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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen einer Haptik eines
manuell linear bewegten Stellgliedes.
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Haptische
Drehsteller sind elektrische Schalteinrichtungen mit einer drehbaren
Handhabe, an deren Drehbewegung eine Drehbewegungserfassungseinrichtung
angeschlossen ist, um die Drehwinkelstellung der Handhabe zu erfassen.
Bestimmte vordefinierte Drehwinkelstellungen stellen unterschiedliche
Schaltstellungen dar. Ferner umfasst ein solcher Drehsteller einen
Aktuator, beispielsweise ein Gleichstrommotor, mit dem eine Haptik
auf die Handhabe beim Drehen derselben ausgeübt wird. Je nach Ansteuerung
des Aktuators können
unterschiedliche Haptiken realisiert werden, beispielsweise rastende.
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Ein
solcher haptischer Drehsteller ist aus
DE 200 14 425 U1 bekannt.
Bei diesem vorbekannten Drehsteller ist die Handhabe gemäß einem
in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsbeispiel fest auf dem
freien Ende der Motorwelle eines als Aktuator dienenden Gleichstrommotors
angeordnet, wobei die Motorwelle selbst in axialer Richtung bewegbar ist.
Die Motorwelle durchgreift den Elektromotor, damit der der Handhabe
gegenüberliegende
Motorwellenabschnitt genutzt werden kann, um einen Schalter betätigen zu
können,
wenn über
die Handhabe die Motorwelle linear bewegt wird. Somit lässt sich
mit diesem vorbekannten Drehsteller ebenfalls eine Push-Funktion
ausüben.
Eine solche Push-Betätigung
der Handhabe kann als Eingabebestätigung und daher auch zum Navigieren
in unterschiedlichen Menüebenen
eingesetzt werden. Während
eine auf die Handhabe wirkende Haptik bei diesem Drehsteller bei
einer Drehbewegung der Handhabe durch den Aktuator bereitgestellt
wird, ist eine definierte Haptik bei einer linearen Axialbewegung
der Handhabe grundsätzlich
nicht vorgesehen. Für
den Fall, dass durch die Handhabe – wie oben beschrieben – ein Tastschalter,
etwa ein solcher einer Schaltmatte betätigt wird, überträgt sich die einem solchen Schalter eigene
Haptik ebenfalls auf die Handhabe. Die Linearhaptik eines solchen
Drehstellers ist somit abhängig
von der Betätigungshaptik
des jeweils eingesetzten Schalters. Werden jedoch Schalter eingesetzt, die
nur einen sehr geringen Schalthub aufweisen, erfährt die Handhabe in einem ersten
Bewegungsabschnitt keine Haptik; diese setzt erst dann ein, wenn beispielsweise
die durch die Handhabe bewegte Motorwelle auf die Oberfläche des
Schalters auftrifft und anschließend weiter in dieser Richtung
bewegt wird. Dieses deutet, dass die Linearhaptik in einem solchen
Fall erst in einem letzten Bewegungsabschnitt einsetzt. In vielen
Fällen
wird man jedoch anstelle eines herkömmlichen Tastschalters berührungslose Schalteinrichtungen
zum Erfassen der Axialbewegung der Handhabe eines solchen Drehstellers
einsetzen. In diesem Fall kann durch eine solche berührungslose
Schalteinrichtung naturgemäß keine
Axialhaptik bereitgestellt werden.
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Ausgehend
von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher
die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Erzeugen einer Haptik eines
manuell linear bewegten Stellgliedes, etwa der Motorwelle eines
haptischen Drehstellers bereitzustellen, mit der auf dieses Stellglied
unabhängig
von möglichen,
durch dieses Stellglied bewegten weiteren Elementen, wie beispielsweise
elektrischen Schaltern, eine definierte Haptik erzeugt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine eingangs genannte Anordnung gelöst, die
einen dem Stellglied zugeordneten, gemeinsam mit dem Stellglied
linear bewegten Kulissenkörper,
dessen Außenseite
eine in dieser Bewegungsrichtung des Stellgliedes konturierte Schaltkulisse
aufweist, sowie eine ortsfest gegenüber einer Linearbewegung des
Kulissenkörpers angeordnete
Rastfeder mit zumindest einem unter Vorspannung an der Schaltku lisse
des Kulissenkörpers
anliegenden und durch die Schaltkulisse radial zur Linearbewegung
des Kulissenkörpers
bewegbaren Schenkel umfasst.
