CN108602435A - 用于车辆的操作单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于车辆的操作单元(10)，所述操作单元设置有壳体(26)，所述壳体具有前侧和布置在所述壳体(26)的前侧上的操作元件(12)，所述操作元件具有质心(40)和操作表面(14)。操作元件(12)沿着基本上正交于操作表面(14)的垂直运动轴线(18)并且沿着基本上横向于所述垂直运动轴线延伸的横向运动轴线(20)以弹簧弹性方式安装在壳体(26)上和/或壳体中。本发明还涉及至少一个传感器(28)，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。所述操作单元还包括：布置在壳体(26)中和/或壳体上的致动器(32)，用于反馈操作元件(12)在检测到的操作元件(12)的致动运动期间至少也在横向运动轴线(20)上的运动；以及弹簧框架(70)，用于操作元件(12)的弹簧弹性安装。弹簧框架(70)包括两个横向框架部分(74)，所述横向框架部分横向于横向运动轴线(20)延伸，在每个横向框架部分中采用至少一个片簧臂(76)。每个片簧臂(76)包括连接到弹簧框架(70)的第一端(78)和自由的第二端(80)。每个片簧臂(76)在垂直平面内延伸，并且横向运动轴线(20)横向于所述垂直平面延伸。每个片簧臂(76)在垂直平面中也是弹簧弹性的。操作元件(12)在弹簧框架(70)的片簧臂(76)的外侧被固定到所述弹簧框架上，并且弹簧框架(70)的片簧臂(76)的自由第二端(80)固定在壳体(26)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的操作单元，其可以是例如用于控制各种车辆部件的信息娱乐系统。
背景技术
包括适于显示(例如由菜单控制)用于选择车辆部件的功能的各种符号字段的显示类型的操作元件的操作单元变得越来越流行。在这样的操作单元中，操作人员将被给予对功能选择的触觉确认，这例如通过操作元件在其致动之后的附加主动运动来实现，其中，致动伴随着(特别是难以察觉的)操作元件的运动。当在操作元件的整个操作表面上观察时，该触觉反馈应该尽可能均匀。上述概念也称为力感力反馈(Force Sense ForceFeedback)。操作单元的设计需要操作元件的弹性支撑可能沿着两个不同的轴线，这可能过于复杂，尤其是当操作元件(例如由于其尺寸和其部件的数量)具有相对大的适当重量时。一方面，弹簧弹性支撑必须足够刚性以防止由于车辆在行驶期间的运动而引起的操作元件的振动；另一方面，用于触觉反馈的弹性支撑应该足够“柔软”，使得操作元件的机械激励的能量需求不会太高。
DE-A-10 2009 007 243公开了一种操作单元，该操作单元在触摸关键区域时通过关键区域的横向激励提供触觉反馈。
从后来公布的EP-A-3 043 240(对应于DE-A-10 2015 200 037)，已知一种用于汽车的操作装置，该操作装置包括壳体，该壳体具有布置在其前侧用作具有操作表面的操作元件的触摸屏。该触摸屏可在垂直方向和横向方向上弹性移动。操作者可操作以在横向方向上引起操作元件的致动反馈运动，其中其机电设计包括耦合到触摸屏的可电磁控制的驱动元件。触觉控制装置形成包括传感器元件的评估和控制单元，所述传感器元件在触摸屏的操作表面在垂直方向上偏转时将触发信号。触摸屏的弹性横向支撑凭借片簧实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于车辆的操作单元，该操作单元具有至少一个具有操作表面的操作元件，其中该操作元件应包括具有有利技术设计且易于安装的弹性支撑。
为了实现上述目标，根据本发明提供了一种用于车辆的操作单元，所述操作单元包括：
-具有前侧的壳体；
-设置在所述壳体的前侧的操作元件，所述操作元件具有操作表面，
-其中，所述操作元件沿着基本上正交于所述操作表面延伸的垂直运动轴线并且沿着基本上横向于所述垂直运动轴线延伸的横向运动轴线以弹簧弹性的方式安装在所述壳体上和/或所述壳体中；
-至少一个传感器，用于检测所述操作元件在所述垂直运动轴线的方向上的致动运动；
-布置在所述壳体中和/或所述壳体上的致动器，用于在检测到的所述操作元件的致动运动时反馈所述操作元件至少还在所述横向运动轴线上的运动，其中所述致动器包括可电磁控制的驱动元件，所述驱动元件机械地耦合到所述操作元件并可向前和/或向后运动；
-连接到所述传感器和所述致动器的评估和控制单元；以及
-弹簧框架，用于所述操作元件的弹簧弹性支撑，
-其中所述弹簧框架包括横向于所述横向运动轴线延伸的两个横向框架部分，每个横向框架部分具有至少一个设置在其中的片簧臂，
-其中每个片簧臂包括连接到所述弹簧框架的第一端和自由的第二端，
-其中每个片簧臂在垂直平面内延伸，并且所述横向运动轴线横向于所述垂直平面延伸，
-其中每个片簧臂在垂直平面内也是弹簧弹性的，并且
-其中所述操作元件被固定在所述弹簧框架的片簧臂外侧的弹簧框架上，并且所述弹簧框架的片簧臂的自由的第二端被固定在所述壳体上。
