DE102023200486A1

DE102023200486A1 - Haptic element and method for operating a haptic element

Info

Publication number: DE102023200486A1
Application number: DE102023200486.0A
Authority: DE
Inventors: Philipp Scheiner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-01-23
Filing date: 2023-01-23
Publication date: 2024-07-25
Also published as: WO2024156606A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein haptisches Element (10) mit einem ersten, beweglich angeordneten Magneten (22, 41) , wobei der erste Magnet an einer elastischen Abdeckung (16) des haptischen Elements (10) angeordnet ist, und mit einem zweiten, ortsfest und benachbart zu dem ersten Magneten (22, 41) angeordneten zweiten Magneten (21, 42), wobei einer der beiden Magneten als ein Permanentmagnet (21, 41) und der andere Magnet als ein steuerbarer Elektromagnet (22, 42) ausgeführt sind und mit einer Steuereinrichtung (23) zum Ansteuern des Elektromagneten (22, 42) derart, dass ein Abstand zwischen den beiden Magneten (21, 22, 41, 42) durch ein Magnetfeld so vergrößerbar ist, dass infolge einer damit verbundenen Bewegung des ersten Magneten (22, 41) die Abdeckung (16) des haptischen Elements (10) ausgelenkt wird.

The invention relates to a haptic element (10) with a first, movably arranged magnet (22, 41), wherein the first magnet is arranged on an elastic cover (16) of the haptic element (10), and with a second, stationary magnet (21, 42) arranged adjacent to the first magnet (22, 41), wherein one of the two magnets is designed as a permanent magnet (21, 41) and the other magnet is designed as a controllable electromagnet (22, 42), and with a control device (23) for controlling the electromagnet (22, 42) such that a distance between the two magnets (21, 22, 41, 42) can be increased by a magnetic field such that the cover (16) of the haptic element (10) is deflected as a result of an associated movement of the first magnet (22, 41).

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung noch nicht offengelegten DE 10 2021 208 150 ist bereits eine Bedienvorrichtung für ein Fahrzeug bekannt mit einem Zentralkörper und einer mit dem Zentralkörper verbundenen Abdeckung, die relativ zum Zentralkörper in einer Betätigungsrichtung geführt beweglich ist. Hierbei ist ein Aktor vorgesehen, der den Zentralkörper zusammen mit der Abdeckung in oder entgegen einer Betätigungsrichtung bewegt. Ferner ist mindestens ein Sensor vorgesehen, der zum Erfassen einer Bewegung der Abdeckung in einer Betätigungsrichtung vorgesehen ist.From the information not yet disclosed at the time of registration EN 10 2021 208 150 An operating device for a vehicle is already known with a central body and a cover connected to the central body, which is movable relative to the central body in an actuation direction. An actuator is provided here which moves the central body together with the cover in or against an actuation direction. Furthermore, at least one sensor is provided which is designed to detect a movement of the cover in an actuation direction.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße haptische Element mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass es zwei Magnete aufweist, wobei einer der Magnete ein Permanentmagnet ist und der andere Magnet ein Elektromagnet ist. In einer Ruhelage wird sich daher aufgrund der Anziehung des Permanentmagneten zu dem magnetisierbaren Material des Elektromagneten des haptischen Elements und/oder aufgrund der Schwerkraft und/oder aufgrund der Rückstellkraft der über den beiden Magneten liegenden elastischen Oberfläche das haptische Element von selbst in eine Ruhelage zurückstellen. In einem Betriebszustand kann durch eine Wahl des von dem Elektromagneten erzeugten Magnetfelds ein zu dem Magnetfeld des Permanentmagneten entgegengesetztes Magnetfeld derart erzeugt werden, dass eine abstoßende Kraft zwischen dem Permanentmagneten und dem Elektromagneten erzeugt wird. Diese Kraft wird dazu ausgenutzt, eine Abdeckung des haptischen Elements so auszulenken, dass diese Auslenkung von einem Nutzer des haptischen Elements wahrgenommen werden kann. Da der durch den Elektromagneten geführte Strom leicht regelbar ist, ist damit auch die von dem Elektromagneten auf den Permanentmagneten ausgeübte Kraft leicht regelbar, so dass eine sehr genaue Kraftausübung und damit auch eine sehr genaue Auslenkung und leichte Veränderbarkeit der Abdeckung des haptischen Elements ermöglicht wird. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn eine Gegenkraft zu einer auf das haptische Element einwirkenden Bedienkraft eines Benutzers erzeugt werden soll. Damit bestehen für den Gestalter einer haptischen Wirkung des haptischen Elements zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Zudem ist der Betrieb eines Elektromagneten praktisch verschleißfrei, so dass eine hohe Haltbarkeit des haptischen Elements gegeben ist.The haptic element according to the invention with the features of the main claim has the advantage that it has two magnets, one of the magnets being a permanent magnet and the other magnet being an electromagnet. In a rest position, the haptic element will therefore return to a rest position by itself due to the attraction of the permanent magnet to the magnetizable material of the electromagnet of the haptic element and/or due to gravity and/or due to the restoring force of the elastic surface lying above the two magnets. In an operating state, by selecting the magnetic field generated by the electromagnet, a magnetic field opposite to the magnetic field of the permanent magnet can be generated in such a way that a repulsive force is generated between the permanent magnet and the electromagnet. This force is used to deflect a cover of the haptic element in such a way that this deflection can be perceived by a user of the haptic element. Since the current passing through the electromagnet is easy to regulate, the force exerted by the electromagnet on the permanent magnet is also easy to regulate, enabling very precise force application and thus very precise deflection and easy changeability of the cover of the haptic element. This is especially true when a counterforce is to be generated to the operating force of a user acting on the haptic element. This means that there are numerous design options for the designer of a haptic effect of the haptic element. In addition, the operation of an electromagnet is practically wear-free, ensuring a high durability of the haptic element.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. So ist es vorteilhaft, das Magnetfeld des Elektromagneten zeitabhängig zu variieren, da hierdurch unterschiedliche Auslenkungen der Abdeckung für einen Nutzer fühlbar sind. Insbesondere ist es auch möglich, eine zeitlich periodische Variation der Auslenkung durchzuführen, um einen fühlbaren Vibrationseffekt, z. B. zur Bestätigung einer erfassten Eingabe, für einen Benutzer mittels des haptischen Elements darzustellen.Further advantages arise from the dependent claims. It is advantageous to vary the magnetic field of the electromagnet over time, as this allows a user to feel different deflections of the cover. In particular, it is also possible to carry out a periodic variation of the deflection in order to present a noticeable vibration effect, e.g. to confirm a recorded input, to a user using the haptic element.

Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Sensor vorzusehen, der eine Erfassung einer Positionsveränderung der Abdeckung des haptischen Elements erfasst. Eine solche Positionsveränderung kann hierbei nicht nur durch den Elektromagneten verursacht werden, der die Abdeckung auslenkt, sondern ein Benutzer kann auch manuell das haptische Element berühren und eine Kraft auf das haptische Element ausüben. Diese Kraft kann dann der Kraft des Elektromagneten entgegenwirken und eine mittels eines Betriebs des Elektronmagneten eingestellte Position des haptischen Elements durch eine manuell ausgeübte Kraft verändern. Durch eine Erfassung dieser Positionsveränderung des haptischen Elements von einer Sollposition in eine Betätigungsposition kann eine Kraftausübung auf das haptische Element einfach erfasst werden, wobei diese Kraftausübung auf das haptische Element einer Bedienung durch einen Benutzer zugeordnet wird. Damit kann das haptische Element nicht nur zum Ausgeben einer haptischen Mitteilung an den Benutzer, sondern auch zum Erfassen einer von dem Benutzer vorgenommenen Eingabe ausgewertet werden. Damit kann das haptische Element auch als ein Bedienelement verwendet werden. Auf diese Bedienung wiederum kann eine haptische Rückmeldung gegeben werden.Furthermore, it is advantageous to provide a sensor that detects a change in position of the cover of the haptic element. Such a change in position can not only be caused by the electromagnet that deflects the cover, but a user can also manually touch the haptic element and exert a force on the haptic element. This force can then counteract the force of the electromagnet and change a position of the haptic element set by operating the electromagnet by a manually exerted force. By detecting this change in position of the haptic element from a target position to an actuation position, a force exerted on the haptic element can be easily detected, whereby this force exerted on the haptic element is assigned to an operation by a user. The haptic element can thus be evaluated not only to output a haptic message to the user, but also to detect an input made by the user. The haptic element can therefore also be used as an operating element. In turn, haptic feedback can be given to this operation.

Vorteilhaft ist der Sensor zur Erfassung einer Positionsveränderung als ein Abstandssensor ausgeführt, der in einer Öffnung des unbeweglichen Magneten angeordnet ist und einen Abstand zu dem beweglichen Magneten bestimmt. Auf diese Weise kann sehr leicht und sehr genau eine Positionsveränderung der Abdeckung ermittelt werden, da zumindest einer der Magneten an der Abdeckung angeordnet ist.The sensor for detecting a change in position is advantageously designed as a distance sensor that is arranged in an opening of the immovable magnet and determines a distance to the movable magnet. In this way, a change in position of the cover can be determined very easily and very precisely, since at least one of the magnets is arranged on the cover.

In einer Ausführungsform ist es vorteilhaft, dass der erste Magnet, also der bewegliche Magnet, als ein Permanentmagnet und der zweite, unbewegliche Magnet als ein Elektromagnet ausgebildet ist. Hierdurch vereinfachen sich die für den Betrieb des Elektromagneten notwendigen Leitungszuführungen einer elektrischen Betriebsspannung im Elektromagneten, da dieser statisch ausgeführt ist.In one embodiment, it is advantageous that the first magnet, i.e. the movable magnet, is designed as a permanent magnet and the second, immovable magnet as an electromagnet. This simplifies the line feeds of an electrical operating voltage in the electromagnet required for the operation of the electromagnet, since the electromagnet is designed to be static.

