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Die Erfindung betrifft eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Bedienelement, das von einem Benutzer bedienbar ist, und einem Aktor, der mechanisch mit dem Bedienelement gekoppelt ist und der zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung des Bedienelements als haptische Rückmeldung auf das Bedienen des Bedienelements an den Benutzer ansteuerbar ist. Über dies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Bedienvorrichtung.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Bedienvorrichtungen mit entsprechenden Bedienelementen verbaut, mit denen eine haptische Rückmeldung an den Fahrer bzw. an den Bediener ausgegeben werden können. insbesondere bei spaltlosen Bedienflächen, bei denen eine Betätigung nicht sofort ersichtlich ist, ist es von Vorteil, wenn eine entsprechende haptische Rückmeldung ausgegeben wird. Eine solche haptische Rückmeldung kann beispielsweise durch eine mechanische Schwingung des Bedienelements erreicht werden.
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Momentan verwendete Bedienvorrichtungen, die eine haptische Rückmeldung ausgeben können, weisen mehrere Nachteile auf. Beispielsweise können die mechanischen Schwingungen deutlich in die umgebenden Bauteile bzw. die Umgebung einkoppeln. Somit entstehen Vibrationen und/oder akustische Geräusche, die störend auf den Bediener bzw. die Fahrzeuginsassen wirken können. Des Weiteren kann die haptische Rückmeldung bei bekannten Bedienvorrichtungen positionsabhängig sein. Dadurch werden abhängig von der Position unterschiedliche haptische und/oder akustische Charakteristika erzeugt. Um ein haptisches Signal zu erzeugen, das von dem Bediener deutlich wahrgenommen wird, werden oft entsprechende Aktoren mit einem hohen Energiebedarf verwendet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bedienvorrichtung, mit der eine haptische Rückmeldung an den Bediener ausgegeben werden kann, besonders effektiv zu betreiben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bedienvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Demnach wird bereitgestellt eine Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Bedienelement, das von einem Benutzer bedienbar ist, und einem Aktor, der mechanisch mit dem Bedienelement gekoppelt ist und der zum Erzeugen einer mechanischen Schwingung des Bedienelements als haptische Rückmeldung auf das Bedienen des Bedienelements an den Benutzer mit einem Impulssignal ansteuerbar ist, wobei das Impulssignal bandbegrenzt ist und damit die mechanische Schwingung des Bedienelements im Frequenzspektrum auf zumindest einen Frequenzbereich begrenzt ist.
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Der Aktor der Bedienvorrichtung kann mit einem entsprechenden Impulssignal angesteuert werden, welches eine mechanische Schwingung des Aktors und somit des mit dem Aktor gekoppelten Bedienelements mit einer zuvor bestimmten schmalbandigen Frequenz bewirkt. Hierbei kann das Impulssignal so ausgewählt werden, dass die Übertragung von mechanischen Schwingungen an die Umgebung des Bedienelements verhindert bzw. reduziert wird. Somit entstehen keine akustischen Störungen aufgrund von Vibrationen des Gehäuses der Bedienvorrichtung oder benachbarter Bauteile, welche mechanisch mit dem Bedienelement gekoppelt sind. Zudem werden keine störenden mechanischen Vibrationen an andere Bedienelemente der Bedienvorrichtung übertragen. Hierbei ist es ebenso vorgesehen, dass der Aktor der Bedienvorrichtung mit einem entsprechenden Impulssignal angeregt wird, welches sich aus mehreren Frequenzen bzw. Frequenzbändern zusammen setzt. Beispielsweise können zwei schmalbandige Frequenzbereiche gleichzeitig angeregt werden. Die mechanischen Schwingungen des Aktors und somit des Bedienelements sowie die entsprechenden Dämpfungsparameter, welche eine Unterdrückung von unerwünschten Frequenzen bewirken, werden primär durch das Impulssignal eingestellt. Dieses Impulssignal kann beispielsweise mit einem entsprechenden Filter, beispielsweise einem Kammfilter, der die Vielfachen des Signals eliminiert, gefiltert werden.
