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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft, mit einer Messeinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer Ruhelage, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft, wobei als eine Messgröße eine Detektionsposition bestimmt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
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Aus der
DE 10 2017 223 731 A1 ist ein elektrooptischer Touchscreen mit integrierter Drucksensierung bekannt, wobei die Lage des elektrooptischen Touchscreens zu einer Referenzfläche durch Aufbringen einer Kraft auf seine Oberfläche veränderbar ist. Eine Sensierungsvorrichtung ist hierbei kapazitativ ausgestaltet und weist eine Elektrode auf.
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Aus der
DE 10 2018 115 220 A1 geht ein Betätigungsmodul für ein Kraftfahrzeug hervor, welches ein Trägerelement und ein Gehäuse aufweist, welche mit mindestens einem Rückstellelement miteinander verbunden sind. Das Betätigungsmodul weist dabei eine Sensoreinheit, welche als Lichtsensor ausgebildet sein kann, auf, welche eine zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse wirkende Kraft und/oder eine Annäherung zwischen dem Trägerelement und dem Gehäuse detektiert.
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Die WO 2017 / 174 097 A1 offenbart eine Bedienvorrichtung für ein elektronisches Haushaltsgerät mit einer Abdeckplatte, welche eine einem Benutzer zugewandte Benutzerseite aufweist.
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Aus der
US 9 588 616 B2 sind freitragende Verschiebungssensoren mit einer erhöhten Verschiebungssensitivität bekannt.
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Aus dem Stand der Technik sind demnach Kraftmessvorrichtungen bekannt, mittels derer Kräfte bestimmt werden, welche von einem Bediener auf ein Touchpad ausgeübt werden.
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Zweck einer solchen Kraftmessung ist dabei insbesondere, zwischen Kraftausübungen mit und ohne Bedienabsicht zu unterscheiden und in ersterem Falle eine Übermittlung eines Rückmeldesignals an den Bediener zu senden. Eine derartige Kraftrückmeldung an den Bediener dient beispielsweise dazu, diesem zu signalisieren, dass eine Kraft einer gewissen Mindestgröße und somit eine eventuell vorhandene Bedienabsicht von einer mit der Bedienoberfläche verknüpften Bedieneinrichtung wahrgenommen wurde.
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Eine solche Kraftrückmeldung, beziehungsweise englisch Force-Feedback, wird häufig durch eine unmittelbar an einen Bedienvorgang anschließende mechanische Beschleunigung und/oder Vibration der Bedienoberfläche realisiert. Hierdurch wird dem Bediener ein taktiler bzw. haptischer Reiz, beispielsweise über nach dem Bedienvorgang noch auf der Bedienoberfläche befindliche Fingerkuppen, übermittelt.
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Die Kraftmessung selbst basiert häufig auf einer Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer Ruhelage, wobei eine Feder einerseits mit der Bedienoberfläche und andererseits mit einem Basisbereich zumindest mittelbar verbunden ist. Wird eine bestimmte Kraft auf die Bedienoberfläche ausgeübt, ergibt sich daher je nach Parametern eines vorherrschenden Federgesetzes eine bestimmte Auslenkung der Bedienoberfläche aus der Ruhelage. Diese Auslenkung kann dann mittels geeigneter Sensoren zur Abstandsbestimmung bestimmt werden. Bei Kenntnis eines charakteristischen Kraft-Auslenkungsgesetzes der Feder kann aus der Auslenkung eine Kraft bestimmt werden, von der anzunehmen ist, dass sie der Auslenkung zugrunde gelegen hat.
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Um bei dem Bediener einen Eindruck mangelnder Stabilität und damit mangelnder Wertigkeit der Bedienoberfläche zu vermeiden, werden häufig sehr steife Federn verwendet. Derartige steife Federn zeigen selbst bei relativ hohen ausgeübten Kräften lediglich eine geringe Auslenkung. Da solche geringen Auslenkungen für ihn nur schlecht wahrnehmbar sind, kann der Bediener nicht mehr anhand der Auslenkung bzw. des Nachgebens der Bedienoberfläche als Reaktion auf die durch ihn selbst ausgeübte Kraft entscheiden, ob eine Bedienung mit einer ausreichenden Kraft stattgefunden hat. Hierdurch kann eine Übermittlung des beschriebenen Force-Feedback-Signals umso notwendiger werden.