In einer alternativen Ausführungsform kann auch umgekehrt der Permanentmagnet als statischer Magnet und der Elektromagnet als zweiter, beweglicher Magnet angeordnet sein. Eine Stromführung kann über bewegliche Leiter oder eine Schienenstruktur erfolgen.In an alternative embodiment, the permanent magnet can be arranged as a static magnet and the electromagnet as a second, movable magnet. A current The cable can be guided via movable ladders or a rail structure.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Abdeckung des haptischen Elements aus einem flexiblen Kunststoffmaterial besteht, vorzugsweise einer flexibel ausgestalteten Kunststofffolie. Darüber hinaus können Gewebe, Gewirke, Gestricke oder sonstige textile Materialen, Kunstleder, Echtleder oder ähnliche Materialien mit ausreichenden elastischen Eigenschaften zur Anwendung kommen. Aufgrund der Haltbarkeit und gezielten Anpassbarkeit der mechanischen Eigenschaften eines Kunststoffmaterials kann dieses wiederholt verschleißarm ausgelenkt werden. Zudem kann durch die Elastizität des Kunststoffmaterials eine zusätzliche Rückstellkraft nach Auslenkung auf den beweglichen Magneten ausgeübt werden. Weiterhin ist es leicht möglich auf das Kunststoffmaterial eine Beschriftung des haptischen Elements zur Erklärung einer Funktion für einen Benutzer aufzubringen. Auf dem flexiblen Kunststoffmaterial können auch Dekor-Elemente angeordnet werden.It is also advantageous that the cover of the haptic element is made of a flexible plastic material, preferably a flexible plastic film. In addition, fabrics, knitted fabrics, or other textile materials, artificial leather, real leather or similar materials with sufficient elastic properties can be used. Due to the durability and targeted adaptability of the mechanical properties of a plastic material, it can be repeatedly deflected with little wear. In addition, the elasticity of the plastic material can exert an additional restoring force on the movable magnet after deflection. It is also easy to apply a label to the plastic material of the haptic element to explain a function to a user. Decorative elements can also be arranged on the flexible plastic material.

Es ist ferner vorteilhaft, dass das flexible Kunststoffmaterial eine Öffnung in einem Gehäuse des haptischen Elements abdeckt, in dem der erste und der zweite Magnet zumindest teilweise angeordnet sind. Eine solche Öffnung dient zur seitlichen Führung einer Bewegung des beweglichen Magneten und wird dabei durch das flexible Kunststoffmaterial so verschlossen, dass der bewegliche Magnet in dem haptischen Element verbleibt und nicht verloren gehen kann. Eine Befestigung einer Umgebung eines so gebildeten Gehäuses des haptischen Elements ermöglicht dabei einen einfach durchzuführenden Aufbau. Das flexible Kunststoffmaterial kann dabei auch zur Abdeckung anderer Elemente und Gehäuseteile, die benachbart zu dem haptischen Element angeordnet sind, verwendet werden. Durch eine flächige Verklebung des flexiblen Kunststoffmaterials mit einer Oberfläche in der Umgebung des haptischen Elements wird zudem ein möglichst konturenscharfes Ausformen des haptischen Elements aus der Oberfläche heraus erreicht.It is also advantageous that the flexible plastic material covers an opening in a housing of the haptic element in which the first and second magnets are at least partially arranged. Such an opening serves to guide a lateral movement of the movable magnet and is closed by the flexible plastic material in such a way that the movable magnet remains in the haptic element and cannot be lost. Fastening an area around a housing of the haptic element formed in this way enables a simple construction. The flexible plastic material can also be used to cover other elements and housing parts that are arranged adjacent to the haptic element. By bonding the flexible plastic material to a surface in the area around the haptic element, the haptic element is formed from the surface with as sharp a contour as possible.

Um eine Kraftübertragung auf die Abdeckung zu verbessern, ist der bewegliche Magnet an dem flexiblen Kunststoffmaterial befestigt, vorzugsweise festgeklebt.To improve force transmission to the cover, the movable magnet is attached to the flexible plastic material, preferably glued.

Weitere Vorteile ergeben sich für ein Bedienelement, dass ein, aber auch mehrere, benachbart zueinander angeordnete derart ausgeführte haptische Elemente aufweist, wobei in diesem Fall eine Vielzahl von Anzeige- und Bedienfunktionen bereitgestellt werden kann. Dies ist insbesondere bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorteilhaft, bei der aufgrund begrenzten Raums eine Vielzahl von Funktionen über eine begrenzte Anzahl an Bedienelementen einem Benutzer bereitgestellt wird.Further advantages arise for a control element that has one or more haptic elements arranged adjacent to one another, in which case a large number of display and operating functions can be provided. This is particularly advantageous when used in a motor vehicle, where a large number of functions are provided to a user via a limited number of control elements due to limited space.

Entsprechende Vorteile ergeben sich auch für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines haptischen Elements. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, dass der Abstand zwischen den beiden Magneten abhängig von einer erfassten Position der Abdeckung verändert wird. So kann insbesondere nach einer Positionsänderung durch eine Betätigung eines Benutzers, z.B. durch eine zeitlich begrenzte Variation des Abstandes der Magnete in Folge einer Variation der Betriebsspannung des Elektromagneten, einem Benutzer eine Vibrationsrückmeldung gegeben werden, indem mit einer kleinen Amplitude der Abstand in einem kurzen Zeitraum periodisch verändert wird. Die Messung kann hierbei vorzugsweise kontaktlos erfolgen. Durch die Veränderungen des Magnetfeldes kann demnach eine gefühlte Verhärtung, Erweichung oder Vibration des Bedienelements durch eine kurze Anhebung, Absenkung oder höherfrequente Modulation des Magnetfeldes erreicht werden.Corresponding advantages also arise for a method according to the invention for operating a haptic element. It is particularly advantageous here that the distance between the two magnets is changed depending on a detected position of the cover. In particular, after a change in position due to an actuation by a user, e.g. by a time-limited variation of the distance between the magnets as a result of a variation in the operating voltage of the electromagnet, a user can be given vibration feedback by periodically changing the distance with a small amplitude over a short period of time. The measurement can preferably be carried out contactlessly. The changes in the magnetic field can therefore result in a perceived hardening, softening or vibration of the operating element by a brief increase, decrease or higher-frequency modulation of the magnetic field.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines haptischen Elements in einer Ruhelage, 2 dasselbe Ausführungsbeispiel mit einer ausgelenkten Abdeckung des haptischen Elements, 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des haptischen Elements, 4 eine Verwendung des haptischen Elements in einem Kraftfahrzeug, 5, 6 und 7 verschiedene Ausführungsbeispiele für eine abstandsabhängige Ansteuerung des Elektromagneten und einer von dem Elektromagneten ausgeübten Kraft für einen Betrieb des haptischen Elements als Bedienelement.

Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. They show:

1 a first embodiment of a haptic element in a rest position, 2 the same embodiment with a deflected cover of the haptic element, 3 another embodiment of the haptic element, 4 a use of the haptic element in a motor vehicle, 5 , 6 and 7 various embodiments for a distance-dependent control of the electromagnet and a force exerted by the electromagnet for operating the haptic element as an operating element.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist ein haptisches Element 10 dargestellt, bei dem in einer Öffnung 11 eines Gehäuses 12 ein erster Magnet 21 und ein zweiter Magnet 22 angeordnet sind. Das haptische Element 10 ist dabei in einem Querschnitt dargestellt. Die Öffnung 11 und die Magnete 21, 22 haben dabei eine symmetrische Querschnittsfläche bei einem Schnitt senkrecht zu einer Symmetrieachse 13 der Öffnung 11. Die Öffnung 11 hat dabei bspw. einen rechteckigen, viereckigen, elliptischen oder insbesondere runden Querschnitt.In the 1 a haptic element 10 is shown in which a first magnet 21 and a second magnet 22 are arranged in an opening 11 of a housing 12. The haptic element 10 is shown in a cross section. The opening 11 and the magnets 21, 22 have a symmetrical cross-sectional area in a section perpendicular to an axis of symmetry 13 of the opening 11. The opening 11 has, for example, a rectangular, square, elliptical or, in particular, round cross section.

Der zweite Magnet 22 ist als ein Elektromanget ausgeführt und statisch in der Öffnung 11 des Gehäuses 12 angeordnet. Seine Oberfläche 14 weist hierbei einen Abstand zu einer Oberfläche 15 des Gehäuses auf. In diesem Abstand zwischen der Oberfläche 14 des zweiten Magneten 22 und einer Ebene, die durch die Oberfläche 15 des Gehäuses beschrieben wird, ist der erste Magnet 21 angeordnet. Der erste Magnet 21 ist als ein Permanentmagnet ausgeführt. In einer Ruhelage übt der Permanentmagnet eine anziehende Kraft auf einen Metallkörper des Elektromagneten 22 aus, wobei die Strukturen des Elektromagneten in der 1 nicht im Detail dargestellt sind.The second magnet 22 is designed as an electromagnet and is arranged statically in the opening 11 of the housing 12. Its surface 14 is at a distance from a surface 15 of the housing. The first magnet 21 is arranged at this distance between the surface 14 of the second magnet 22 and a plane described by the surface 15 of the housing. The first magnet 21 is designed as a permanent magnet. In a rest position, the permanent magnet exerts an attractive force on a metal body of the electromagnet 22, the structures of the electromagnet in the 1 are not shown in detail.

Auf der dem Elektromagneten 22 abgewandten Seite des Permanentmagneten 21 ist eine vorzugsweise intransparente, flexible Kunststofffolie 16 angeordnet, die sich sowohl über die Öffnung 11, als aber auch über die die Öffnung 11 umgebende Oberfläche 15 des Gehäuses 12 erstreckt. In der Umgebung der Öffnung 11 ist die flexible Kunststofffolie 16 mit einem Klebstoff 17 auf der Oberfläche 15 befestigt. Ferner ist bevorzugt auch der Permanentmagnet 21 mit der Kunststofffolie 16 verklebt. Die Kunststofffolie 16 bildet hierbei eine Abdeckung der Öffnung 11.On the side of the permanent magnet 21 facing away from the electromagnet 22, a preferably non-transparent, flexible plastic film 16 is arranged, which extends both over the opening 11 and over the surface 15 of the housing 12 surrounding the opening 11. In the area surrounding the opening 11, the flexible plastic film 16 is attached to the surface 15 with an adhesive 17. Furthermore, the permanent magnet 21 is preferably also glued to the plastic film 16. The plastic film 16 forms a cover for the opening 11.

