elektrorheologischen Elastomer 12 sind polarisierbare Teilchen dispergiert, die bei Anlegung eines elektrischen Feldes reversibel polarisiert werden. Hierdurch ergibt sich eine Kontraktion, wie durch die beiden Pfeile 23, 24 in Fig. 1 angedeutet. Auch kann das Elastomer 12 von Haus aus bereits polarisierbar sein.

Da die Elektroden 16, 18 an den Enden des Elastomers 12 angeordnet sind, sollten diese flexibel ausgebildet sein, so dass diese eine Formänderung mitmachen können. Durch die Treiberanordnung 14, die die Spannungsquelle 20 und den Schalter 22 um fasst, kann eine Längenänderung bzw. Querschnittsänderung des Elastomers 12 er reicht werden und/oder eine Veränderung der Steifigkeit. Auch kann eine Vibration er zielt werden.

Es versteht sich, dass das elektrorheologische Elastomer 12 nicht nur in Blockform, wie dargestellt, sondern in nahezu jeder beliebigen Form ausgebildet sein kann, was leicht durch 3D-Druck darstellbar ist. Es kann also beispielsweise eine Hohlstruktur oder eine strukturierte Hohlstruktur mit gleichen oder in unterschiedlichen Einzelelementen vorlie gen.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Bedienelementes in schematischer Darstellung, die insgesamt mit 10a bezeichnet ist. Hier werden, wie auch bei den nachfolgenden Figuren, entsprechende Bezugsziffern für entsprechende Teile verwendet.

Bei der Ausführung gemäß Figur 2 wird anstelle eines elektrorheologischen Elastomers ein elektrorheologisches Fluid 13 verwendet, das in einem Hohlraum eines Elastomers 12 eingeschlossen ist.

Bei Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 16, 18 richten sich die elektrorheologischen (polarisierbaren) Moleküle des Fluides zwischen den Elektroden 16, 18 aus und erzeugen so eine erhöhte Steifigkeit der Anordnung.

Das Bedienelement 10 oder 10a gemäß Fig. 1 bzw. 2 kann Teil eines Schaltelementes sein, mit dem etwa ein elektrischer Schalter betätigt wird. Das Bedienelement 10 bzw. 10a kann also beispielsweise Teil eines mechanischen Stößels sein, mit dem ein elektrischer Schalter betätigt wird. Die Treiberanordnung 14 wird dazu genutzt, um durch eine veränderte Form und/oder Steifigkeit des Elastomers 12 bzw. des Fluides 13 eine variable Haptik zu erzeugen, die von einem Bediener wahrnehmbar ist.

Somit kann an einen Bediener eine Rückmeldung gegeben werden, ob beispielsweise das Bedienelement korrekt getätigt wurde, um eine bestimmte Eingabe zu tätigen. Des Weiteren kann insbesondere eine Vibration des Elastomers 12 bewirkt werden, wobei unterschiedliche Frequenzen, eine unterschiedliche Dauer und/oder eine intermittie rende Ausgabe genutzt werden können, um mit dem Bediener bestimmte Informationen auszu tauschen.

Ferner kann das Bedienelement auch aus einer Mehrzahl von Einzelelementen beste hen, wie in Figur 3 schematisch dargestellt ist.

Das Bedienelement 10b gemäß Fig. 3 besteht beispielhaft aus neun Einzelbedienele menten 26, 27, 28, 29, 30, 31 , 32, 33, 34, die schachbrettartig angeordnet sind. Jedes Einzelbedienelement 26 bis 34 weist eine eigene Treiberanordnung 14 auf und kann einzeln angesteuert werden (Anschlüsse nicht dargestellt).

Auf diese Weise können größere Eingabefelder realisiert werden, beispielsweise wie bei einer Telefontastatur. Mit jedem Einzelbedienelement 26 bis 34 kann ein eigener Schaltvorgang realisiert werden und eine Kommunikation mit einem Benutzer erfolgen, indem eine Formänderung bzw. eine Änderung der Steifigkeit und somit eine verän derte Haptik erzeugt wird, welche von einem Benutzer annehmbar ist.