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So werden üblicherweise Federn verwendet, die bei einer ausgeübten Kraft von wenigen Newton Auslenkungen von weniger als einem Millimeter bzw. Bruchteilen eines Millimeters erlauben.
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Die Bedienoberfläche ist im Stand der Technik üblicherweise an einem Bediengrundkörper so angeordnet, dass die Bedienoberfläche für den Bediener zugänglich und einsehbar ist.
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Üblicherweise verwendete Messeeinrichtungen zur Bestimmung der Auslenkung der Bedienoberfläche sind derart aufgebaut, dass ein Abstand zwischen einem an dem Bediengrundkörper angeordneten Referenzbereich und dem Basisbereich gemessen wird. Befindet sich die Bedienoberfläche bzw. der Bediengrundkörper in der Ruhelage, so kann ein Ruhelagenabstand gemessen werden. Wird ein anderer Abstand als der Ruhelagenabstand gemessen, so entspricht die Differenz zwischen dem gemessenen Abstand und dem Ruhelagenabstand der Auslenkung der Bedienoberfläche aus der Ruhelage. Der Basisbereich kann hierbei an einem die Bedienoberfläche umgebenden und diese aufnehmenden festen Bauraum, beispielsweise in einer Fahrzeuginnenverkleidung, angeordnet sein. Insbesondere kann der Basisbereich dadurch charakterisiert werden, dass sich die Bedienoberfläche bei einer Bedienung relativ zu dem Basisbereich bewegt.
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Bei einer aus dem Stand der Technik optischen Abstandsbestimmung wird Licht unter einem Winkel auf eine reflektierende Oberfläche eingestrahlt. Die Lage des reflektierten Lichts wird mit einem Detektor ermittelt und beispielsweise mittel Triangulation kann auf einen Abstand zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem Detektor ermittelt.
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Nachteilig am Stand der Technik ist daher, dass sich die im Stand der Technik aus Gründen eines Produktdesigns durchaus gewünschten geringen Auslenkungen der Bedienoberfläche durch vorhandene, für den praxistauglichen Einsatz, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, geeignete Messeinrichtungen messtechnisch unter Umständen schlecht erfassen lassen. Hierdurch ist auch die Bestimmung der auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft mit signifikanten Unsicherheiten belegt. Zur Erhöhung der Verlässlichkeit der Messung ist daher häufig eine kompliziertere Datenaufbereitung nötig, da das Signal-zu-Rausch-Verhältnis sehr gering ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübte Kraft zu schaffen, die eine einfache und zugleich präzise Messung der auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft weist eine Messeinrichtung zur Messung einer Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer Ruhelage auf, wobei die Messeinrichtung eine wenigstens einen Lichtstrahl aussendende Sendeeinrichtung, eine den wenigstens einen Lichtstrahl ablenkende Ablenkungseinrichtung sowie eine den wenigstens einen Lichtstrahl detektierende Detektionseinrichtung zur Bestimmung einer Detektionsposition des wenigstens einen Lichtstrahls umfasst. Hierbei ergibt sich die Auslenkung der Bedienoberfläche aus einer durch die ausgeübte Kraft bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche und andererseits mit einem Basisbereich verbundenen Feder. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Umrechnungseinrichtung zum Bestimmen der auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft aus einer Detektionsauslenkung der Detektionsposition aus einer Detektionsruhelage auf. Ferner ist vorgesehen, dass die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung der Bedienoberfläche genau eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruheorientierung ergibt. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit eine Ablenkungseinrichtung vorgesehen, welche den Lichtstrahl der optisch wirkenden Messeinrichtung derart ablenkt, dass der Lichtstrahl aufgrund der Ablenkung seine Auftreffposition auf der Detektionseinrichtung verändert. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Ablenkungseinrichtung verkippt wird und hierdurch die Auftreffposition des Lichtstrahls auf der Detektionseinrichtung verändert wird. Durch den einfachen und kompakten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine einfache und zugleich präzise Kraftmessung ermöglicht.