CN108351666A

CN108351666A - 操作装置

Info

Publication number: CN108351666A
Application number: CN201680067814.4A
Authority: CN
Inventors: D·梅曼; T·弗赖塔格; I·赫尔曼斯
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-07-31
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: DE102015222714A1; EP3377956A1; CN108351666B; US10509502B2; US20180329559A1; WO2017084785A1; EP3377956B1

Abstract

一种具有操作元件(10)的操作装置(1)，其中所述操作元件(10)被构造为具有至少一个大表面(11)的扁平结构元件，其中所述操作元件(10)可以由操作人员通过输入单元(20)来操作，所述操作装置还具有所述操作元件(10)的支承部(31、32、33、34)，所述支承部实现所述操作元件(10)垂直于所述大表面(11)的升降运动(25)，其特征在于，所述支承部(31、32、33、34)被构造成在升降运动(25)中额外地使操作元件(10)平行于所述操作元件的大表面(11)旋转(27)。

Description

操作装置

技术领域

本发明基于根据独立权利要求1的类型所述的操作装置。

背景技术

越来越多地使用操作装置来操作具有触敏表面的电子设备，而不管操作装置是所谓的触摸板还是触摸屏或触摸显示器。具有电阻或电容工作原理的触摸显示器非常普遍。这些触摸显示器的特征在于，可以通过使用诸如操作者的手的手指或触笔之类的输入设备触摸触敏表面来触发电信号。能够通过扫过触敏表面或触摸和/或扫过触敏表面的多个位置来产生或导出另外的电信号。

为了向使用者传达关于触摸或由此所触发的电子设备的功能的反馈，例如可以设置所谓的触觉反馈。可以例如以触敏元件的对压力屈服的机械支承部的形式实现该触觉反馈。也能够规定，触敏元件借助于由电信号控制的执行器而偏离触敏元件的静止位置。

DE 10 2011 082 143 A1公开了一种具有带有触觉反馈的操作元件的操作装置，其中操作元件能够由操作人员借助于输入单元能够致动，具有第一扁平构件和第二扁平构件，所述第一扁平构件和第二扁平构件以它们的大表面彼此平行定向并且能够相对于彼此移动，其中所述第一扁平构件形成所述操作元件或将操作元件的运动完全地或部分地传递至所述操作元件，其特征在于，扁平构件在维持扁平构件的彼此平行度的同时在静止位置和致动位置之间的被引导，其中在致动位置中，在两个扁平构件之间的距离小于在静止位置中，并且两个扁平构件在扁平构件的静止位置中被弹簧加载。除了升降运动，操作元件在被致动时执行平行于大表面的平移，也就是说操作元件是平行四边形引导的。

此外，通过支承到弹簧元件或弹性体元件上，具有表面的水平可移动性的支承部是已知的。

发明内容

引入基于振动的技术来生成触觉反馈需要同步移动较大的表面，例如整个屏幕或触摸面板。

对于大表面，比如显示器，平行四边形引导需要相当大的结构高度，或者在小的结构高度中需要非常稳定的构件，因为会出现较大的力。稳定的结构形式造成质量的增加，这需要更强的马达驱动以维持所需的振动幅度和/或振动频率，但是或者降低振动强度和带宽。

对于产生触觉反馈所需的快速运动，平行四边形引导由于出现摇晃运动会变得不太合适，摇晃运动会导致运动不均匀。

相对于水平可移动的支承部，所建议的解决方案提供了显著更强的触觉体验的优点，这是因为在至少部分地垂直于作用在触敏表面上的手指中的横向于接触手指的轴线(也就是平行于触敏表面的平面)的运动的可感知性比平行于轴线即垂直于表面的运动显著更小。

致动力的测量是良好触觉解决方案的主要特征。这种力测量在大触觉表面(例如显示屏/显示器)中通常需要多个传感器，这增加了成本。在市场上可供使用的平板计算机的情况下，这例如通过布置在操作元件的大表面后面的四个应变测量片实现。