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Bei
dieser Linearhaptikerzeugungsanordnung ist dem Stellglied ein schub- und zugfest mit dem
Stellglied verbundener Kulissenkörper
zugeordnet. Die Außenseite
des Kulissenkörpers
ist zur Ausbildung der gewünschten
Schaltkulisse konturiert. An der Schaltkulisse des Kulissenkörpers liegt
unter Vorspannung ein Schenkel einer Rastfeder an, der bei einer
linearen Bewegung des Stellgliedes in radialer Richtung zur Bewegungsachse
des Stellgliedes gegen die Federkraft der Rastfeder radial bewegbar
ist, wenn die Schaltkulisse einen sich in Bewegungsrichtung des
Stellgliedes radial vergrößernden
Abschnitt aufweist. Zweckmäßigerweise
ist die Rastfeder U-förmig
ausgebildet, so dass an dem Kulissenkörper zwei den Kulissenkörper einfassende
Schenkel anliegen. Daher sind die Außenbereiche des Kulissenkörpers, an
denen beide Schenkel der Rastfeder anliegen, vorzugsweise gleichermaßen als
Schaltkulisse konturiert. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft,
jedoch nicht zwingend notwendig, da sich eine Haptik auch einstellt,
wenn lediglich einer der beiden Schenkel an einer konturierten Schaltkulisse
anliegt. Grundsätzlich
können
bei Vorsehen einer solchen Rastfeder auch feinrastige Haptiken dadurch
realisiert werden, dass an beiden Schaltkulissen des Kulissenkörpers wechselweise
Rastvertiefungen angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise
ist der Kulissenkörper
axial zur Bewegungsachse des Stellgliedes angeordnet. Bei einer
solchen Ausgestaltung besteht überdies
die Möglichkeit,
den Kulissenkörper
rotationssymmetrisch auszubilden, so dass dann das Stellglied unabhängig von
der jeweiligen Stellung der Rastfeder bezüglich des Kulissenkörpers gedreht
werden kann, wie dieses beispielsweise bei einem haptischen Drehsteller
gewünscht
ist.
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Zum
Erzielen einer definierten linearen Haptik sind der oder die an
dem Kulissenkörper
anliegenden Schenkel in axialer Richtung des Stellgliedes in derjenigen
Richtung, in der die Schenkel durch den Kulissenkörper radial
nach außen
gegen die Kraft der Rastfeder bewegt werden, an einem Widerlager
abgestützt.
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Auch
wenn grundsätzlich
der Einsatz einer Rastfeder aus einem Draht zur Realisierung der
Erfindung eingesetzt werden kann, wird man den Einsatz einer Rastfeder,
die aus einem Blechstreifen, insbesondere einem Federblechstreifen
hergestellt ist, bevorzugen, da diese aufgrund ihrer Querschnittsgeometrie
in Bewegungsrichtung des Stellgliedes eine deutlich höhere Steifigkeit
aufweist. Bei Einsatz einer solchen, aus einem Blechstreifen hergestellten
Rastfeder ist es zweckmäßig, die
Kontaktfläche
zwischen der Rastfeder und dem Kulissenkörper durch zumindest eine jedem
Schenkel angeformte Stelllasche zu realisieren. Eine solche Stelllasche ist
eine aus der Ebene des Schenkels abgekantete Lasche, deren Außenseite
an der Schaltkulisse des Kulissenkörpers anliegt. Bevorzugt ist
eine Ausgestaltung, bei der lediglich ein Teil der Außenseite
der Stelllasche an der Oberfläche
der Schaltkulisse des Kulissenkörpers
anliegt, beispielsweise der durch die Abkantung gebildete Außenradius.
