CN108025647A - 用于车辆的操作单元 - Google Patents

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Abstract

用于车辆的操作单元(10)设置具有前表面的壳体(26)以及设置在壳体(26)的前表面上的操作元件(12)，并且具有重心(40)和操作表面(14)。操作元件(12)沿着基本垂直于操作表面(14)延伸的垂直运动轴线(18)并且沿着基本上横向延伸的横向运动轴线(20)以弹簧‑弹性的方式安装在壳体(26)上和/或壳体(26)中。提供至少一个用于检测操作元件(12)在垂直运动轴线(18)的方向上的致动运动的传感器(28)。此外，操作单元(10)包括设置在壳体(26)中和/或壳体(26)上的用于操作元件(12)至少也在横向运动轴线(20)中的反馈运动的致动器(32)操作元件(12)的运动，其中致动器(32)包括机械地耦合到操作元件(12)的电磁可控驱动元件(34)，其沿着运动轴线(38)来回移动。操作元件(12)的重心(40)位于致动器(32)的驱动元件(40)的运动轴线(38)上。

Description

用于车辆的操作单元
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的操作单元，该操作单元例如可以是用于操作各种车辆部件的信息娱乐系统。
背景技术
操作单元具有显示组件，在该显示组件上，例如，各种菜单-驱动符号字段(symbolfields)适于表示，通过该菜单-驱动方式可以选择用于车辆部件的功能，正变得越来越流行。操作者将接收以操作元件在其激活之后的附加主动移动形式的功能选择的触觉确认。该触觉反馈设计为在操作元件的整个操作表面上尽可能均匀。
从DE-A-10 2008 035 907中已知一种具有沿垂直方向弹性安装的操作元件的触敏输入装置。从DE-A-10 2009 007 243中已知一种输入装置的横向弹簧弹性安装的操作元件。此外，在DE-A-100 43 805中公开了一种用于内燃机的阀操作的机电致动器，其中致动器设有测量线圈。
本发明的目的是提供一种用于车辆的操作单元，该操作单元设置有至少一个操作元件，该操作元件具有操作表面，其中触觉感觉基本上与操作表面被触摸和致动的位置无关，并且配备有主动触觉反馈。
发明内容
为了实现该目的，本发明提供了一种用于车辆的操作单元，其中操作单元设置
-壳体，具有前表面，
-操作元件，设置在壳体的前表面上，其包括重心和操作表面，
-其中操作元件沿基本垂直于操作表面延伸的垂直运动轴线及沿基本上相对于所述操作表面横向延伸的横向运动轴线弹性地安装在壳体处和/或壳体内，
-至少一个传感器，用于检测在垂直运动轴线方向上的操作元件的致动运动(actuation movement)，
-安装在壳体中和/或壳体上的致动器，用于在识别的操作元件的致动运动的情况下至少还沿着横向运动轴线进行操作元件的反馈运动，其中致动器包括(例如，电磁或压电)驱动元件，其适于被控制并且与操作元件机械地耦合，其适于沿着有效运动轴线向前和向后移动，以及
-分析和控制单元，其连接到传感器和致动器，
-其中操作元件的重心位于致动器的驱动元件的有效运动轴线上。
根据本发明，操作元件的致动的主动触觉反馈通过与操作元件的操作表面成锐角的强制移动(forced movement)来实现，作为结果，该移动包括横向分量和通常延伸到操作表面的垂直分量。为了致动目的，操作元件沿垂直运动轴线移动，该垂直运动轴线基本上垂直于操作表面延伸。如果通过传感器检测到该致动运动，则执行包括操作元件的横向运动分量(例如向左或向右、向上或向下)的主动运动。必须注意的是，操作元件不倾斜，但是如果没有任何特殊的措施，那么当正常情况下，执行器没有在操作元件的重心处连接到操作元件时，这几乎是不可能的。操作元件基本上包括具有相应的显示设计和技术(例如，LCD显示器)和背光的显示器，使得其可具有相当大的整体安装深度。由于在理想的情况下，致动器最好直接设置在该操作元件的下方，其驱动元件在操作元件的重心外的横向移动方向上与后者接合，以执行主动触觉反馈运动。没有任何相应的措施，这不可避免地导致操作元件的倾斜，这是不希望的。已知的解决方案针对具有相应的弹簧系统设计的强制引导(forcedguide)，借助于该引导操作元件被安装到操作单元的壳体。这涉及很大的机械力。