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Feder eine Blattfeder ist, welche eine Kröpfung aufweist, wobei die Ablenkungseinrichtung in einem Bereich der Kröpfung angeordnet ist. Durch die Ausbildung der Feder als Blattfeder mit einer Kröpfung ist eine Anordnung der Ablenkungseinrichtung, welche zu einer Verkippung der Ablenkungseinrichtung führt auf besonders einfache Weise möglich. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung als reflektierender Bereich an der Kröpfung selbst ausgeführt ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Feder und die Ablenkungseinrichtung derart ausgebildet sind und/oder die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung der Bedienoberfläche genau eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruheorientierung derart ergibt, dass sich eine Detektionsauslenkung ergibt, welche verglichen mit einer Detektionsauslenkung ohne die Verkippung der Ablenkungseinrichtung verstärkt ist. Eine Verstärkung der Detektionsauslenkung durch die Verkippung der Ablenkungseinrichtung ermöglicht eine vorteilhaft einfache und präzise Messung der Auslenkung der Bedienoberfläche, da die Detektionsposition bei einer derart verstärkten Detektionsauslenkung besonders zuverlässig zu ermitteln ist. Bei der Vorrichtung ist somit eine als optischer Auslenkungsverstärker wirkende Ablenkungseinrichtung an der Feder angeordnet. Dabei ist die Ablenkungseinrichtung an der Feder dergestalt angeordnet, dass bei einer bestimmten Auslenkung eines Bediengrundkörpers die Detektionsposition eine im Vergleich zu der verkippungsfreien, aufgrund eines Triangulationsprinzips zu erwartende, Detektionsauslenkung ohne Verkippung der Ablenkungseinrichtung verstärkte Detektionsauslenkung vollzieht. Als verstärkt ist die Detektionsauslenkung dabei zu bezeichnen, wenn eine differenzielle Änderung der Detektionsauslenkung bei einer differenziellen Variation der ausgeübten Kraft innerhalb eines messbaren Bereichs an ausgeübter Kraft größer als oder zumindest gleich einer differenziellen Änderung der verkippungsfreien Detektionsauslenkung ist. In anderen Worten soll die Ableitung der Detektionsauslenkung nach der Kraft innerhalb eines zur Messung vorgesehenen Kraftbereiches stets größer oder gleich der Ableitung der verkippungsfreien Detektionsauslenkung nach der Kraft sein. Der Vorteil einer derartigen Auslenkungsverstärkung ergibt sich daraus, dass sich für verschiedene ausgeübte Kräfte für die korrespondierenden Detektionsauslenkungen größere Unterschiede ergeben als für die korrespondierenden verkippungsfreien Detektionsauslenkung. Diese größeren Unterschiede lassen sich auch durch gängige, praxisrelevante Detektionseinrichtungen, welche insbesondere zum Einbau in Kraftfahrzeugen tauglich sind, gut bestimmen. Weiterhin stellt eine derartige Auslenkungsverstärkung eine verhältnismäßig einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Erhöhung einer Messgenauigkeit der Vorrichtung dar. Unter Beibehaltung einer hohen Steifigkeit eines Touchscreens kann also eine Genauigkeit der Kraftmessung erhöht bzw. die Messtechnik vereinfacht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass sich durch eine Auslenkung der Bedienoberfläche genau eine Auslenkung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruhelage ergibt, die verglichen mit der Auslenkung der Bedienoberfläche gleich groß oder weniger groß ist. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Verkippung der Ablenkungseinrichtung dadurch, dass die Ablenkungseinrichtung selbst aus ihrer Ruhelage nur sehr gering oder auch gar nicht ausgelenkt werden muss, sondern nur verkippt wird. Hierdurch kann eine vorteilhaft steife Feder verwendet werden, was zu einem vorteilhaft geringen elastischen Verhalten der Bedienoberfläche führt. Insbesondere wird für eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung weit weniger Bauraum benötigt als beispielsweise für eine mechanische Auslenkungsverstärkung.