Der Elektromagnet 22 weist schematisch dargestellte Spulen 18 auf, die über elektrische Leitungen 19 mit einer Betriebsspannung versorgt werden. Die Betriebsspannung wird von einer Steuereinrichtung 23 bereitgestellt. Hierzu weist die Steuereinrichtung 23 eine Recheneinheit 24 auf, die eine Versorgung des Elektromagneten 22 mit der Betriebsspannung nach einem in einem Speicher 25 abgelegten Programm durch die Steuereinrichtung 23 veranlasst. Eine Veranlassung eines Betriebs des Elektromagneten 22 wird dabei der Steuereinrichtung von einer Zentraleinheit 26 mitgeteilt, die mit einer Leitung 27, vorzugsweise einem Datenbus, mit der Steuereinrichtung 23 verbunden ist.The electromagnet 22 has schematically illustrated coils 18 which are supplied with an operating voltage via electrical lines 19. The operating voltage is provided by a control device 23. For this purpose, the control device 23 has a computing unit 24 which causes the electromagnet 22 to be supplied with the operating voltage by the control device 23 according to a program stored in a memory 25. The control device is informed of the initiation of operation of the electromagnet 22 by a central unit 26 which is connected to the control device 23 by a line 27, preferably a data bus.

Ferner kann eine Betriebsspannung des Elektromagneten 22 zudem abhängig von einer Auslenkung der Abdeckung 16 bestimmt werden. Hierzu ist ein Sensor 28 vorgesehen, der die Auslenkung der Kunststofffolie 16 messen kann. Dies kann bspw. durch eine Kamerabeobachtung der Auslenkung 16 erfolgen. In der hier dargestellten Ausführungsform ist jedoch ein Sensor 28 vorgesehen, der bspw. als ein optischer oder ein kapazitiver Abstandssensor ausgeführt ist. Ein optischer Sensor hat hierbei den Vorteil, dass ein optischer Sensor nicht durch das Vorhandensein eines Magnetfeldes in seiner Messung gestört wird. In einer anderen Ausführungsform kann der Sensor 28 auch als ein Hallsensor ausgeführt sein.Furthermore, an operating voltage of the electromagnet 22 can also be determined depending on a deflection of the cover 16. For this purpose, a sensor 28 is provided which can measure the deflection of the plastic film 16. This can be done, for example, by a camera observation of the deflection 16. In the embodiment shown here, however, a sensor 28 is provided which is designed, for example, as an optical or a capacitive distance sensor. An optical sensor has the advantage that an optical sensor is not disturbed in its measurement by the presence of a magnetic field. In another embodiment, the sensor 28 can also be designed as a Hall sensor.

Der Sensor 28 ist an einer Oberfläche 14 des Elektromagneten 22 angeordnet bzw. in eine Öffnung der Oberfläche des Magneten eingelassen. Der Sensor 28 misst den Abstand zu dem Permanentmagneten 21. Wird nun der Elektromagnet 22 von der Steuereinrichtung 21 über die Leitungen 19 mit einer Spannung versorgt, baut der Elektromagnet 22 ein Magnetfeld auf, das derart gewählt ist, dass dieses Magnetfeld demjenigen Magnetfeld, das von dem Permanentmagneten 21 stets verbreitet wird, entgegenwirkt. Damit entsteht eine abstoßende Kraft zwischen dem Elektromagneten 22 und dem Permanentmagneten 21. Diese Kraft wirkt dabei in Pfeilrichtung 29. Durch die Führung durch die Seitenwände der Öffnung 11 führt diese Kraftwirkung in Pfeilrichtung 29 dann dazu, dass sich ein Abstand 30 zwischen dem Elektromagneten 22 und dem Permanentmagneten 21 vergrößert und der Permanentmagnet 21 sich in Pfeilrichtung 29 bewegt. Da der Permanentmagnet 21 zumindest an der Kunststofffolie 16 anliegt oder mit dieser sogar verbunden bzw. verklebt ist, wird die Kunststofffolie in Pfeilrichtung 29 ausgelenkt. Infolge der direkten Verbindung der Kunststofffolie 16 mit dem Permanentmagneten 21 kann nach einer durchgeführten Kalbrierung aus dem gemessenen Abstand zwischen den beiden Magneten 21, 22 auf die Größe der erfolgten Auslenkung der flexiblen Kunststofffolie 16 geschlossen werden. Diese wird von der Steuereinrichtung 23 entsprechend ausgewertet. Eine solche Auslenkung der flexiblen Kunststofffolie 16 ist in der 2 dargestellt.The sensor 28 is arranged on a surface 14 of the electromagnet 22 or embedded in an opening in the surface of the magnet. The sensor 28 measures the distance to the permanent magnet 21. If the electromagnet 22 is now supplied with voltage by the control device 21 via the lines 19, the electromagnet 22 builds up a magnetic field which is selected such that this magnetic field counteracts the magnetic field which is always emitted by the permanent magnet 21. This creates a repulsive force between the electromagnet 22 and the permanent magnet 21. This force acts in the direction of arrow 29. By being guided through the side walls of the opening 11, this force in the direction of arrow 29 then causes a distance 30 between the electromagnet 22 and the permanent magnet 21 to increase and the permanent magnet 21 to move in the direction of arrow 29. Since the permanent magnet 21 at least rests against the plastic film 16 or is even connected or glued to it, the plastic film is deflected in the direction of the arrow 29. As a result of the direct connection of the plastic film 16 with the permanent magnet 21, after a calibration has been carried out, the size of the deflection of the flexible plastic film 16 can be determined from the measured distance between the two magnets 21, 22. This is evaluated accordingly by the control device 23. Such a deflection of the flexible plastic film 16 is in the 2 shown.