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Bevorzugt liegt der zumindest eine Frequenzbereich in einem Bereich zwischen 100 und 400 Hz, insbesondere in einem Bereich zwischen 200 und 300 Hz. Die Auswahl des entsprechenden Frequenzbereichs, mit dem der Aktor angesteuert wird, ist an die haptische Empfindlichkeit des Menschen angepasst. Der Mensch kann haptische Rückmeldungen im Frequenzbereich zwischen 200 und 300 Hz besonders gut wahrnehmen. Wenn der Aktor der Bedienvorrichtung mit einem Impulssignal in diesem Frequenzbereicht betrieben wird, kann die Amplitude des Ansteuerungssignals reduziert werden und somit der Aktor mit einer geringeren Leistung betrieben werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bedienelement derart ausgebildet, dass ein Wert einer Frequenz zumindest einer mechanischen Schwingungsmode des Bedienelements in dem zumindest einen Frequenzbereich liegt. Um die haptische Rückmeldung des Bedienelements zu verbessern bzw. weiter zu konzentrieren, können zudem die mechanischen Schwingungseigenschaften des Bedienelements angepasst werden. Hierbei können die mechanischen Schwingungsmoden bzw. die Resonanzfrequenzen des Bedienelements an die Werte der Frequenzen angepasst werden, mit denen der Aktor angeregt wird. Ebenso können mehrere Schwingungsmoden des Bedienelements angeregt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die mechanischen Schwingungseigenschaften des Bedienelements derart ausgebildet sind, dass die Frequenzen der einzelnen Schwingungsmoden einen deutlichen Abstand zueinander aufweisen. Wird das Bedienelement beispielsweise in einem Frequenzbereich zwischen 100 und 400 Hz angeregt, so sollten die Abstände der Frequenzen der einzelnen Schwingungsmoden beispielsweise größer als 50 Hz sein. Auf diese Weise können Fertigungstoleranzen des Bedienelements bzw. dessen mechanischer Aufhängung besonders effektiv ausgeglichen werden und zudem kann eine Anregung der anderen Schwingungsmoden verhindert werden.
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Eine entsprechende Abstimmung der mechanischen Schwingungsmoden des Bedienelements kann beispielsweise durch die lokale Variation der Steifigkeit und der Masse des Bedienelements erreicht werden. Dies kann z. B. durch einen Schichtaufbau (Sandwich) mehrerer Materialien erreicht werden. Hierbei ist zu beachten, dass eine Erhöhung der Dicke des mechanisch schwingenden Teils des Bedienelements sowohl einen Einfluss auf die Masse als auch auf die Steifigkeit des Bedienelements hat. Um dies auszugleichen, können Materialien mit unterschiedlichen Materialeigenschaften verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, an dem Bedienelement durch eine entsprechende mechanische Bearbeitung Rippen bzw. Abdünnungen vorzusehen. Auf diese Weise kann die Steifigkeit des Bedienelements unabhängig von der Masse verändert werden und somit können auf einfache Weise die Schwingungsmoden des Bedienelements angepasst werden. Eine andere Möglichkeit, um die Frequenz der Schwingungsmoden des Bedienelements zu beeinflussen, insbesondere zu senken, besteht darin, die Masse des Aktors selbst zu verringern. Zudem kann die mechanische Lagerung bzw. die Wahl der Befestigungspunkte des Bedienelements entsprechend angepasst werden. Die Lagerung des Bedienelements kann hierzu fest, beweglich, oder mit einem oder mehreren Freiheitsgraden vorgesehen werden. Zudem können entsprechende Fügestellen optimiert werden oder entsprechende Verbindungen, wie beispielsweise Klebeverbindungen oder Schweißverbindungen, entsprechend angepasst werden.
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Auf diese Weise können sowohl die Frequenz des Signals, mit der der Aktor angeregt wird, als auch die Schwingungsmoden des Bedienelements aufeinander abgestimmt werden, um eine Übertragung von unerwünschten mechanischen Schwingungen an die Umgebung zu vermeiden. Zudem kann durch die Auswahl der mechanischen Schwingungsmoden des Bedienelements eine Reduzierung der akustischen Störungen, welche beispielsweise durch luftinduzierten Körperschall erzeugt werden, verringert werden. Hierbei hat es sich gezeigt, dass gerade Schwingungsmoden schwächer in die umgebende Luft einkoppeln als ungerade Schwingungsmoden. Daher werden bevorzugt gerade Schwingungsmoden des Bedienelements angeregt.