因此，本发明提供了，操作元件和致动器被机械地设置成使得它们相对于彼此对齐，使得操作元件的重心位于驱动元件的有效运动轴线上。因此，驱动元件的有效运动轴线的延伸位于操作元件的重心。因此，驱动元件的有效运动轴线相对于主动触觉反馈的所需横向运动方向以锐角延伸。由于操作元件沿着驱动元件的有效运动轴线移动，操作元件的反馈运动除了横向运动分量之外还包括垂直运动分量，但是这没有干扰效应。相反，至关重要的是，操作元件的操作表面在主动触觉反馈的空间中保持其对准，即经历横向平行位移。
因此，一般可以说，由于用于触觉反馈的操作元件的激励(excitation)，操作元件以横向主运动和垂直于操作表面的二次运动的形式的合成运动被执行。根据激励的迎角(attack angle)，正常运动分量的大小可以变化。因此，通常不会发生纯粹的横向运动。
根据本发明的措施允许主动触觉反馈运动以纯粹平移的方式执行，因为驱动元件的有效方向穿过操作元件的重心。
操作元件的触觉反馈中的旋转运动分量被复位弹簧元件进一步减小，借助于该复位弹簧元件，操作元件在主动触觉反馈之后返回到初始位置，与操作元件的重心位于共同的平面中。在此，有效弹簧轴线与致动器的驱动元件的有效运动轴线重合。如果不是这种情况，则操作元件的主动触觉反馈运动的模式将包括旋转分量。由于安装空间的原因，弹簧的有效轴线通常在该有效运动轴线的两侧平行于致动器的驱动元件的有效运动轴线延伸，由此可能在操作元件的返回运动至初始位置期间作用于操作元件的不期望的力矩，在很大程度上被中和。
此外，主动地控制或调节向前和返回路径中的触觉是有利的。为此目的，如果可能的话，操作元件的移动是纯粹平移的也是关键的，这可以通过根据本发明的方法来实现。此外，根据本发明的方法基本上确保触觉感觉总是独立于操作表面上的致动位置而相同。根据本发明，用于操作元件的弹簧安装使得后者执行纯粹的平移运动的复杂结构解决方案不再需要。
当操作元件的横向运动轴线和致动器的驱动元件的有效运动轴线跨越基本垂直于操作表面延伸的公共垂直平面时是适当的。
根据本发明的另一方面，可以提出，壳体包括在操作元件下方的安装空间，并且为了实现致动器的驱动元件的有效运动轴线与操作元件的横向运动轴线之间的最小可能的角度，致动器尽可能靠近操作元件的下方安装，和/或如安装空间所允许的尽可能远离操作元件的重心。致动器的有效运动轴线与操作元件的横向运动轴线之间的角度越小，操作元件相对于反馈运动的横向运动分量的横向运动分量越大。
根据本发明的另一方面，操作单元包括用于操作元件的复位弹簧元件，该复位弹簧元件具有设置在操作元件的两侧上的有效弹簧轴线，位于横向移动轴线上或者在基本上垂直于跨越通过致动器的驱动元件的有效运动轴线和操作元件的横向运动轴线的平面延伸的平面并且与横向运动轴线对称地设置。
此外可规定，致动器配置具有第一定子的电枢型电磁体，该第一定子包括第一励磁线圈并具有作为驱动元件的电枢，该电枢设置有当由所述第一励磁线圈产生的磁通量流过所述电枢时施加测量电压的测量线圈，并且所述第一励磁线圈和所述测量线圈连接到所述分析和控制单元，其中通过所述分析和控制单元使所述力适于被控制和/或调节，借助于所述力所述致动器的驱动元件适于朝向所述第一定子移动和/或所述驱动元件偏离其静止位置的偏转运动以及所述驱动元件返回到其静止位置的返回运动适于被控制和/或调节。
根据本发明的这个方面，有利地提供了在构造为用于操作元件的触觉反馈的电磁体的致动器中的相对精确且便宜的力测量。为此目的，电磁体可以配置为单电枢或双电枢。