在具有独立权利要求特征的根据本发明的解决方案中，操作元件的表面和因此该表面的被设置用于触摸的大表面在该大表面的偏移时实施一种类型的旋拧运动，即，垂直于大表面的平移，下文中也称为升降或升降运动，以及平行于大表面的转动和因此围绕垂直于或正交于大表面或平行于升降运动方向的轴线的转动。

为此，建议了一种具有操作元件的操作装置，其中操作元件被构造为具有至少一个大表面的扁平结构元件，其中操作元件由操作人员借助于输入单元通过在大表面上的接触而能够致动，操作装置具有操作元件的支承部，该支承部实现了操作元件垂直于大表面的升降运动，其特征在于，该支承部被构造成使得操作元件在升降运动中额外地平行于操作元件的大表面旋转。

有利地，操作元件的支承部可以包括将操作元件与支座连接的控杆。有利地，控杆在此被构造为摇杆。这个有利地一体形成的控杆将操作元件或触摸面板或者触摸显示器的背离于被设置用于接触的大表面的背侧表面的不同位置与周围环境连接。控杆的长度和安装角度确定了旋转运动与线性运动的比例。

有利地，摇杆能够通过弹簧力复位到摇杆的各自的初始位置中。为此，控杆可以有利地构造为自身易弯的弹簧控杆。

有利地，控杆经由第一支承件连接到操作元件并且经由第二支承件连接到支座。其中该旋转由第一支承件和第二支承件的取向被预先确定。有利地，第一支承件和第二支承件两者的轴线被定向到旋转中点上。在操作元件与控杆之间的角度以及控杆与旋转中点的距离确定了旋转与升降运动的比例。锐角导致小旋转和大行程，钝角导致相应于此增加的旋转角度和较小的升降高度。当使用可能具有与转动点不同距离的多个控杆时，应分别选择该角度，使得对于所有控杆设置行程与转动角度的相同比例。

这种设计的偏差会导致控杆结构中的和操作元件或支座内的强制力和材料应力。材料应力特别是在控杆内作为回复力起作用，该回复力追求使得控杆返回到该控杆的相应的初始位置中。可以有利地使用这种效果。有利地，另外控杆由诸如弹簧钢的弹性材料制成。

本发明利用的情况是，只需要十分之一毫米的量级中的操作元件的小行程，并且围绕与操作元件的大表面正交的轴线的轻微旋转不受干扰。

这种结构的优点是，扁平操作元件的所有点通过拉力和剪力被同步，与弯曲力和扭转力相比，拉力和剪力甚至在薄操作元件表面或显示器表面或面板表面上也能够非常有效地传导。

此外，根据本发明的解决方案具有的优点是，操作元件借助于执行器进行的驱动，例如在水平面内、即平行于操作元件的大表面的马达驱动，是可能的，这方便了结构实施。例如，驱动器的数量可以从两个(右/左)减少到唯一一个。

软或薄的扁平操作元件可以以小的结构成本进入同步运动。因此，例如仅具有唯一的甚至是机械的开关元件的大面积的按键的简单结构是可能的。

简单结构允许低质量结构，这对快速或高频运动特别有利。

以这种方式，例如可以以简单的方式实现大面积的薄的声音发生器或扬声器，其中操作元件用作产生声波的膜。

操作元件的表面可以具有能够选择宽的边界或任意的平面图。

当使用具有偏转镜和多个光学发射元件和接收元件的光学触摸传感器时，能够很容易通过测量操作元件的转动角度φ对致动力进行推断。因此可以节省触觉功能通常所需的特别的力传感器。

操作元件的同步向下运动也或者转动运动可以用于直接致动开关。

操作元件的表面上的在操作元件操作中的压力的测量可以仅通过一个力传感器来实现。为此，例如可以在操作元件的任何位置处测量转动角度φ或升降运动(此处是操作元件的下降)的高度。