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Bevorzugt weist die Bedienvorrichtung zumindest ein Kopplungselement zur Dämpfung einer Übertragung der mechanischen Schwingung des Bedienelements an eine Umgebung des Bedienelements auf. Um die Übertragung von mechanischen Schwingungen zusätzlich zu verringern, kann ein entsprechendes Kopplungselement bzw. mehrere Kopplungselemente in die Bedienvorrichtung integriert werden. Dieses Kopplungselement ist bevorzugt so ausgebildet, dass mechanische Schwingungen in einem Frequenzbereich, der dem Frequenzbereich entspricht, mit dem der Aktor angesteuert wird, nicht übertragen werden. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Auslegung der mechanischen Dämpfungseigenschaften des Kopplungselements erreicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist mit der Bedienvorrichtung ein akustisches Signal ausgebbar. Zur Verstärkung des Wahrnehmungseffekts der Rückmeldung kann zusätzlich zu der haptischen Rückmeldung in Form einer mechanischen Schwingung ein akustisches Signal ausgegeben werden. Hierbei kann das akustische Signal beispielsweise durch das Bedienelement selbst erzeugt werden. Hierzu kann das Impulssignal, mit dem der Aktor angeregt wird, entsprechend angepasst werden. Ebenso ist es denkbar, ein akustisches Signal mit einer separaten Einrichtung, beispielsweise einem Lautsprecher, zu erzeugen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aktor ein elektromagnetischer, ein elektrostatischer oder ein piezoelektrischer Aktor. Die Schwingung, die mit dem Aktor erzeugt wird, wird bevorzugt in vertikaler Richtung ausgeführt. Ebenso ist es denkbar, dass mit dem Aktor eine horizontale Schwingung erzeugt wird.
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Schließlich wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren zum Betreiben einer Bedienvorrichtung für ein Kraftfahrzeug durch Bedienen eines Bedienelements durch den Benutzer und Erzeugen einer mechanischen Schwingung des Bedienelements durch die Bedienvorrichtung als haptische Rückmeldung auf das Bedienen des Bedienelements an den Benutzer, wobei die mechanische Schwingung des Bedienelements im Frequenzspektrum auf zumindest einen Frequenzbereich begrenzt wird.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Betreiben einer Bedienvorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung der akustischen Abstrahlungen einer Bedienvorrichtung;
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3a eine schematische Darstellung der akustischen Abstrahlung einer Bedienvorrichtung, die mit einem breitbandigen Impuls angelegt wird;
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3b eine schematische Darstellung der akustischen Abstrahlung einer Bedienvorrichtung, die mit einem bandbegrenzten Signal angeregt wird; und
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4 eine schematische Darstellung einer Bedienvorrichtung die über ein Kopplungselement mit der Umgebung gekoppelt ist.
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Die nachfolgen näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung die einzelnen Schritte eines Verfahrens Zum Betreiben einer Bedienvorrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug. Hierbei weist eine Bedienvorrichtung 10 eine Mehrzahl von Bedienelementen 12 auf. Unter Bedienelement 12 kann ein entsprechender Knopf, ein Taster, ein Schalter oder dgl. verstanden werden. Ebenso kann das Bedienelement 12 in einer geschlossenen Bedienfläche, wie z. B. einem Touchscreen, integriert sein. Zunächst muss das entsprechende Bedienelement 12 der Bedienvorrichtung 10 von dem Benutzer aufgefunden werden. Zu diesem Zweck bewegt der Benutzer seinen Finger 14 über die einzelnen Bedienelemente 12 der Bedienvorrichtung 10. Hierbei ist es sinnvoll, eine entsprechende suchhaptische Rückmeldung, beispielsweise durch Ertasten der Oberfläche bzw. durch Fixierung des Fingers 14 an der Oberfläche vor der Betätigung des Bedienelements 12, zu ermöglichen. Dazu kann der Finger 14 zunächst auf das Bedienelement 12 aufgelegt werden, ohne dass das Bedienelement 12 dabei betätigt wird. Das des Bedienelements 12 kann durch eine initiale makroskopische Bewegung des Bedienelements 12 erreicht werden. Zu diesem Zweck kann der Bediener mit seinem Finger 14 einen mechanischen Druck auf das Bedienelement 12 ausüben. Dies ist in 1 durch den Pfeil 16 veranschaulicht. Hierbei ist es ebenso denkbar, dass das Bedienen des Bedienelements 12 ohne initiale makroskopische Bewegung des Fingers 14 ausgeführt wird. Dann wird durch jede Berührung des Bedienelements 12 das Bedienelement 12 ausgelöst bzw. bedient. Hierbei ist allerdings kein suchhaptisches Abtasten möglich.