Bei einer solchen Ausgestaltung ist der Kontaktbereich zwischen
dem Schenkel, bzw. der Stelllasche und dem Kulissenkörper klein
gehalten, so dass die Reibung zwischen diesen beiden Elementen die
gewünschte
Haptik nicht oder nur unmerklich beeinträchtigt. Besonders bei drehbar
gelagerten Stellgliedern wie etwa bei Drehstellern ist eine solche
Ausgestaltung zweckmäßig. Zur
Abstützung
des oder der am Kulissenkörper anliegenden
Schenkel einer aus einem Blechstreifen hergestellten Rastfeder ist
es zweckmäßig, Stützlaschen
zu verwenden, die ihrerseits Abkantungen aus der Ebene eines solchen
Schenkels sind. Diese stützen
sich an einem gegenüber
der Axialbewegung ortsfesten Widerlager ab und sind aufgrund der
radialen Bewegbarkeit des oder der Schenkel gegenüber dem
Widerlager in dieser Richtung beweglich.
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Die
radiale Bewegung eines solchen, an dem Kulissenkörper anliegenden Schenkels
kann genutzt werden, um über
diese Bewegung die lineare Stellung des Stellgliedes zu erfassen.
Dieses ist möglich, wenn
sich die einzelnen linearen Schaltstellungen des Stellgliedes durch
einen unterschiedlichen radialen Abstand der Außenseite der Schaltkulisse
von der Bewegungsachse des Stellgliedes unterscheiden. Bei Einsatz
eines rotationssymmetrischen Kulissenkörpers kann dieses durch einen
Stellkegel realisiert sein, wobei der im Durchmesser kleinere Abschnitt
die eine Schaltstellung und ein im Durchmesser größerer Abschnitt
eine zweite Schaltstellung definieren, wobei in beiden Schaltstellungen
der zumindest eine an der Schaltkulisse anliegende Schenkel in radialer
Richtung unterschiedliche Stellungen einnimmt. Zum Betätigen eines
Schalters verfügt
ein solcher Schenkel zweckmäßigerweise über einen
radial abragenden Stellabschnitt, der auf einen elektrischen Schalter
in der einen oder anderen Stellung einwirkt. Ferner kann ein solcher
zweckmäßigerweise
aus der Ebene des Schenkels des Schenkels abgekanteter Stellabschnitt
als Blende im Zusammenhang mit einem berührungslos arbeitenden optoelektronischen Schalter
in eine ortsfest gegenüber
der Radialbewegung des Schenkels angeordnete Gabellichtschranke
oder Gabellichtschrankenanordnung einzugreifen.
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Die
aus der Rastfeder auf die Schaltkulisse des Kulissenkörpers wirkende
Vorspannung kann überdies
genutzt werden, um eine Rückstellung
des Stellgliedes von seiner Ein-Stellung in seine Aus-Stellung zu
bewirken.
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Der
Vorteil der beschriebenen Linearhaptikerzeugungsanordnung liegt
auch in der Möglichkeit, diese
haptische Anordnung sehr kompakt konzipieren zu können. Bei
einem haptischen Drehsteller mit einem als Aktuator dienendem Gleichstrommotor
mit einer den Gleichstrommotor durchgreifenden Motorwelle, auf deren
einem Abschnitt eine Handhabe angeordnet ist, kann der andere aus
dem Gleichstrommotor herausragende Abschnitt genutzt werden, um auf
diesem ggf. zusammen mit anderen Elementen einen rotationssymmetrischen
Kulissenkörper
anzuordnen, ohne dass dieses zu einer nennenswerten Vergrößerung der
benötigten
Bauraumtiefe führt.