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Länge der Kröpfung höchstens dem Dreifachen einer maximalen Auslenkung der Bedienoberfläche entspricht. Durch eine Beschränkung der Länge der Kröpfung auf das höchstens dreifache der maximalen Auslenkung der Bedienoberfläche kann eine vorteilhaft starke Verkippung der Ablenkungseinrichtung bei gleichzeitig nur geringer Auslenkung der Bedienoberfläche erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung als Spiegel ausgebildet ist. Eine Verwendung eines Spiegels als Ablenkungseinrichtung hat den Vorteil, dass der Lichtstrahl besonders präzise bzw. besonders wenig diffus reflektiert wird. Hierdurch kann eine vorteilhaft präzise Bestimmung der Detektionsposition ermöglich werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung einer auf einer Bedienoberfläche ausgeübten Kraft mit den in Anspruch 6 angegebenen Merkmalen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung einer auf eine Bedienoberfläche ausgeübten Kraft wird als eine Messgröße eine Detektionsauslenkung einer Detektionsposition aus einer Detektionsruhelage bestimmt. Hierbei ergibt sich die Detektionsauslenkung aus einer durch die ausgeübte Kraft bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche und andererseits mit einem Basisbereich verbundenen Feder. Es wird weiterhin ein Lichtstrahl von einer Sendeeinrichtung ausgehend von einer Ablenkungseinrichtung abgelenkt und von einer Detektionseinrichtung detektiert. Hierbei wird die Detektionsauslenkung des Lichtstrahls von der Detektionseinrichtung wenigstens eindimensional ortsaufgelöst bestimmt und die auf die Bedienoberfläche ausgeübte Kraft wird aus der gemessenen Detektionsauslenkung mittels einer Umrechnungseinrichtung bestimmt. Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Ablenkungseinrichtung an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet ist, dass durch eine elastische Verformung der Feder eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung aus einer Ruheorientierung eingestellt wird, wobei die Verkippung eine Verstärkung der Detektionsauslenkung, verglichen mit einer Detektionsauslenkung ohne Verkippung, bewirkt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Ortsbestimmung der Wirkung der ausgeübten Kraft auf die Bedienoberfläche durchgeführt wird. Eine beabsichtigterweise auf die Bedienoberfläche ausgeübte Kraft kann von einer unbeabsichtigterweise auf die Bedienoberfläche ausgeübte Kraft dadurch unterschieden werden, dass von der beabsichtigterweise auf die Bedienoberfläche ausgeübten Kraft angenommen werden kann, dass sie an Orten der Bedienoberfläche ausgeübt wird, welche durch ein grafisches Signal dem Bediener als Tastenelement erkennbar sind. Hierdurch können irrelevante Kräfte ignoriert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass mittels eines Kalibrierverfahrens jeder ausgeübten Kraft genau eine Detektionsauslenkung zugeordnet wird. Da ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Auslenkung der Bedienoberfläche und der Detektionsauslenkung unter Umständen nicht konstant sein kann und ein Zusammenhang zwischen ausgeübter Kraft und der Auslenkung der Bedienoberfläche unter Umständen nicht linear sein kann, kann es von Vorteil sein, einen Zusammenhang zwischen ausgeübter Kraft und der Detektionsauslenkung empirisch zu bestimmen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der gemessenen Detektionsauslenkung die Bedienoberfläche derart beschleunigt wird, dass einem Bediener eine Kraftrückmeldung gegeben wird. Eine derartige Kraftrückmeldung verdeutlicht dem Bediener vorteilhafter Weise, dass dieser eine Kraft auf die Bedienoberfläche ausgeübt hat.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen prinzipmäßig dargestellt.
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Es zeigt
- 1 eine Seitensicht einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 3 eine Seitensicht einer weiteren möglichen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt prinzipmäßig eine Seitenansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung 1. Eine Bedienoberfläche 2 ist auf einem Bediengrundkörper 3 angeordnet. Eine auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübte Kraft 4 führt zu einer Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 aus ihrer Ruhelage 6. Die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 aus ihrer Ruhelage 6 ist mittels einer Messeinrichtung 7 messbar. Die Messeinrichtung 7 umfasst hierbei eine wenigstens einen Lichtstrahl 8 aussendende Sendeeinrichtung 9, eine den wenigstens einen Lichtstrahl 8 ablenkende Ablenkungseinrichtung 10 sowie eine den wenigstens einen Lichtstrahl 8 detektierende Detektionseinrichtung 11. Mittels der Detektionseinrichtung 11 kann eine Detektionsposition 12 des wenigstens einen Lichtstrahls 8 bestimmt werden. Hierbei ergibt sich die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 aus einer durch die ausgeübte Kraft 4 bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche 2 und andererseits mit einem Basisbereich 13 verbundenen Feder 14.
