CN108027627B - 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)设置有具有前表面的壳体(26)和设置在壳体(26)的前表面上且具有操作表面(14)的操作元件(12)。操作元件(12)以弹簧‑弹性的方式安装。此外，设置至少一个传感器(28)以检测操作元件(12)的致动运动。操作单元(10)另外具有至少一个致动器(32)，在由传感器(28)以及分析和控制单元(30)检测到的操作元件(12)的致动运动的情况下用于操作元件(12)的反馈运动，分析和控制单元(30)连接到所述至少一个传感器(28)和致动器(32)。致动器(32)设计为电枢型电磁体，电枢型电磁体具有包括第一励磁线圈(52)的第一定子(48)和作为驱动元件(34)的电枢(46)。此外，电枢(46)设置有测量线圈(56)，当由第一励磁线圈(52)产生的磁通量流过电枢(46)时，测量电压施加到测量线圈(56)。第一励磁线圈(52)和测量线圈(56)连接到分析和控制单元(30)，并且通过分析和控制单元(30)，可以应用开环和/或闭环控制致动器(32)的电枢(46)可朝向第一定子(48)运动和/或电枢(46)从远离其静止位置的偏转运动的力以及电枢(46)回到其静止位置适于被控制和/或调节。

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符号字段(symbol fields)适于以菜单-驱动的方式来表示，通过该菜单-驱动方式可以通过有效的驱动来选择用于车辆部件的功能，例如按压(也称为力感)，正变得越来越流行。例如，操作者将接收以操作元件在其激活之后的附加主动移动(所谓的力反馈)形式的功能选择的触觉确认。
从DE-A-10 2008 035 907和DE-A-10 2012 000 568中已知触敏输入装置。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。
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)作为致动器。这种电枢型磁体(armature-type magnet)的定子因此被电磁操作。为了调整操作元件的操作表面的所需的运动，致动器处的时间力的进展(the temporal force progression)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前后移动的力。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(haptic feedback)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板的情况下，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。
发明内容
本发明的目的是在构造为电磁体的致动器中提供相对精确且便宜的力测量，用于来自车辆操作单元的操作元件的触觉反馈。为此目的，电磁体可以配置为单电枢或双电枢。
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，其包括操作表面，其中操作元件为弹簧-弹性地安装，
-至少一个传感器，用于检测操作元件的致动运动(actuation movement)，
-至少一个(例如，电磁的或压电的)致动器，在由传感器检测操作元件的致动运动的情况下用于操作元件的反馈运动，以及
-分析和控制单元，其连接到至少一个传感器和致动器。
根据本发明，在这种操作单元中提供
-致动器被配置为具有第一定子的电枢型电磁体，该第一定子包括作为驱动元件的第一励磁线圈和电枢，
-电枢设置有测量线圈，当由第一励磁线圈产生的磁通量流过电枢时，测量电压施加到所述测量线圈，以及
-第一励磁线圈和测量线圈连接到分析和控制单元，其中，借助于分析和控制单元使力适于被控制和/或调节，借助于该力，致动器的电枢适于朝向第一定子移动和/或借助于该力电枢远离其静止位置的偏转运动(deflection movement)以及电枢返回其静止位置的返回运动适于被控制和/或调节。
利用根据本发明的用于通过测量线圈测量流经电枢的磁通量和在后者处感应的电压下降的方法，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。
当电枢设置在两个电磁操作的定子之间时可能是进一步有利的。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和/或第二定子移动和/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将被控制和/或调节。
为了实现尽可能均匀的穿过整个操作表面的触觉反馈，操作单元可以有利地提供
-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，所述控制元件沿垂直运动轴线且沿着横向运动轴线弹性地安装在所述壳体处和/或所述壳体中，所述垂直运动轴线基本垂直于所述操作表面延伸，横向运动轴线基本上横向于所述操作表面延伸，
-至少一个传感器，用于检测操作元件在垂直运动轴线的方向上的致动运动，
-致动器，安装在壳体中和/或壳体上，用于在操作元件的识别的致动运动的情况下至少还沿着横向运动轴线的操作元件的反馈运动，其中致动器包括驱动元件，该驱动元件适于电磁控制并与操作元件机械耦合，其适于沿着有效的运动轴线前后移动，以及
-分析和控制单元，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。