如果所提出类型的两个引导系统彼此相继地、即机械串联连接，则可以补偿出现的转动φ。第二系统的支承控杆对此相对于第一系统的控杆指向相反的方向，从而在第二系统中产生与第一系统相反方向的转动。如果两个系统都具有相同的刚度和转动角度与行程的相同比例，那么两个系统的转动角度就会正好相互抵消。

附图说明

在附图中示出本发明的实施例并且在下文更加详细地阐释本发明的实施例。附图中相同的附图标记在此表示相同的或相同起作用的元件。

图示：

图1示出了根据本发明的操作装置的可能实施例的框图，

图2示出了用于阐明根据图1的根据本发明的操作装置的机械部件的工作方式的原理示图，

图3示出了框图1中的截取部分，

图4示出了图2的备选的实施方式，并且

图5示出了用于确定根据本发明的操作装置的操作元件的偏移的评估装置，

图6示出了进一步的截取部分示意，以阐明在本发明的优选实施方式中所使用的摇杆的几何形状。

具体实施方式

在图1以及图2中，引入了具有坐标x、y和z的笛卡尔坐标系。在图1中，x坐标指向右侧，y坐标指向页面内并且z坐标指向顶部。在根据图2的图示中，x坐标指向右侧，y坐标指向顶部，并且z坐标指向页面外。

图1示出了根据本发明的操作装置的优选实施例的框图。

操作装置1包括扁平操作元件10，扁平操作元件具有如图2所示的矩形表面11，该矩形表面也被称为大表面11。大表面11在这里位于由x坐标和y坐标撑开的面中。背离于操作元件10的大表面11的面也被称为背侧12。

操作元件10在当前情况下被构造为触敏操作元件，也就是说被称为所谓的触摸面板，在此附加地具有显示功能，也就是说作为触摸显示器。被设置用于显示在显示器10上的信息由控制部50提供给显示器10。

当优选借助于操作者的输入单元20(即操作者的手的一个或多个手指)或者例如借助于输入笔接触操作元件的大表面11时，操作元件产生由控制部50检测到的电操作信号52或电参量。该操作信号52或该电参量由控制部50处理并且转换为用于触发包括根据本发明的操作装置1的电子器件的功能的控制信号。

如果通过输入单元20将压力施加到大表面上，则该输入单元可以通过传感器60，例如被布置在操作元件10背侧12处的压力传感器，例如压电传感器或应变测量片，被检测，并且作为传感器信号54提供给控制部50。在响应于操作信号52和/或传感器信号54时，控制部能够产生振动信号58，振动信号通过连接到操作元件10背侧12的执行器70，例如压电执行器，转换成平行于z轴、即垂直于操作元件的大表面11的振荡的升降运动25，并且因此被实现为操作元件10的振动。

在图1和图2中所示的实施例中，操作元件10通过布置在该操作元件的背侧12处的控杆31、32、33和34连接到基板40，例如电子器件的电路板。控杆31、32、33和34在当前情况下被构造为摇杆或摆杆。

第一摇杆31在其上端通过第一支承件311连接到操作元件10的背侧，在其下端通过第二支承件312与第一支座连接，第一支座在此由基板40形成。类似地，第二摇杆32在其上端通过第三支承件321连接到操作元件10的下侧12以及在其下端通过第四支承件322与第二支座、例如基板40连接，第三摇杆33在其上端通过第五支承件331连接到操作元件10的下侧12以及在其下端通过第六支承件332与第三支座、例如基板40连接，以及第四摇杆34在其上端通过第七支承件341连接到操作元件10的下侧12以及在其下端通过第八支承件342与第四支座、例如基板40连接。

摇杆31、32、33和34被设置尺寸和布置，使得摇杆在操作元件10逆着z轴、即垂直于操作元件10的大表面11的、即在操作元件10在负z方向上的升降运动25中例如由于通过操作单元20进行的压力而偏移时，操作元件10被引导到具有逆时针转动27的螺旋道。操作表面10因此遵循螺钉状或螺丝锥状的运动。