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Darüber hinaus ist eine Umrechnungseinrichtung 15 zum Bestimmen der auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübten Kraft 4 aus einer Detektionsauslenkung 16 der Detektionsposition 12 aus einer Detektionsruhelage 17 als Teil der Vorrichtung 1 vorgesehen. Mittels der Umrechnungseinrichtung 15 kann durch beispielsweise Triangulation aus der Detektionsauslenkung 16 die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 berechnet werden.
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2 zeigt prinzipmäßig eine Seitenansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Ablenkungseinrichtung 10 ist in der vorliegenden Ausführungsform an der Feder 14 derart angeordnet, dass sich durch eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 genau eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruheorientierung 19 ergibt.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinrichtung 9 als Infrarot-Diode, bzw. IR-Diode, ausgebildet, wodurch der Lichtstrahl 8 als IR-Strahl ausgebildet ist. Alternativ können andere Wellenlängen verwendet werden.
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Die Sendeeinrichtung 9 kann in einer anderen Ausführungsform beispielsweise als andersartige lichtemittierende Diode und/oder als Laser ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Sendeeinrichtung 9 eine Kollimationseinrichtung umfasst, welche von der Sendeeinrichtung 9 ausgehendes Licht zu einem Lichtstrahl 8 bündelt. Die Kollimationseinrichtung kann hierbei beispielsweise durch eine oder mehrere Linsen ausgebildet sein. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass von der Sendeeinrichtung 9 ausgehendes Licht durch eine andere Optik und/oder eine Blende gerichtet wird.
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Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Messeinrichtung 7 von Licht aus einer Umgebung abgeschirmt ausgebildet ist. Durch eine Vermeidung von Streulicht kann ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Signals des Lichtstrahls 8 auf der Detektionseinrichtung 11 und damit die Bestimmung der Detektionsposition 12 vorteilhaft verbessert werden.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn Bauteile der Vorrichtung 1, welche in der Nähe des Lichtstrahls 8 angeordnet sind, gering lichtreflektierend sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Bauteile beispielsweise diffus reflektierend und/oder lichtabsorbierend ausgebildet sind. Hierdurch kann die Bestimmung der Detektionsposition 12 durch eine Vermeidung unerwünschter Lichtreflexe vorteilhaft verbessert werden.
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Zur Bestimmung der Detektionsposition 12 kann vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung 11 einen Massenmittelpunkt, bzw. englisch center-ofmass, der Lichtintensitätsverteilung auf der Detektionseinrichtung 11 bestimmt. Hierdurch kann die Detektionsposition 12 vorteilhaft robust und rechnerisch wenig aufwendig bestimmt werden.
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Wie aus einem Vergleich der 1 und der 2 ersichtlich, sind die Feder 14 und die Ablenkungseinrichtung 10 derart ausgebildet und die Ablenkungseinrichtung ist an der Feder wenigstens mittelbar derart angeordnet, dass sich durch eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 genau eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruheorientierung 19 derart ergibt, dass sich eine Detektionsauslenkung 16 ergibt, welche verglichen mit einer Detektionsauslenkung ohne die Verkippung der Ablenkungseinrichtung 10 verstärkt ist.
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Ferner ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel die Ablenkungseinrichtung 10 an der Feder 14 wenigstens mittelbar derart angeordnet, dass sich durch eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 genau eine Auslenkung 20 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruhelage 21 der Ablenkungseinrichtung 10 ergibt, die verglichen mit der Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 gleich groß oder weniger groß ist.
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Die Auslenkung 20 der Ablenkungseinrichtung 10 ist hierbei beispielsweise der Abstand der Position des Schwerpunkts der Ablenkungseinrichtung 10 von dessen Ruhelage 21.
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Dadurch, dass sich genau eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 ergibt, ist eine eindeutige Zuordnung jeder Detektionsauslenkung 16 zu jeder Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 möglich
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Ferner ist aus 2 ersichtlich, dass die Feder 14 eine Blattfeder ist, welche eine Kröpfung 22 aufweist, wobei die Ablenkungseinrichtung 10 in einem Bereich der Kröpfung 22 angeordnet ist.