Bei der Darstellung in der 2 wurden die mit der Steuereinrichtung 23 verbundenen Komponenten der Einfachheit halber ausgelassen. Der Abstand 30 vergrößert sich durch die Krafteinwirkung so weit, bis eine von dem Elektromagneten 22 auf den Permanentmagneten 21 ausgeübte Kraft in ein Gleichgewicht mit der durch die elastische Verformung der Kunststofffolie 16 hervorgerufenen Gegenkraft gelangt. Hierbei ist zu beachten, dass sich bei einer konstanten Leistungsaufnahme des Elektromagneten 22 und einem vergrößerten Abstand 30 die auf den Permanentmagneten 21 durch das Magnetfeld wirkende Kraft verringert. Somit stellt sich in dem Gleichgewicht ein Abstand 31 ein. Mittels des Sensors 28 kann dieser Abstand gemessen werden.When presented in the 2 the components connected to the control device 23 have been omitted for the sake of simplicity. The distance 30 increases due to the effect of force until a force exerted by the electromagnet 22 on the permanent magnet 21 reaches equilibrium with the counterforce caused by the elastic deformation of the plastic film 16. It should be noted here that with a constant power consumption of the electromagnet 22 and an increased distance 30, the force acting on the permanent magnet 21 through the magnetic field decreases. A distance 31 is thus established in the equilibrium. This distance can be measured using the sensor 28.

Übt nun ein Benutzer in Pfeilrichtung 32 eine Druckkraft auf das so entstehende, für einen Benutzer fühlbare Bedienelement 34 auf, so addiert sich die von dem Benutzer ausgeübte Kraft zu der von der Kunststofffolie ausgeübten, durch die elastische Verformung der Kunststofffolie 16 erzeugten Gegenkraft hinzu. Dies führt dazu, dass der Permanentmagnet 21 wieder in Pfeilrichtung 33 auf den Elektromagneten 22 zu bewegt wird. Diese Positionsänderung des Permanentmagneten 21 wird dabei durch den Abstandssensor 28 gemessen und der Steuereinrichtung 23 mitgeteilt. Hierdurch ist es möglich, dass die Steuereinrichtung 23 eine Betätigung des erst durch den Betrieb des Elektromagneten 22 fühlbaren Bedienelements 34 erfassen kann, da sie in Folge der Positionsänderung des Permanentmagneten 21 auf eine Kraftausübung durch einen Benutzer schließt. Eine Betätigung des Bedienelements 34 wird dann von der Steuereinrichtung 23 an die Zentraleinheit 26 weitergegeben, die diese Betätigung für die Steuerung einer zugeordneten Funktion auswerten kann.If a user now applies a pressure force in the direction of arrow 32 to the control element 34 that is thus created and can be felt by a user, the force exerted by the user is added to the counterforce exerted by the plastic film and generated by the elastic deformation of the plastic film 16. This leads to the permanent magnet 21 being moved again in the direction of arrow 33 towards the electromagnet 22. This change in position of the permanent magnet 21 is measured by the distance sensor 28 and communicated to the control device 23. This makes it possible for the control device 23 to detect an actuation of the control element 34 that can only be felt when the electromagnet 22 is operated, since it can detect the actuation of the control element 34 as a result of the change in position of the permanent magnet 21. ent magnet 21 indicates that a user has exerted force. An actuation of the operating element 34 is then passed on by the control device 23 to the central unit 26, which can evaluate this actuation for the control of an associated function.

In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass nach einer erfassten Betätigung einem Benutzer eine haptische Rückmeldung über die erfasste Bedienung gegeben wird. Wird bspw. eine Kraftausübung 32 erfasst, die über einen vorgegebenen Grenzwert hinausgeht, so kann in einer ersten Ausführungsform der Elektromagnet kurzfristig abgeschaltet werden. Hierdurch bewegt sich der Permanentmagnet in Pfeilrichtung 33, bis das Magnetfeld erneut aktiviert wird. Für einen Benutzer ist dabei eine Bewegung der Abdeckfolie 16 in Richtung des Elektromagneten 22 und eine kurz danach erfolgende Rückbewegung von dem Elektromagneten 22 weg fühlbar. Dies kann als eine sogenannte „Click“-Rückmeldung an einen Benutzer verstanden werden. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass nach einer erfassten Betätigung des Bedienelements die Amplitude der von dem Elektromagneten ausgeübten Kraft mit einer Frequenz von 10 bis 30 Herz für den Zeitraum von 0,5 bis 3 Sekunden in einem vorgegebenen Maß variiert wird. Hierdurch entsteht eine für einen Benutzer fühlbare Vibration. Auch hiermit kann eine erfasste Betätigung einem Betrachter angezeigt werden.In a further embodiment, it is also possible that after a detected actuation, a user is given haptic feedback about the detected operation. If, for example, an application of force 32 is detected that exceeds a predetermined limit, the electromagnet can be switched off briefly in a first embodiment. This causes the permanent magnet to move in the direction of the arrow 33 until the magnetic field is activated again. A user can feel a movement of the cover film 16 in the direction of the electromagnet 22 and a movement away from the electromagnet 22 shortly thereafter. This can be understood as a so-called "click" feedback to a user. In a further embodiment, it is also possible that after a detected actuation of the control element, the amplitude of the force exerted by the electromagnet is varied to a predetermined extent at a frequency of 10 to 30 Hz for a period of 0.5 to 3 seconds. This creates a vibration that the user can feel. This can also be used to display a detected actuation to an observer.