为此，第一支承件311、第三支承件321、第五支承件331和第七支承件341围绕轴线能够转动，或摇杆31、32、33和34围绕轴线能够倾斜或能够摆转，该轴线位于从以下轴线开始的径向线上，在该操作元件的行程25中进行操作元件10围绕该轴线的转动运动27。在当前情况下，该轴线与图中所示的笛卡尔坐标系的z轴重合。第一支承件311的旋转轴线位于图1中的y轴的负值范围中，第三支承件321的旋转轴线位于y轴上的正值范围中，并且第五支承件331的旋转轴线位于x轴上的负值范围中，并且第七支承件341的旋转轴线位于x轴上的正值范围中。第一摇杆31的第二支承件即下支承件312的旋转轴线平行于第一支承件311的旋转轴线，但是在负z方向和在负x方向上相对于该旋转轴线移动。

因此，第一摇杆31在x方向上不是垂直的，而是沿x轴倾斜的，即在背侧12下方相对于x轴以不等于90°的角度，例如α＝60°布置。类似地，第二摇杆32在x方向上不是垂直的，而是逆着x轴倾斜的，即在背侧12下方相对于x轴以不等于90°的角度，例如α＝120°布置。当利用在箭头20的方向上的力加载操作元件10时，第一摇杆31因此围绕第二支承件312在方向315上倾斜，而第二摇杆32围绕第四支承件322在方向316上倾斜。另外由于第一上支承件311和第二上支承件在径向方向上具有与z轴相同的距离r_B，另外第一摇杆31和第二摇杆32的长度l_B是相同的，那么操作元件10一方面在利用压力加载时实施在负z方向上的升降运动，因此在图中下降，同时操作元件被迫使实施以角度φ围绕z轴的转动运动，因此总体上实施螺旋形的运动。

同样的情况适用于另外的摇杆，即第三摇杆33和第四摇杆34，该另外的摇杆也引起操作元件10的额外支撑并且因此防止操作元件围绕y轴倾斜。

控杆的数量和布置是可变的。使用的控杆越多，那么对该面的弯曲刚度的要求就越低。这对于大而薄的面(例如显示器、触摸板、触摸面板等)尤其重要。

为了产生与箭头方向20相反的复位力矩，控杆可以例如被构造为弯曲弹簧，弯曲弹簧优选至少在单侧不是能够自由转动的，而是例如固定在第一支承件312、第三支承件322、第五支承件332和第七支承件343中。

在图4所示的实施例中，设置6个控杆。其中，四个摇杆33、34、35和36被布置在操作元件10的矩形表面12的角部内或附近，其中这些摇杆的上支承件位于表面12的对角线上并且因此位于从旋转轴线z开始的径向线上。这些摇杆的上支承件的距离分别以r_A与z轴间隔布置并且因此描述围绕z轴的圆。两个另外的摇杆对应于图1至图3的第一摇杆31和第二摇杆32。对于所有控杆33至36，尺寸和安装角度α(33、34、35、36)是相同的，因为围绕旋转轴线z的半径r_A对于所有这些摇杆是相同的。由于第一摇杆31和第二摇杆32以与旋转轴线z不同的距离r_B嵌接，所以第一摇杆和第二摇杆的长度l_B不同于摇杆33、34、35和36的长度，如同样在附图中所示出的那样。

控杆31、32、33、34、35和36的长度和安装角度的计算规则近似地取决于控杆的上支承件与旋转轴线z的距离

安装角度

控杆长度I_B＝h/sin(α)，

其中z表示行程25的高度并且h表示操作元件的背侧12与基板40或摇杆31、32、33、34的下支承件311、321、331、341的距离。计算规则是近似的，因为严格来说，在优选实施方式中，弹簧略微呈梯形。