Insbesondere wenn der Aktuator, beispielsweise der Gleichstrommotor
in einem Käfig
einer Gelenkschwinge aufgenommen ist, um mit der Handhabe Joystick-ähnliche
Bewegungen durchführen
zu können,
kann diese haptische Anordnung ohne weiteres implementiert werden.
Die Rastfeder selbst ist beispielsweise im Gehäuse des Aktuators oder von
einem den Aktuator tragenden Käfig
gehalten.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1: eine schematisierte Ansicht
eines Teils eines haptischen Drehstellers mit einem axial bewegbaren
Stellglied und einer Linearhaptikerzeugungsanordnung in einer ersten
Schaltstellung des Stellgliedes,
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2: eine zum Teil geschnittene
Detailansicht der Linearhaptikerzeugungsanordnung der 1,
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3: eine Darstellung entsprechend 2 mit der Linearhaptikerzeugungsanordnung
in der zweiten Schaltstellung des Stellgliedes und
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4: die Linearhaptikerzeugungsanordnung
der 1 in der zweiten
Schaltstellung des Stellgliedes.
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Ein
in den Figuren vereinfacht dargestellter haptischer Drehsteller 1 umfasst
als Aktuator einen Gleichstrommotor 2 mit einer den Rotor
durchgreifenden, als Stellglied dienenden Motorwelle 3.
Auf dem in 1 erkennbaren
unteren Abschnitt der Motorwelle 3 ist eine nicht näher dargestellte
Handhabe angeordnet, auf die zum Bereitstellen einer Drehhaptik
bei entsprechender Ansteuerung des Gleichstrommotors 2 beim
Drehen der Handhabe eine Drehhaptik wirkt. Die Motorwelle 3 des
Drehstellers 1 ist in axialer Richtung, wie durch den Pfeil
in 1 gekennzeichnet,
bewegbar. Somit kann die Handhabe dieses Drehstellers 1 auch
einer Push-Betätigung dienen,
beispielsweise als Eingabesignal. Eine solche Push-Betätigung der
Handhabe bzw. der Motorwelle 3 stellt eine lineare Bewegung
der Motorwelle 3 entlang ihrer Drehachse dar.
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Zum
Erzeugen einer Haptik bei Ausüben
der Push-Funktion der Handhabe umfasst der Drehsteller 1 eine
insgesamt mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Linearhaptikerzeugungsanordnung. Die
Linearhaptikerzeugungsanordnung 4 umfasst einen drehmomentschlüssig mit
dem der Handhabe gegenüberliegenden
anderen Abschnitt der Motorwelle 3 verbundenen Kulissenkörper 5.
Der Kulissenkörper 5 ist
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
rotationssymmetrisch konzipiert, um eine durch den Gleichstrommotor 2 bereitgestellte
Drehhaptik nicht zu beeinflussen. Ferner umfasst die Linearhaptikerzeugungsanordnung 4 eine
ortsfest gegenüber einer
Bewegung der Motorwelle 3 und des Kulissenkörpers 5 gehaltene
Rastfeder 6. Die Rastfeder 6 ist aus einem Federblechstreifen
hergestellt. Die Rastfeder 6 ist U-förmig konzipiert; die beiden
Schenkel 7, 7' liegen
unter Vorspannung stehend an der Außenseite des Kulissenkörpers mit
jeweils einer Stelllasche 8, 8' an. Die Anlageanordnung der Schenkel 7, 7' bzw. der Stelllaschen 8, 8' ist in 2 in einer vergrößerten Ansicht
dargestellt. Der Kulissenkörper 5 ist
ein auf das Ende der Motorwelle 3 aufgesetztes Kunststoffteil.
Er weist einen ersten kegel stumpfförmigen Abschnitt 9 auf,
der zum Aufschieben der Rastfeder 6 und zum Aufweiten derselben
durch radiales Wegdrücken
der Schenkel 7, 7' dient.