根据本发明的这个方面，操作元件的致动的主动触觉反馈通过操作元件的横向偏转(lateral deflection)来实现。为了致动，操作元件沿垂直运动轴线移动，所述垂直运动轴线基本垂直于操作表面延伸。如果传感器检测到该致动运动(力感)，则操作元件的主动运动(力反馈)，例如，在横向运动方向上或者在横向方向上运动分量(例如，通过沿与操作表面成锐角的方向的机械激励，例如向左或向右、向上或向下)进行。必须小心操作元件不能倾斜。操作元件基本上包括具有相应的显示器设计和技术(例如，LCD显示器)和背光的显示器，使得它可以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运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，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，本发明的这个方面规定，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位置。因此，驱动元件的有效运动轴线相对于用于主动触觉反馈的预期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保持其在主动触觉反馈的空间中的对准，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。取决于激励的迎角(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。
该措施允许以纯粹平移的方式(具有垂直和横向运动分量)执行主动触觉反馈运动，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通过复位弹簧元件进一步减小，借助于复位弹簧元件，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同一平面中。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平行于该有效运动轴线的两侧上的致动器的驱动元件的有效运动轴线延伸，由此在操作元件返回运动到初始位置期间，可能作用在操作元件上的不需要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，操作元件的移动为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(haptic sensation)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构造解决方案不再需要。
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合适的。
根据本发明的另一方面，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中，如安装空间所允许的那样，致动器尽可能地靠近操作元件下方设置，和/或者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，其位于横向运动轴线上或与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所跨越的平面基本上垂直地延伸的平面中，并且与横向运动轴线对称地布置。
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极的致动器的透视图，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或平行于致动器32的有效轴线38延伸(在图1中，由双箭头42指示)。
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，该平面是绘图平面。
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，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：
Figure BDA0001591855910000071
(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：
Figure BDA0001591855910000072
(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 (3)

1.一种用于车辆部件的操作单元，具有
-壳体，具有前表面，
-操作元件，设置在所述的壳体的前表面上，包括操作表面，其中所述的操作元件为弹簧-弹性地安装，
-至少一个传感器，用于检测所述的操作元件的致动运动，
-至少一个致动器，在由所述的传感器检测到的所述的操作元件的致动运动的情况下用于所述的操作元件的反馈运动，以及
-分析和控制单元，连接到所述的至少一个传感器和所述的致动器，
其特征在于，
-所述的致动器被配置为电枢型电磁体，所述的电枢型电磁体具有包括第一励磁线圈的第一定子和作为驱动元件的电枢，
-所述的电枢设置有围绕所述的电枢的中央部分的测量线圈，当由所述的第一励磁线圈产生的磁通量流过所述的电枢时，测量电压施加到所述的测量线圈，并且
-所述的第一励磁线圈和所述的测量线圈连接到所述的分析和控制单元，其中通过所述的分析和控制单元，力适于被控制和/或调节，借助于所述的力，所述的致动器的电枢适于沿朝向或远离所述的第一定子的方向移动，向所述的方向的移动包括所述的电枢远离其静止位置的偏转运动以及所述的电枢返回其静止位置的返回运动，以及
所述的致动器设置成使得适于所述的致动器在向所述的方向移动时相对于所述的操作元件的操作表面倾斜。
2.根据权利要求1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的第二定子，其中两个定子设置在所述的电枢的两侧，并且所述的第二励磁线圈也连接到所述的分析和控制单元，其中借助于所述的分析和控制单元，相应的力适于被控制和/或调节，借助于所述的力，所述的电枢适于朝向所述的第一定子和/或第二定子的相应方向移动和/或所述的电枢远离其静止位置的偏转运动以及所述的电枢返回其静止位置的返回运动适于被控制。
3.根据权利要求1所述的操作单元，其特征在于，所述的操作单元是用于操作各种车辆部件的信息娱乐系统。
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