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Ferner beträgt in vorliegendem Ausführungsbeispiel die Länge der Kröpfung 22 weniger als das Dreifache der maximalen Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2. Die maximale Auslenkung ist dabei diejenige Auslenkung 5, von welcher angenommen werden kann, dass sie bei beabsichtigter Kraftausübung auf die Bedienoberfläche 10 in weniger als 5 Prozent der Fälle überschritten wird.
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3 zeigt eine weitere prinzipmäßige Ansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierbei fallen die Sendeeinrichtung 9 und die Ablenkungseinrichtung 10 zusammen. Der Lichtstrahl 8 wird hierbei direkt von der Sendeeinrichtung 9 auf die Detektionseinrichtung 11 geworfen. Eine Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 führt zu einer Verkippung 18 der Sendeeinrichtung 9, bzw. der Ablenkungseinrichtung 10. Sowohl die Sendeeinrichtung 9 als auch die Ablenkungseinrichtung 10 sind hierbei an der Kröpfung 22 der Feder 14 angeordnet.
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Eine beispielsweise in 2 oder 3 dargestellte Vorrichtung 1 eignet sich beispielsweise zur Durchführung eines Verfahrens zur Messung einer auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübten Kraft 4, wobei als eine Messgröße eine Detektionsauslenkung 16 einer Detektionsposition 12 aus einer Detektionsruhelage 17 bestimmt wird. Hierbei ergibt sich die Detektionsauslenkung 16 aus einer durch die ausgeübte Kraft 4 bedingten elastischen Verformung einer einerseits zumindest mittelbar mit der Bedienoberfläche 2 und andererseits mit einem Basisbereich 13 verbundenen Feder 14. Dabei wird ein Lichtstrahl 8 von einer Sendeeinrichtung 9 ausgehend von einer Ablenkungseinrichtung 10 abgelenkt und von einer Detektionseinrichtung 11 detektiert. Die Detektionseinrichtung 11 bestimmt die Detektionsauslenkung 16 des Lichtstrahls 8 auf wenigstens eindimensional ortsaufgelöste Art und Weise. Ferner wird die auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübte Kraft aus der gemessenen Detektionsauslenkung 16 mittels einer Umrechnungseinrichtung 15 bestimmt. Dadurch, dass die Ablenkungseinrichtung 10 an der Feder 14 derart angeordnet ist, dass durch eine elastische Verformung der Feder 14 eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 aus einer Ruheorientierung 19 eingestellt wird, wird eine Verstärkung der Detektionsauslenkung 16 durch die Verkippung 18 bewirkt. Insbesondere wird die Detektionsauslenkung 16 verstärkt im Vergleich zu derjenigen Detektionsauslenkung 16, welche sich aus einer Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 ohne eine Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 ergeben würde.
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Vorteilhafterweise kann beispielsweise mit einer in 2 dargestellten Vorrichtung 1 auch eine Ortsbestimmung der Wirkung der ausgeübten Kraft 4 auf die Bedienoberfläche 2 durchgeführt werden.
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Weiterhin kann auch ein Kalibrierverfahren vorgesehen sein, um jeder ausgeübten Kraft 4 genau eine Detektionsauslenkung 16 zuzuordnen. Dies kann insbesondere dadurch notwendig werden, dass sich die Übersetzungsverhältnisse zwischen der Kraft 4 und der Detektionsauslenkung 16 nicht mehr analytisch berechnen lassen. Eine Möglichkeit der analytischen Berechnung kann beispielsweise durch eine komplexe Geometrie der Feder 14 eingeschränkt sein.
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Um dem Bediener eine Kraftrückmeldung zu geben, kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der gemessenen Detektionsauslenkung 16 die Bedienoberfläche 2 beschleunigt wird. Um eine Beschleunigung der Bedienoberfläche 2 zu bewirken, ist eine Beschleunigungseinrichtung (nicht dargestellt) bzw. ein Aktuator, insbesondere ein Elektromagnet, vorgesehen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bedienoberfläche 2 oszillierend beschleunigt wird, sodass sich eine Vibration der Bedienoberfläche 2 ergibt.