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Als Bestätigung der Bedienung des Bedienelements 12 wird durch die Bedienvorrichtung 10 ein entsprechender mechanischer Impuls in Form einer mechanischen Schwingung an das Bedienelement 12 und dadurch an den Finger 14 übertragen. Dies kann beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Aktor erfolgen, der in der Bedienvorrichtung 10 angeordnet ist und der mechanisch mit dem Bedienelement 12 gekoppelt ist. Ein solcher Aktor kann beispielsweise ein elektrostatischer, ein elektromagnetischer oder ein piezoelektrischer Aktor sein. Der Aktor kann so ausgebildet sein, dass er entweder eine horizontale oder eine vertikale Bewegung bzw. Schwingung ausführen kann. Ein solcher Aktor wird entsprechend mit einem Impulssignal angesteuert, so dass eine mechanische Schwingung an das Bedienelement 12 als haptische Rückmeldung auf das Bedienen des Bedienelements 12 an dem Benutzer erzeugt wird.
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Mechanische Schwingungen bzw. der mechanische Impuls, der von dem Aktor an das Bedienelement 12 und somit an einen Finger 14 übertragen wird, ist in 1 schematisch durch die Darstellung des Signalverlaufs 18 eines solchen Impulses dargestellt.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung, die akustische Abstrahlung an die Umgebung, die bei einer Bedienvorrichtung 10 mit einem Bedienelement 12 auftreten kann. In 2 ist eine die Bedienvorrichtung 10 umgebende Komponente 20 dargestellt. Um eine haptische Rückmeldung an den Benutzer bzw. an dessen Finger 14 zu erzeugen, wird zunächst ein hier nicht dargestellter Aktor mit einem Impulssignal angesteuert. Die mechanische Schwingung des Aktors, der mechanisch mit dem Bedienelement 12 gekoppelt ist, wird an das Bedienelement 12 übertragen. Die mechanische Schwingung des Bedienelements 12 kann an die umgebende Komponente 20 übertragen werden. Dies ist in 2 durch die Linie 22 dargestellt. Dies kann zu Vibrationen der umgebenden Komponente 20 und somit zu akustischen Störungen führen. Eine solche mechanische Schwingung oder akustische Störung die von dem Bedienelement 12 an die umgebende Komponente 20 übertragen wird, kann sich beispielsweise in einem Vibrieren oder Rattern der Komponente 20 zeigen. Ebenso können die mechanischen Schwingungen des Bedienelements 12 als Schall oder akustische Signal an die Umgebung der Bedienvorrichtung 10 übertragen werden. Dies ist in 2 schematisch durch die Linie 24 dargestellt. Die akustische Abstrahlung an die Komponente 20 bzw. an die Umgebung soll möglichst vermieden werden. Eine vorbestimmte akustische Abstrahlung des Bedienelements 12 kann allerdings gewünscht sein. Hierbei saute das akustische Signal möglichst unauffällig sein und nicht störend wirken. Dieses akustische Signal ist in 2 schematisch durch die Linie 26 dargestellt. Auf diese Weise kann beispielsweise zusätzlich zu der haptischen Rückmeldung mit dem Bedienelement 12 ein akustisches Signal erzeugt werden, welches die Wahrnehmung verstärken kann.