由于安装空间和成本原因，常常使用没有永磁体的电磁体(电枢型磁体)作为用于触觉反馈的致动器。因此，这种电枢型磁体(armature-type magnet)的定子被电磁操作。为了调整操作元件的操作表面的所需运动，致动器处的时间力的进展(the temporal forceprogression)必须是精确可调的。另外，可能需要分别主动地建立操作元件向前和向后移动的力。这可以通过在两个电磁定子之间具有共同电枢的双电枢型磁体来实现。
在磁场缓慢变化的情况下，电磁体的力基本上取决于电枢电流以及电枢与定子之间的气隙。然而，在触觉反馈情况下的力进展是非常动态的并且包括1kHz以上的频率分量。在这里，在通常使用的用于引导磁通量的加工钢或电气片的情况下，电流和力之间的连接并不是微不足道的，并且只能通过非常复杂的建模来描述。此外，由于机械公差和操作表面的运动，气隙并不完全已知，因此只能粗略估计电枢型磁体的作用力。
利用这里描述的通过测量线圈用于测量流过电枢的磁通量和感应电压在后者处下降的方法，可以控制和/或调节电枢的力和运动。此外，电枢的运动可以有目的地减弱，从而可以避免电枢向前和向后运动的相应终点位置的过冲。
如上所述，当电枢设置在两个电磁操作的定子之间时更有利。在本发明的这个实施例中，电枢由此包括具有第二励磁线圈的第二定子，其中两个定子设置在电枢的两侧，并且第二励磁线圈也连接到分析和控制单元，其中通过分析和控制单元，相应的力适于被控制和/或调节，借助于该力，驱动元件适于在朝向第一定子和/或第二定子的相应方向上移动和/或驱动元件远离其静止位置的偏转运动以及驱动元件向其静止位置的返回运动适于被控制和/或调节。
附图说明
以下参照附图基于示例性实施例详细描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出了用于车辆部件的操作单元的侧视图，该操作单元具有配置为显示元件和弹簧弹性安装的操作元件以及用于致动操作元件的主动触觉反馈，
图2示出被配置为具有定子和电枢的电枢型磁体的电磁体，用于基本解释这种电磁体的电磁相关特性，
图3示出了被配置为用于主动触觉反馈的双电磁体的致动器的透视图，以及
图4示出了根据图3的电磁体的可能的电路结构。
附图标记说明
10 操作单元
12 操作元件
14 操作元件的操作表面
16 符号字段
18 操作元件的垂直运动轴线
20 操作元件的横向运动轴线
22 弹簧元件
24 弹簧元件
26 壳体
28 传感器
30 控制单元
32 致动器
34 致动器的驱动元件
36 致动器的定子部分
38 致动器的有效运动轴线
40 操作元件的重心
42 有效弹簧轴线
44 平面
46 电枢
48 定子
50 定子
52 励磁线圈
54 励磁线圈
56 测量线圈
58 气隙
60 气隙
62 微控制器
64 低通
具体实施方式
在图1中示出了包括操作元件12的操作单元10的示意性侧视图。在该示例性实施例中，操作元件12被配置为具有操作表面14的显示器组件，多个符号字段16适于被表示在该操作表面14上。通常，操作元件12为背光式。
为了在竖直运动方向上执行致动运动(参见双箭头18)以及为了确认这样的横向方向上的致动运动(参见图1中的双箭头20)，操作元件12通过第一弹簧22以及第二弹簧24弹性地安装在壳体26。传感器28可以确定操作元件已经沿着竖直运动轴线18移动。这在分析和控制单元30中被确定，在分析和控制单元30中，后者控制致动器32，致动器被配置为包括驱动元件34的电磁体。致动器32的固定定子部分36支撑在壳体26上，而致动器32的驱动元件34与操作元件12机械耦合。驱动元件34的有效运动轴线由双箭头38表示。
操作元件12的设计越大越复杂，其越重并且占据更多的安装空间。如果要求触觉反馈在整个操作表面14上是相同的，则操作元件12应专门执行触觉反馈的平移运动。理论上，这可以以非常简单的方式实现，其中致动器32的驱动元件34接合在操作元件12的重心40中。然而，给定的安装空间不允许这样做。
如果仍然意图操作元件12专门为触觉反馈执行平移运动，则相对简单的设计方案是设置致动器32，使得操作元件12的重心40位于致动器32的驱动元件34的有效运动轴线38上。这在图1中示出，其中图1还示出了当已经识别到致动运动并且操作元件12的致动被触觉反馈确认时，操作元件12如何主动地移动。这里应该注意的是，第二弹簧元件24和/或它们的有效弹簧轴线42理想地位于重心40且致动器32的有效运动轴线38也位于的平面中，其中，致动器32和第二弹簧24的有效轴线位于公共线上。