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Es kann auch von Vorteil sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 um eine Drehachse verkippbar ist, welche senkrecht zu einer Triangulationsebene der Messeinrichtung 7 ausgerichtet ist. Hierdurch führt eine Verkippung der Ablenkungseinrichtung 10 zu einer Detektionsauslenkung 16, welche sich von der Detektionsruhelage 15 zu der Detektionsposition 12 parallel zu der Triangulationsebene erstreckt. Insbesondere kann beispielsweise ein streifenförmiger Lichtsensor als Detektionseinrichtung 11 linear in der Triangulationsebene angeordnet sein.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Detektionseinrichtung 11 als Infrarotempfänger, bzw. IR-Empfänger ausgebildet. Insbesondere ist die Detektionseinrichtung 11 als ladungsgekoppeltes Zeilenbauteil bzw. CCD-Zeile ausgebildet.
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In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Detektionseinrichtung 11 aus mehreren, geeignet kombinierten IR-Empfängern und/oder einer oder mehreren Dioden und/oder einem oder mehreren anderen optisch sensitiven Bauteilen ausgebildet ist.
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In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Ablenkungseinrichtung 10 als planarer Spiegel ausgebildet. Hierdurch gehorcht die Ablenkung des Lichtstrahls 8 einem Reflexionsgesetz. Allerdings kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 den Lichtstrahl 8 einem anderen Gesetz als dem Reflexionsgesetz folgend ablenkt.
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In vorliegendem Ausführungsbeispiel ist die Ablenkungseinrichtung 10 ferner als planarer dielektrischer Spiegel ausgebildet. Ein dielektrischer Spiegel hat hierbei den Vorteil, dass er hohe Reflektivitäten und geringe Kosten aufweist.
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Es kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 beispielsweise ein Parabolspiegel ist, wodurch eine ähnliche Verstärkung der Detektionsauslenkung 16 bzw. eine Verkippung des Lichtstrahls 8 erzielt werden kann.
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Insbesondere kann in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 ein Hohlspiegel und/oder ein Wölbspiegel ist, welcher ein Teil der Feder 14 ist und welcher seine Brennweite durch eine elastische Verformung der Feder 14 durch die Kraft 4 ändert. Hierdurch kann beispielsweise ein Lichtstrahl 8 entweder abgelenkt oder auch abhängig von der Kraft 4 bzw. der Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 fokussiert oder defokussiert werden. Durch eine kraftabhängige Fokussierung des Lichtstrahls 8 kann eine Kraft 4 anstatt durch eine Detektionsposition 12 durch eine Detektionsintensität bestimmt werden. Auch hierfür kann ein Kalibrationsverfahren vorgesehen sein, um eine Zuordnung zwischen Detektionsintensität und der ausgeübten Kraft zu bestimmen.
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Die genannten Ausführungsformen und Bauformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 haben den Vorteil, dass die Kraftmesseinrichtung 1 sehr kompakt und platzsparend realisiert werden kann.
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Dies zeigt sich insbesondere daran, dass beispielsweise eine Verkürzung der Kröpfung 22 im Vergleich zu der Auslenkung 5 zu einer größeren Verstärkung der Detektionsauslenkung 16 führt. Eine Kompaktierung der Bauform führt hierbei demnach zu einer Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.
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Hierzu kann das Verhältnis zwischen Auslenkung 5 und Detektionsauslenkung 16 für beispielsweise eine in 1 aus dem Stand der Technik bekannte Kraftmesseinrichtung auf Grundlage eines Triangulationsverfahrens beachtet werden.
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Hieraus ergibt sich, dass ein Verstärkungsfaktor lediglich durch eine minimale Länge bzw. maximale Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 limitiert ist.
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Um eine insbesondere bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug vorteilhafte Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Schwingungen zu erzielen, kann es von besonderem Vorteil sein, beispielsweise eine Feder 14 im Bereich der Kröpfung 22 besonders elastisch zu machen, sofern die Kröpfung 22 nur eine sehr geringe Länge aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kröpfung 22 lediglich eine Länge von weniger als einem Millimeter bzw. von Bruchteilen eines Millimeters Länge, jedoch bei beispielsweise einer Kraft von 1 Newton, welche auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübt wird, bereits um einen Winkel von 45° verkippt wird. Hierdurch kann eine deutlich verstärkte Detektionsauslenkung 16 bewirkt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Feder 14 in einem Bereich der Kröpfung 22 weniger steif ist, da die beispielsweise dünner ist, ist als in anderen Bereichen. Die Feder 14 gehorcht also in verschiedenen Größenbereichen der Kraft 4 jeweils einem anderen Federgesetz. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Kröpfung 22 eine sehr geringe Länge von Bruchteilen von einem Millimeter aufweist. Wird eine Kraft 4 auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübt, so wird bereits bei geringer Kraft 4 die Feder 14 im Bereich der Kröpfung 22 stark deformiert und somit die Ablenkungseinrichtung 10 stark verkippt. Durch die geringe Länge der Kröpfung ist die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 jedoch auf eine sehr geringe maximale Auslenkung 5 begrenzt. Wird die maximale Auslenkung 5 überschritten, beispielsweise weil die Kröpfung 22 annähernd vollständig in eine Richtung der Kraft 4 ausgerichtet ist, gehorcht die Feder 14 einem anderen Federgesetz und ist steifer. Hierdurch wird ein Eindruck einer hohen Stabilität erzielt, während zugleich eine vorteilhaft starke Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 bewirkt werden kann.