这在图6中以根据图2的第四摇杆34为例被示出。

上部的第七支承件341的旋转轴线3411在此与x轴重合并且指向操作元件10的旋转轴线，即z轴。由于下部的第八支承件342的旋转轴线3421定向到z轴上，所以上支承件341的旋转轴线3411和下支承件342的旋转轴线3421彼此不平行，而是彼此形成角度。这可以从旋转轴线3421到由x和y坐标撑开的随着操作元件10的大表面11撑开的平面中的投影3423中看出，在那里，下支承件342的旋转轴线3421的投影3423与上支承件342的旋转轴线3411处于角度β中。因此上支承件和下支承件的旋转轴线彼此不完全平行布置，这是因为上轴线和下轴线指向中点，即z轴。因此，摇杆34(控杆)的在外部的即在摇杆的背离于z轴的边缘处的外边缘346大于摇杆的朝向旋转轴线z的在内部的内边缘345，此外，安装角度在控杆的朝向z轴的侧部处相比于在控杆34的背离于z轴的外侧346处略微更加钝，这意味着，摇杆34已经在初始位置P1略微扭曲，即沿着摇杆的纵轴线略微本身转动。在对操作元件20施加压力时，操作元件10和由此该操作元件的大表面11由于摇杆31、32、33和34(在图6中是摇杆34)的布置而遵循螺旋形的轨道，因此以行程25下降，并且沿着逆时针以转动角度φ转动，该转转角度处于在初始位置中的上支承件341的旋转轴线3411和在偏移位置P2中的上支撑件341的以行程25下降的旋转轴线3412的投影3414之间。

在图5中示出了用于确定由于作用于操作元件上的致动力20而造成的操作元件10的偏移25、27和该偏移的程度的评估装置。

所示出的是被压力加载的状态，在该状态中，操作元件10以旋拧运动的形式偏移，也就是说以经组合的升降运动和转动运动的形式偏移。

在对表面11、例如触摸面施加压力时，该表面相对于壳体41扭转27，在壳体41处布置有光源81，例如发光二极管。由于操作元件10同时具有导光功能，因此由光源81发出的光束82的方向相应地改变。这种改变可以通过彼此间隔布置的光敏元件85和86来确定。为此，这些光敏元件被布置成使得这些光敏元件具有相互距离并且操作元件10也用作在光源81与光敏元件85和86之间的光导体。这些至少两个相邻的光传感器85和86的照明强度的差对应于操作元件10的偏移程度并且因此是所施加的压力20的量度。评估可以优选地在控制部50中进行，控制部根据所确定的偏移或压力来产生控制信号或控制功能。

Claims

1.一种具有操作元件(10)的操作装置(1)，

其中，所述操作元件(10)被构造为具有至少一个大表面(11)的扁平结构元件，

其中，所述操作元件(10)能够由操作人员通过输入单元(20)致动，

所述操作装置具有所述操作元件(10)的支承部(31、32、33、34、35、36)，所述支承部实现所述操作元件(10)垂直于所述大表面(11)的升降运动(25)，其特征在于，

所述支承部(31、32、33、34、35、36)被构造成在升降运动(25)中额外地使得所述操作元件(10)平行于所述操作元件的大表面(11)旋转(27)。

2.根据权利要求1所述的操作装置(1)，其特征在于，所述操作元件(10)的支承部包括将所述操作元件(10)与支座(40)连接的控杆(31、32、33、34、35、36)。

3.根据权利要求2所述的操作装置(1)，其特征在于，所述控杆(31、32、33、34、35、36)被构造为摇杆。

4.根据权利要求3所述的操作装置(1)，其特征在于，所述摇杆(31、32、33、34、35、36)借助于弹簧力能够复位到初始位置中。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的操作装置(1)，其特征在于，所述控杆(31、32、33、34、35、36)被构造为自身易弯的弹簧控杆。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的操作元件(1)，其特征在于，所述控杆(31、32、33、34、35、36)通过第一支承件(311、321、331、341)与所述操作元件(10)连接，并且通过第二支承件(312、322、332、342)与所述支座(40)连接，并且通过所述控杆(31、32、33、34、35、36)的尺寸设置及所述控杆的彼此布置来预设所述旋转(27)。