In den Figuren 4 und 5 ist eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Bedien elementes dargestellt und insgesamt mit 10d bezeichnet. Hierbei ist das Bedienelement 10d in einer Oberfläche 45 eingelassen und innerhalb dieser beweglich. Bei Aktivierung kann, wie etwa in Fig. 5 beispielhaft angedeutet, ein Teil des Bedienelementes 10d' aus der Oberfläche 45 nach außen erhaben hervorstehen.

Fig. 6 zeigt ein weiteres insgesamt mit 10d bezeichnetes Bedienelement, welches aus neun schachbrettartig angeordneten Einzelbedienelementen 26 bis 34 besteht. Jedes Einzelbedienelement 26 bis 34 weist ferner einen Schaltbereich 47 auf, welcher bei ma nueller Aktivierung einen elektrischen Schaltvorgang auslöst. In Abhängigkeit von der vorgegebenen Konstruktion ergibt sich im nicht aktivierten Zustand eine bestimmte Druckpunktcharakteristik, durch welche ein Schaltvorgang bei manueller Betätigung ausgelöst werden kann (Fail-Safe-Betrieb). Im aktivierten Zustand kann einerseits die Schaltcharakteristik verändert werden und andererseits eine Kommunikation mit dem Benutzer, wie vorstehend beschrieben, erreicht werden.

In Fig. 7 ist beispielhaft ein weiteres Bedienelement dargestellt, das insgesamt mit 10e bezeichnet ist. Hierbei handelt es sich um ein Bedienelement, bei dem einerseits ein elektrisches Schaltelement 50 mit zwei Elektroden 16, 49 realisiert ist und das anderer seits mit einem elektrorheologischen Elastomer 12 kombiniert ist, um eine variable Hap tik zu erzeugen.

An einem ersten Ende des elektrorheologischen Elastomers 12 ist eine erste Elektrode 16 vorgesehen, welche einen erhaben nach außen hervorstehenden Schaltbereich 47 aufweist. Daran angrenzend befindet sich eine Zwischenelektrode 49, die über eine Iso lierschicht 51 von der ersten Elektrode 16 elektrisch isoliert ist. Wird der erhaben nach außen hervorstehende Schaltbereich 47 nach innen eingedrückt, so ergibt sich

schließlich ein Kontakt mit der darunterliegenden Zwischenelektrode 49, so dass zwi schen der ersten Elektrode 16 und der Zwischenelektrode 49 ein elektrischer Schaltvor gang erfolgt.

Am anderen Ende des elektrorheologischen Elastomers 12 ist die zweite Elektrode 18 angeordnet. Zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 kann über eine Treiberanordnung ein elektrisches Feld in der vorstehend beschriebenen Weise angelegt werden, um eine Formänderung bzw. Längenänderung oder eine variable Steifigkeit zu erzeugen.

Fig. 8 zeigt schließlich eine Abwandlung der Ausführung gemäß Fig. 7. Das insgesamt mit 10f bezeichnete Bedienelement weist wiederum eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18 auf, zwischen denen ein elektrorheologisches Elastomer 12 einge schlossen ist. Die erste Elektrode 16 weist wiederum einen erhaben nach außen her vorstehenden Schaltbereich 47 auf, der manuell betätigt werden kann.

Im Unterschied zu der Ausführung gemäß Figur 7 wurde jedoch auf die Verwendung ei ner Zwischenelektrode verzichtet. Stattdessen wird mittels der Schalteinrichtung 50 die Kapazität zwischen den beiden Elektroden 16, 17 überwacht. Wird der Schaltbereich 47 eingedrückt, so registriert die Schalteinrichtung 50 eine Veränderung der Kapazität und führt somit einen Schaltvorgang zwischen den beiden Anschlüssen 52, 54 aus. Dabei kann eine galvanische Trennung zwischen den beiden Anschlüssen 52, 54 einerseits und den beiden Elektroden 16, 18 andererseits gewährleistet sein.

Bezuqszeichen

, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f Bedienelement Elastomer

Fluid

Treiberanordnung

Spule

erste Elektrode

zweite Elektrode

Spannungsquelle

Schalter

Pfeil

Pfeil

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzelbedienelement

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Einzeltreiberanordnung

Oberfläche

Schaltbereich

Zwischenelektrode Schaltelement Anschluss

Anschluss