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass eine Auslenkung 5, welche durch eine auf die Bedienoberfläche 2 ausgeübte Kraft 4 bedingt ist, zu einer Detektionsauslenkung führt, welche in Abhängigkeit von der ausgeübten Kraft eine andere Richtung gegenüber der Detektionsruhelage 17 aufweist. In diesem Falle ist die Detektionseinrichtung 11 zur zweidimensionalen Detektion der Detektionsposition 12 eingerichtet. Beispielsweise kann die Detektionseinrichtung 11 als Quadrantenphotodiode bzw. QPD ausgebildet sein.
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Durch eine Übersetzung einer Kraft 4 in eine Richtung der Detektionsauslenkung 16 anstatt in einen Absolutbetrag der Detektionsauslenkung 16, kann vorteilhafter Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
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Eine richtungsabhängige Ablenkung des Lichtstrahls 8 ergibt sich beispielsweise durch Ablenkungseinrichtung 10, welche einen Astigmatismus aufweist.
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Ein weiterer Vorteil einer zweidimensional arbeitenden Detektionseinrichtung 11 ist, dass beispielsweise eine Richtung einer auf die Oberfläche 2 ausgeübten Kraft 4 festgestellt werden kann. Hierdurch können vorteilhafter Weise beispielsweise Richtungsanzeigen eines Bedieners berücksichtigt werden.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 um eine variable Drehachse verkippbar ist. Durch eine aus der Triangulationsebene weisende Verkippung 18 der Ablenkungseinrichtung 10 kann beispielsweise ermöglicht werden, dass die Detektionseinrichtung 11 in eine Richtung außerhalb der Triangulationsebene orientiert wird. Hierdurch kann unter Umständen eine vorteilhaft verbesserte Ausnutzung eines zur Verfügung stehenden Bauraumes erzielt werden. Insbesondere kann auch eine Richtung der Kraftausübung parallel zu der Bedienoberfläche 2 berücksichtigt werden.
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Vorteilhafterweise kann auch vorgesehen sein, dass die Ablenkungseinrichtung 10 um eine Drehachse verkippbar ist, welche an der Ablenkungseinrichtung 10 angeordnet ist und/oder mindestens in unmittelbarer Nähe zu der Ablenkungseinrichtung 10 angeordnet ist.
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Hierdurch wird sichergestellt, dass die Ablenkungseinrichtung 10 selbst nur eine geringe Auslenkung 20 erfährt, während die Auslenkung 5 der Bedienoberfläche 2 um ein Vielfaches größer sein kann. Hierdurch wird wiederum eine kompakte Bauweise begünstigt, was insbesondere bei einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug von großem Vorteil ist.
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Ein weiterer Vorteil der zu einer relativ steifen Feder 14 führenden Federkonstante von 50 Newton pro Millimeter, bzw. N/mm, bis 100 N/mm ist eine hieraus resultierende hohe Eigenfrequenz bei einer unerwünschten Schwingung des Bediengrundkörpers 3, welche unter Umständen für einen Bediener nicht mehr störend wahrnehmbar sein kann. Eine Feder 14 mit einer Federkonstante von beispielsweise 50 N/mm kann bei einer, beispielsweise durch den Bediengrundkörper 3 und die Bedienoberfläche 2 aufgebrachten, Belastung mit einer Masse von 0,5 Kilogramm eine Eigenfrequenz von ungefähr 50 Hertz aufweisen.