实质上该平面44垂直延伸到通过操作元件12的横向运动轴线20和致动器32的驱动元件34的有效运动轴线38所跨越的平面。参考图1，该平面是图平面。
因此，用于触觉反馈的操作元件12的纯粹的平移运动包括横向分量和垂直分量。该反馈运动不是纯粹横向的事实对于触觉感觉在操作元件12的整个操作表面14上是相同的事实并不重要。至关重要的是，操作元件12不执行用于触觉反馈的任何旋转运动(anyrotatory movement)，即在空间中有操作元件12的平行位移。
如上所述，特别是由于安装空间和成本原因，电磁体经常被用作操作元件的触觉反馈的致动器。这种电磁体施加的力只能在增强的力下估算，并且主要取决于电磁体的电流和气隙。以下根据图2说明电磁体时的适用条件。
在图2中示出了一种电磁体，其定子和电枢由高渗透性材料(通常为机加工钢或电工片)制成，并且其磁场通过通电的励磁线圈建立起来。
这种电磁体的力通常由激励电流和气隙大小来计算。然而，在触觉反馈情况下的力进展是非常动态的，并且频率分量高于1kHz。这里，在通常使用的用于引导磁通量的机加工钢或电气片的情况下，电流和力之间的连接并不是微不足道的，并且只能通过非常复杂的建模来描述。另外，由于机械公差和操作表面的运动，气隙不是完全已知的，因此致动器的力作用只能被粗略估计。通过使用“麦斯威尔抗拉强度公式”(Maxwell tensilestrength formula)和用于测定气隙中的磁通量密度的测量线圈，可以避免这个问题，其中，通常，电压测量比电流测量更便宜：
(F－致动器力，μ0－空气的渗透性，AL－气隙表面，BL－气隙中的磁通密度)
在实际应用中，气隙磁通密度的相对较低的不均匀性可以通过校正因子来解释，这又引起通过测量线圈简单地实现力测量：
(t－时间，C－气隙校正系数，NMS－测量线圈的绕组数量，u(t)－测量线圈中的感应电压)
感应电压的积分可以通过系统中通常存在的微控制器进行数字化处理。因此，在控制过程中的任何时候都可以知道这个力。
图3示出了致动器32的透视图。该致动器32构造为双电磁体，其驱动元件34用作电枢46，设置在第一定子48和第二定子50之间，可以沿有效运动轴线38在两个相反方向上产生力。
第一定子和第二定子48、50固定在壳体26上，而电枢46固定地连接到操作元件12。第一定子48包括第一励磁线圈52，而第二定子50设有第二励磁线圈54。电枢46被测量线圈56包围。在电枢46的两侧分别设置第一气隙和第二气隙58、60。由于作用在电枢46上的力分别指向一个方向，所以励磁线圈52、54不同时但交替地被通电。测量线圈56在电枢46处的设置允许沿有效运动轴线38在两个有效方向上进行精确且便宜的力测量。
作为示例，可以通过可以形成分析和控制单元30的一部分的微控制器62来执行在测量线圈56中感应的电压的控制和分析。包括微控制器62的电路配置的示例如图4所示。测量线圈56中的感应电压首先通过简单的低通64平滑化，以从测量信号中消除PWM时钟(PWMclocking)(通常频率>20kHz)，用于交替地控制两个励磁线圈52、54。此后，微控制器62检测感应电压并将其数字积分。低通64的极限频率应该足够高于力进展的最高频率分量。

Claims (6)

1.一种用于车辆的操作单元，特别是用于操作各种车辆部件的信息娱乐系统，具有
-壳体(26)，具有前表面，
-操作元件(12)，设置在所述的壳体(26)的前表面上，包括重心(40)和操作表面(14)，
-其中所述的操作元件(12)沿着基本上垂直于所述的操作表面(14)延伸的垂直运动轴线(18)且沿着基本上相对于其横向延伸的横向运动轴线(20)弹簧-弹性地安装在所述的壳体(26)处和/或所述的壳体(26)内，
-至少一个传感器(28)，用于检测所述的操作元件(12)在所述的垂直运动轴线(18)的方向上的致动运动，