Wird eine Betriebsspannung für den Elektromagneten 22 abgeschaltet, so sorgt die magnetische Anziehung zwischen dem Permanentmagneten 21 und dem Metallkörper des Elektromagneten 22 und/oder die Schwerkraft und/oder die Rückstellkraft der Abdeckung 16 dazu, dass sich die beiden Magnete aneinander annähern und der Ausgangszustand gemäß der Darstellung in der 1 mit einer glatten Oberfläche der Kunststofffolie 16 sicher wieder erreicht wird.If an operating voltage for the electromagnet 22 is switched off, the magnetic attraction between the permanent magnet 21 and the metal body of the electromagnet 22 and/or the gravity and/or the restoring force of the cover 16 ensures that the two magnets approach each other and the initial state is restored as shown in the 1 with a smooth surface of the plastic film 16 is safely reached again.

In der 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der die Rollen des Permanentmagneten und des Elektromagneten vertauscht sind. An einer der Abdeckung 16 abgewandten Seite in der Öffnung 11 ist ein Permanentmagnet 41 angeordnet, während an der Abdeckung ein Elektromagnet 42 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 41 ist dabei statisch angeordnet, während der Elektromagnet 42 beweglich angeordnet ist. Eine elektrische Kontaktierung des Elektromagneten 42 erfolgt dabei über flexible Leiterelemente oder wie in der hier dargestellten Ausführungsform über einen Schleifkontakt 43, 44, mit dem der Elektromagnet 42 mit einer Betriebsspannung versorgt wird. Die Funktionsweise ist dabei in der Weise gleichartig, dass bei Betrieb des Elektromagneten eine abstoßende Kraft 45 zur Auslenkung des Elektromagneten 42 in Richtung der flexiblen Abdeckung 16 erzeugt wird.In the 3 an alternative embodiment is shown in which the roles of the permanent magnet and the electromagnet are reversed. A permanent magnet 41 is arranged on a side in the opening 11 facing away from the cover 16, while an electromagnet 42 is arranged on the cover. The permanent magnet 41 is arranged statically, while the electromagnet 42 is arranged movably. Electrical contact with the electromagnet 42 is made via flexible conductor elements or, as in the embodiment shown here, via a sliding contact 43, 44, with which the electromagnet 42 is supplied with an operating voltage. The mode of operation is similar in that when the electromagnet is operated, a repulsive force 45 is generated to deflect the electromagnet 42 in the direction of the flexible cover 16.

In der 4 ist eine beispielhafte Anwendung des haptischen Elements in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Mit der hier dargestellten Ausführungsform sind in einer Anzeige 50, z.B. ein LCD, verschiedene Funktionen 51, 52, 53 für einen Benutzer zur Auswahl dargestellt. Mit der Anzeige 50 verbunden ist eine Bedieneinrichtung 54, die in der hier dargestellten Ausführungsform über drei haptische Bedienelemente 61, 62, 63 verfügt. Für den Fall, dass in der Anzeige 50 die drei Funktionen 51, 52, 53 dargestellt werden, werden in der Bedieneinrichtung 54 die zugeordneten haptischen Elemente 61, 62, 63 derart aktiviert, dass die entsprechenden haptischen Elemente 61, 62, 63 aus einer Oberfläche 55 der Bedieneinrichtung 54 heraus ausgelenkt werden. Nur in diesem Fall sind die Elemente 61, 62, 63 für einen Benutzer bedienbar. Ist bspw. nur die Funktion 51 und 52, nicht aber die Funktion 53 auswählbar, so werden entsprechend auch nur die haptischen Elemente 61 und 62 aktiviert. Wird nun eine Bedienung z.B. des links angeordneten Bedienelements 61 erfasst, so erfolgt eine haptische Rückmeldung und die Anzeige 50 zeigt eine Bestätigung dieser Bedienung an. Gegebenenfalls kann danach ein völlig anderes Bedienmenü in der Anzeige 50 dargestellt werden und die Bedienelemente in der Bedienereinrichtung 54 können hieran angepasst werden. Dadurch wird eine Bedienung für einen Benutzer insbesondere während einer Fahrt erleichtert, indem über dieselbe Bedienfläche unterschiedliche Funktionen je nach angebotenem Bedienmenü ausgewählt werden können.In the 4 an example application of the haptic element in a motor vehicle is shown. With the embodiment shown here, various functions 51, 52, 53 are shown for a user to select from in a display 50, e.g. an LCD. Connected to the display 50 is an operating device 54 which, in the embodiment shown here, has three haptic operating elements 61, 62, 63. If the three functions 51, 52, 53 are shown in the display 50, the associated haptic elements 61, 62, 63 in the operating device 54 are activated in such a way that the corresponding haptic elements 61, 62, 63 are deflected out of a surface 55 of the operating device 54. Only in this case can the elements 61, 62, 63 be operated by a user. If, for example, only functions 51 and 52 can be selected, but not function 53, only the haptic elements 61 and 62 are activated. If an operation of the control element 61 on the left is detected, for example, a haptic feedback is provided and the display 50 shows confirmation of this operation. If necessary, a completely different operating menu can then be shown in the display 50 and the operating elements in the operating device 54 can be adapted to this. This makes operation easier for a user, especially during a journey, because different functions can be selected using the same operating surface depending on the operating menu offered.