An den Kegelstumpfabschnitt 9 grenzt ein zylindrischer
Abschnitt 10, an den ein zweiter kegelstumpfförmiger Abschnitt 11 grenzt,
der an seinem anderen Ende durch einen Anschlagflansch 12 begrenzt
ist. Die eigentliche Schaltkulisse des Kulissenkörpers 5 ist durch
die Abschnitte 10, 11 und die Flanschseite 13 des
Anschlagflansches 12 gebildet. In der Null-Stellung der
Handhabe bzw. der Motorwelle 3 liegen die Schenkel 7, 7' der Rastfeder 6 an
dem zylindrischen Abschnitt 10 des Kulissenkörpers 5 mit
ihren Innenseiten an. Der kegelstumpfförmige Abschnitt 11 weist eine
gekrümmte
Mantelfläche
auf, durch die die Linearschalthaptik während des Schaltvorganges bereitgestellt
wird. Der gekrümmte
Verlauf dieses Abschnittes 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel
dergestalt konzipiert, dass in Abhängigkeit von der Kennlinie
der Rastfeder 6 ein über
die lineare Bewegungsstrecke der als Stellglied dienenden Motorwelle 3 eine
konstante Kraft aufgebracht werden muss, bis die Stelllaschen 8, 8' der Schenkel 7, 7' an der Flanschseite 13 des
Anschlagflansches 12 eine Bewegung der Motorwelle 3 in
dieser Richtung begrenzen. Selbstverständlich kann durch unterschiedliche Konzeption
dieses Abschnittes 11 auch eine andere Haptik realisiert
werden, beispielsweise eine solche, gemäß der bei Ausüben einer
Push-Betätigung
der Handhabe 2 zunächst
ein etwas größerer Kraftaufwand
bis zu einem bestimmten Bewegungspunkt notwendig ist und dass der
letzte Bewegungsbetrag bis zum Erreichen der Endposition mit einem
geringeren Kraftaufwand möglich
ist. Beim Bewegen der als Stellglied dienenden Motorwelle 3 durch
eine Push-Betätigung
der Handhabe wird der Kulissenkörper 5 in
die durch die Schenkel 7, 7' der Rastfeder 6 gebildete
Aufnahme eingedrückt,
so dass die Schenkel 7, 7' radial nach außen gegen die aus der Materialelastizität bereitgestellte
Rückstellkraft
der Rastfeder 6 nach außen wegbewegt werden. Bei dieser
Bewegung liegen die Schenkel 7, 7' durch den durch die Abkantung
der Stelllaschen 8, 8' gebildeten Außenradius 14, 14' an dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 11 an
und werden mit sukzessivem Eindrücken
der Motorwelle 3 an diesem entlang bewegt. Begrenzt wird
die lineare Bewegung der Motorwelle durch den durch die Außenseiten
der Stelllaschen 8, 8' mit der Flanschseite 13 des
Anschlagflansches 12 gebildete Anschlaganordnung.
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Die
Rastfeder 6 verfügt – wie in 1 erkennbar – über mehrere
Stütz laschen 15.
Die Stützlaschen 15 sind
ebenso wie die Stelllaschen 8, 8' Abkantungen gegenüber der
Ebene der Schenkel 7, 7'. Die Stützlaschen 15 stützen sich
in nicht näher
dargestellter Art und Weise in Bewegungsrichtung der Motorwelle 3 beim
Ausüben
eine Push-Betätigung der
Handhabe an einem ortsfesten Widerlager ab und gleiten an diesem
Widerlager entsprechend der radialen Bewegung der Schenkel 7, 7', wenn die Push-Funktion
des Drehstellers 1 ausgeübt wird.
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3 zeigt die Linearhaptikerzeugungsanordnung 4 in
der Pushbetätigten
Stellung der Handhabe, in der die Stelllaschen 8, 8' an ihren Außenseiten
an der Flanschseite 13 des Anschlagflansches 12 anliegen.