-致动器(32)，安装在所述的壳体(26)中和/或所述的壳体(26)处，用于在所述的操作元件(12)的识别的致动运动的情况下至少还在所述的横向运动轴线(20)中的操作元件(12)的反馈运动，其中所述的致动器(32)包括适于被控制且与所述的操作元件(12)机械耦合的驱动元件(34)，适于沿着有效的运动轴线(38)前后运动，以及
-分析和控制单元(30)，连接到所述的传感器(28)和所述的致动器(32)，
其特征在于
-所述的操作元件(12)的重心(40)位于所述的致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)上。
2.根据权利要求1所述的操作单元，其特征在于，所述的操作元件(12)的横向移动轴线(20)和所述的致动器(32)的驱动元件(34)的有效移动轴线(38)跨越共同的竖直平面，实质上垂直于所述的操作表面(14)延伸。
3.根据权利要求2所述的操作单元，其特征在于，所述的壳体(26)包括在所述的操作元件(12)下方的安装空间，并且为了实现所述的致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)和所述的操作元件(12)的横向运动轴线(20)之间的最小可能的角度，在所述的安装空间所允许的情况下所述的致动器(32)尽可能靠近所述的操作元件(12)下方设置，和/或在所述的安装空间所允许的情况下尽可能远离所述的操作元件(12)的重心(40)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的操作单元，其特征在于，复位弹簧元件(24)具有设置在所述的操作元件(12)的两侧上的操作元件(12)的有效弹簧轴线(42)，其位于横向运动轴线(20)上或者位于所述的致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)上或与所述的致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)平行，或者位于平面(44)，所述的平面(44)实质上垂直于由所述的致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)和所述的操作元件(12)的横向运动轴线(20)所跨越的平面，且相对于所述的横向运动轴线(20)对称地设置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的操作单元，其特征在于，所述的致动器(32)构造为电枢型电磁体，所述的电枢型电磁体具有包括第一励磁线圈(52)的第一定子(48)以及作为驱动元件(34)的电枢(46)，所述的电枢(46)设置有测量线圈(56)，当由所述的第一励磁线圈(52)产生的磁通量流过所述的电枢时，施加测量电压至测量线圈(56)，并且所述的第一励磁线圈(52)和所述的测量线圈(56)连接到所述的分析和控制单元(30)，其中通过所述的分析和控制单元(30)，所述的力适于被控制和/或调节，借助于所述的力，所述的电枢(46)适于朝向所述的第一定子(48)移动和/或所述的电枢(46)远离其静止位置的偏转运动以及所述的电枢(46)返回其静止位置的返回运动适于被控制和/或调节。
6.根据权利要求5所述的操作单元，其特征在于，所述的电枢型电磁体包括具有第二励磁线圈(54)的第二定子(50)，其中两个定子(48，50)设置在所述的电枢(46)的两侧，并且所述的第二励磁线圈(54)也连接到所述的分析和控制单元(30)，其中通过所述的分析和控制单元(30)，相应的力适于被控制和/或调节，借助于所述的力，所述的电枢(46)适于在朝向所述的第一定子和/或第二定子(48，50)的相应方向上移动和/或所述的电枢(46)远离其静止位置的偏转运动以及所述的电枢(46)返回其静止位置的返回运动适于被控制。
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