In der 5 ist in einem Diagramm auf der X-Achse 70 der Abstand 30 zwischen dem Elektromagneten und dem Permanentmagneten dargestellt. Zugeordnet ist auf der Y-Achse 71 in dem oberen Diagramm die Leistungsaufnahme des Elektromagneten 72 und die für eine Bewegung des Permanentmagneten in Richtung des Elektromagneten erforderlichen Kraft 73 zur Betätigung des Bedienelements dargestellt. In der hier dargestellten Ausführungsform wird somit deutlich, dass die für eine weitere Verringerung des Abstandes erforderliche Kraft mit einem verringerten Abstand ansteigt. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn eine kraftabhängige Auswertung einer Bedienung erfolgen soll.In the 5 The distance 30 between the electromagnet and the permanent magnet is shown in a diagram on the X-axis 70. The power consumption of the electromagnet 72 and the force 73 required to move the permanent magnet in the direction of the electromagnet to actuate the control element are shown on the Y-axis 71 in the upper diagram. In the embodiment shown here, it is therefore clear that the force required to further reduce the distance increases with a reduced distance. This can be particularly advantageous if a force-dependent evaluation of an operation is to take place.

In einer anderen Ausführungsform gemäß der 6 erfolgt eine variable Ansteuerung der Leistungsaufnahme des Elektromagneten gemäß der Vorschrift 74: Mit verringertem Abstand wird die Leistung des Elektromagneten verringert. Hierdurch ist der gefühlte Kraftaufwand 75 unabhängig vom Abstand gleich. Dies kann eine angenehmere Betätigung für einen Benutzer darstellen.In another embodiment according to the 6 the power consumption of the electromagnet is controlled variably in accordance with regulation 74: the power of the electromagnet is reduced as the distance decreases. As a result, the perceived effort 75 is the same regardless of the distance. This can make operation more pleasant for a user.

In einer dritten Ausführungsform wird gemäß der 7 bei Erreichen eines bestimmten Abstandes die Kraftwirkung 76 verringert und danach wieder erhöht. Dadurch nimmt auch die fühlbare Kraft 77 zunächst ab und danach wieder zu. Hiermit wird eine sogenannte Click-Rückmeldung erreicht, die einem Benutzer eine Betätigung des Bedienelements sicher bestätigt.In a third embodiment, according to the 7 When a certain distance is reached, the force effect 76 is reduced and then increased again. As a result, the perceptible force 77 initially decreases and then increases again. This achieves a so-called click feedback, which reliably confirms to the user that the control element has been activated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EN 102021208150 [0001]

Claims

Haptic element (10) with a first, movably arranged magnet (22, 41), wherein the first magnet is arranged on an elastic cover (16) of the haptic element (10), with a second, stationary magnet (21, 42) arranged adjacent to the first magnet (22, 41), wherein one of the two magnets is designed as a permanent magnet (21, 41) and the other magnet is designed as a controllable electromagnet (22, 42), and with a control device (23) for controlling the electromagnet (22, 42) such that a distance between the two magnets (21, 22, 41, 42) can be increased by a magnetic field such that the cover (16) of the haptic element (10) is deflected as a result of an associated movement of the first magnet (22, 41).

Haptic element after Claim 1 , characterized in that the control device (23) is designed for a time-dependent variation, preferably a periodic variation of the magnetic field of the electromagnet (22, 42).

Haptic element according to one of the preceding claims, characterized by a sensor (28) for detecting a change in position of the cover (16) of the haptic element (10).

Haptic element after Claim 3 , characterized in that the sensor (28) is designed as a distance sensor which is arranged in an opening of the immovable magnet (22) and determines a distance to the permanent magnet (21), and by an evaluation unit (23) which evaluates from the detected distance whether a change in position of the cover (16) of the haptic element (10) occurs.

Haptic element according to one of the preceding claims, characterized in that the first magnet is the permanent magnet (21) and that the second magnet is the electromagnet (22).

Haptic element, according to one of the Claims 1 - 4 , characterized in that the first magnet is the electromagnet (42) and that the second magnet is the permanent magnet (41).

Haptic element according to one of the preceding claims, characterized in that the cover (16) of the haptic element (10) comprises or consists of a flexible plastic material, preferably a flexible plastic film or a textile.

Haptic element after Claim 7 , characterized in that the flexible plastic material (16) covers an opening (11) in a housing (12) of the haptic element (10) and that the first and the second magnet (21, 22, 41, 42) are at least partially arranged in the opening (11).

Haptic element after Claim 8 , characterized in that the flexible plastic material (16) covers an area surrounding the opening (11) of the housing (12) and is fastened, preferably glued, to the housing (12).

Haptic element after Claim 9 , characterized in that the movable magnet (21, 42) is attached, preferably glued, to the flexible plastic material (16).

Control element, in particular for use in a motor vehicle, with one or more haptic elements (10) arranged adjacent to one another according to one of the preceding claims.

Method for operating a haptic element, in particular according to one of the preceding claims, wherein a controllable electromagnet (22, 42) arranged adjacent to a permanent magnet (21, 41) is controlled such that a distance between the two magnets (21, 22, 41, 42) is increased by a repulsive magnetic field generated by the two magnets (21, 22, 41, 42) and a cover (16) of the haptic element (10) is deflected as a result of the movement of one of the magnets.

Procedure according to Claim 12 , characterized in that the distance between the two magnets (21, 22, 41, 42) is preferably varied periodically, in particular depending on a detected position of the cover (16).