Die Linearhaptikerzeugungsanordnung 4 in einer perspektivischen
Darstellung als Teil des Drehstellers der 1 ist in dieser Schaltstellung perspektivisch
zudem in 4 wiedergegeben.
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Der
Schenkel 7 der Rastfeder 6 verfügt über einen
radial nach außen
abragenden Stellabschnitt 16, dem bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die
Funktion einer Blende zukommt. Der Stellabschnitt 16 greift
ein in eine ortsfest bezüglich
der radialen Bewegung des Schenkels 7 angeordneten Gabellichtschranke 17, über die
eine Positionserfassung des Stellabschnittes 16 möglich ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
dient die aus dem Stellabschnitt 16 und der Gabellichtschranke 17 gebildete
berührungslose
Schalteinrichtung zum Erfassen einer Push-Betätigung
der Handhabe, wenn sich die Motorwelle 3 in ihrer in den 3 und 4 gezeigten Stellung befindet. Somit
dient die Rastfeder 6 gleichzeitig als Stellglied einer
elektrischen Schalteinrichtung zum Erfassen der linearen Stellung
der Motorwelle 3 und somit der Handhabe, ohne dass diesbezüglich durch
weitere Schalter oder dergleichen ein größerer Einbauraum benötigt werden
würde.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Push-Bewegung der Handhabe bzw. der Motorwelle 3 als
Tastschalter ausgelegt, so dass die in den 3 und 4 gezeigte
Ein-Stellung des Stellgliedes (Motorwelle 3) nicht durch
eine Rastung fixiert ist. In diesem Fall dient die über die
Federschenkel 7, 7' auf
den Kulissenkörper 5 ausgeübte Federkraft
der Rastfeder 6 gleichzeitig zum Zurückführen der Motorwelle 3 bzw.
der Handhabe in ihre in den 1 und 2 gezeigte Null-Stellung,
wenn die Handhabe nach erfolgter Push-Betätigung von einem Benutzer losgelas sen
wird. Somit kommt der Rastfeder 6 des in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
neben der Funktion zur Erzeugung einer Haptik und der Funktion eines
Stellgliedes eines elektrischen Schalters auch die Funktion eines
Rückstelluelementes
zu.
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Neben
dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Kulissenkörper auch konzipiert
sein, um zwei oder auch mehrere hintereinander liegende Schaltstellungen
realisieren zu können.
Eine Erfassung der Stellung der als Stellglied dienenden Motorwelle 3 kann über eine
entsprechend konzipierte Gabellichtschranke erfolgen. Zusätzlich können durch
umlaufende Nuten die einzelnen Schaltstellungen der Motorwelle in
axialer Richtung haptisch innerhalb des kegelstumpfförmigen Abschnittes 11 des
Kulissenkörpers 5 kenntlich gemacht
sein. Unterschiedliche Stellungen der Motorwelle 3 in axialer
Richtung können
etwa durch Einrasten des Außenradius 14, 14' der Stelllaschen 8, 8' in solche Nuten
realisiert sein; in den meisten Fällen wird man jedoch nur solche
Nuten vorsehen, die einem Benutzer haptisch eine Schaltstellung
signalisieren, aus denen sich die als Stellglied eingesetzte Motorwelle 3 jedoch
in ihre Null-Stellung zurückbewegt,
sobald ein Benutzer die Handhabe loslässt.
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- 1
- Drehsteller
- 2
- Gleichstrommotor
- 3
- Motorwelle
- 4
- Linearhaptikerzeugungsanordnung
- 5
- Kulissenkörper
- 6
- Rastfeder
- 7,
7'
- Schenkel
- 8,
8'
- Stelllasche
- 9
- Kegelstumpfabschnitt
- 10
- zylindrischer
Abschnitt
- 11
- kegelstumpfförmiger Abschnitt
- 12
- Anschlagflansch
- 13
- Flanschseite
- 14,
14'
- Außenradius
- 15
- Stützlasche
- 16
- Stellabschnitt
- 17
- Gabellichtschranke