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3a zeigt eine Bedienvorrichtung 10 mit einem Bedienelement 12, wobei hier ein nicht dargestellter Aktor mit einem breitbandigen Impulssignal 28 angeregt wird. Ein solches breitbandiges Impulssignal 28 beinhaltet viele Einzelfrequenzen mit abnehmender Amplitude. Wird der Aktor der Bedienvorrichtung 10 mit einem solchen Impulssignal 28 angeregt, können alle Bauteile der Bedienvorrichtung mit einer breitbandigen mechanischen Schwingung angeregt werden. Dies führt dazu, dass zusätzlich zu der akustischen Abstrahlung des Bedienelements 12 selbst, die in 3a mit dem Pfeil 30 dargestellt ist, eine mechanische Schwingung des Gehäuses welche eine akustische Abstrahlung bewirkt, die in 3a durch den Pfeil 32 dargestellt ist, und die akustische Abstrahlung in die Umgebung, welche in 3b durch den Pfeil 34 dargestellt ist, erzeugt wird. Die akustische Abstrahlung, die von der Schwingung des Gehäuses erzeugt wird, und die akustische Abstrahlung, die in die Umgebung eingekoppelt wird, kann störend auf den Bediener bzw. die anderen Fahrzeuginsassen wirken.
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Erfindungsgemäß wird der Aktor der Bedienvorrichtung nicht mit einem breitbandigen Impuls angeregt, sondern mit einem gefilterten bandbegrenztem Impulssignal 36. In 3b ist ein solches bandbegrenztes Impulssignal 36 exemplarisch dargestellt. Durch ein solches Impulssignal 36 kann erreicht werden, dass bevorzugt nur eine akustische Abstrahlung des Bedienelements 12 erzeugt wird. Diese ist in 3b durch den Pfeil 30 dargestellt. Akustische Abstrahlungen, die aufgrund von mechanischen Schwingungen des Gehäuses erzeugt werden, und akustische Abstrahlungen an die Umgebung entstehen hierbei nicht bzw. werden stark verringert. Dies ist in 3b schematisch durch das Kreuz 38 dargestellt. Das Bedienelement 12 wird bevorzugt mit einem Impulssignal 36, angesteuert, dessen Frequenzbereich in einem Bereich zwischen 100 und 400 Hz, insbesondere in einem Bereich zwischen 200 und 300 Hz, liegt. In diesem Frequenzbereich kann der Mensch haptische Rückmeldungen besonders gut wahrnehmen.
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Zusätzlich zur Anpassung des Impulssignals 36, mit der Aktor angesteuert wird, können die mechanischen Schwingungseigenschaften des Bedienelements 12 angepasst werden. Eine oder mehrere mechanische Schwingungsmoden des Bedienelements 12 können an den Frequenzbereich angepasst werden, mit dem der Aktor angesteuert wird. Zu diesem Zweck können die Masse und die mechanische Steifigkeit des Bedienelements 12 entsprechend ausgelegt werden. Dies kann z. B. durch die Auswahl des Materials, durch einen Schichtaufbau mehrerer Materialien oder durch eine mechanische Bearbeitung des Bedienelements 12 erreicht werden. Ebenso kann die mechanische Aufhängung bzw. Befestigung des Bedienelements 12 angepasst werden. Somit kann mit dem Bedienelement 12 besonders effektiv eine haptische Rückmeldung erzeugt werden und störende Vibrationen und akustische Abstrahlungen werden vermindert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Bedienvorrichtung 10, die über ein Kopplungselement 40 an eine umgebende Komponente 20 gekoppelt ist. Hierbei ist das Kopplungselement 40 so ausgebildet, dass die mechanischen Schwingungen der Bedienvorrichtung 10 bzw. des Bedienelements 12 gedämpft werden. Insbesondere sollen die Frequenzen, mit denen das Bedienelement 12 betrieben wird, nicht an die umgebende Komponente 20 übertragen wird. Zu diesem Zweck können die Dämpfungseigenschaften des Kopplungselements 40 durch eine entsprechende Materialauswahl und/oder eine entsprechende Formgebung angepasst werden.
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Durch die zuvor beschriebene Bedienvorrichtung 10 kann aus der Summe der Einzelmaßnahmen als Ergebnis eine gleichförmige und hochwerte Bedienhaptik erreicht, welche zudem eine angenehme Akustik aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bedienvorrichtung
- 12
- Bedienelement
- 14
- Finger
- 16
- Pfeil
- 18
- Darstellung
- 20
- Komponenten
- 22
- Linie
- 24
- Linie
- 26
- Linie
- 28
- Impuls
- 30
- Pfeil
- 32
- Pfeil
- 34
- Pfeil
- 36
- Impulssignal
- 38
- Kreuz
- 40
- Kopplungselement