根据本发明，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来实现。为了致动，操作元件在基本上垂直于操作表面延伸的垂直运动轴线上运动。当随后通过传感器检测到该致动运动时，将发生操作元件的主动运动，该操作元件包括横向运动分量，即，一般而言，横向于垂直运动轴线定向(例如向左或向右，向上或向下)的运动分量。然而，力反馈运动也可以是纯粹的侧向运动。为了这些目的，本发明提供了弹簧框架作为结构元件，用于将操作元件弹簧弹性支撑在壳体上。该弹簧框架在垂直和横向方向上接管操作元件的弹性连接。为此目的，根据本发明提供的是，该弹簧框架包括横向于横向运动轴线延伸的两个横向框架部分。在每个所述横向框架部分中，布置有片簧臂，该片簧臂包括连接到弹簧框架的第一端和自由的第二端。每个片簧臂在相对于横向运动轴线横向延伸的垂直平面中延伸。在垂直平面内，即在垂直运动轴线的方向上以及在横向运动轴线的方向上，每个片簧臂都是弹簧弹性的。通常，应用的是，由于用于触觉反馈的操作元件的激励，操作元件的所得运动以横向主运动和垂直于操作表面的二次运动的形式发生。取决于激励的相应迎角，法向运动分量的量可以变化。因此，不会发生纯粹的横向运动。
每个片簧臂被适当地设计为弹簧框架的相应横向框架部分的一部分，除了其第一端部整体连接到弹簧框架之外，这部分横向框架部分是自由切割的。因此，每个弹簧框架被设计成弯曲杆夹紧一侧的方式，该弯曲杆在垂直运动轴线的延伸方向上比在其横向方向(即在横向运动轴线的延伸方向)上具有更高的刚度。此外，可以规定，两个刚度相等，特别是取决于对操作元件的操作的触觉的相应要求。操作元件在垂直运动方向上的刚性连接具有这样的效果：操作元件在其致动期间的压下运动将很难被使用者察觉，这在触觉上是有利的。触觉反馈不仅仅取决于弹簧，而是取决于运动的质量的系统响应，即取决于在操作表面上的致动点随时间变化的运动和路径。系统响应又取决于施加到系统中的能量，以及施加能量的信号形式(控制)。系统的其他刚度也会产生影响。因此，例如，系统响应的标称曲线可以独立于弹簧和质量被预先确定。
在大质量的情况下的“软”连接应理解为仅需要施加很少的能量来移动质量，而必须施加更多的能量以将大质量移回到其初始位置。(此外，还会出现震荡或振动问题)。“硬”弹簧和相应的连接应理解为必须施加大量能量来激励质量，而仅需要很少的能量来“取回”质量回到其初始位置。较高的弹簧力将支持这种返回运动，其中有利地减少了震荡问题。通常，根据控制，具有硬弹簧和软弹簧的系统在触觉方面可以基本上以相同的方式表现。
根据本发明，操作元件的、在不同方向上起作用的两个弹性支撑由单个部件实现，即优选由金属制成的弹簧框架。这在生产成本和组装方面是有利的。在刚度方面可以看出使用金属作为弹簧臂的另一个原因。致动器可操作以作用在框架上。框架越柔软，相对弯曲越多，并且在致动点处的运动距离越小。此外，较硬的弹簧框架材料有利于保持公差。
根据本发明的有利实施例，还可以提供的是，每个片簧臂包括至少一个切口，所述切口在所有侧面上封闭，用于形成至少两个片簧腹板。因此，每个片簧臂以平行四边形的方式设计，其中，在平行四边形的拐角处，没有布置接头，而相反，两个片簧腹板在相应的片簧臂的两端刚性地彼此连接。这种配置又具有并联运动学的优点，这将明显改善在法线方向上致动时的均匀性。特别明显的优点是操作表面在其拐角区域中起作用。运动学将减少致动的操作元件的倾斜。这对于触觉感觉和装置的感知值具有积极影响，尤其除其他以外还因为间隙朝着操作元件周围的刚性固定部件的运行仅受到很少的光学障碍物的影响。
根据具有简化设计的实施例，弹簧框架是矩形的并且包括两个纵向框架部分和两个横向框架部分，这两个纵向框架部分平行于操作元件的横向运动轴线延伸，这两个横向框架部分横向于横向运动轴线延伸，并且每个横向框架部分具有形成在其上和/或其中的至少一个片簧臂。也可以使用非矩形弹簧框架，比如具有力反馈的自由形式显示器，然后该非矩形弹簧框架包括周围的非矩形弹簧框架。形成操作表面的盖玻璃可以具有任何所需的轮廓(在几个方向上弯曲和弯折)。在这种情况下，弹簧框架将不再只是矩形。
出于至少一个操作元件的横向可移位性的原因，该元件必须具有相对于壳体和壳体被固定到的相邻结构的游隙(play)。因此，在横向运动方向上，间隙存在于操作元件的侧面。在操作元件的其他边缘部分上也提供这样的间隙是合适的。另外，应注意的是，操作元件例如与固定壳体的结构的表面齐平地延伸。
到目前为止，有利的是，弹簧框架与壳体的附接以及操作元件与弹簧框架的附接可以分别通过补偿安装公差来实现。为此目的，可以有利地提供的是，每个片簧臂和/或壳体的自由端包括至少一个用于紧固元件的接收开口，该紧固元件延伸穿过接收开口，用于将相应的片簧臂紧固到壳体，其中，为了补偿安装公差，紧固元件有游隙地延伸穿过接收开口。适当地，用于将片簧臂附接到壳体和操作元件的紧固元件是螺钉或螺栓，其中紧固元件有游隙地安置在相应的片簧臂的自由端的接收开口中。所述游隙可以用于仅在调节之后建立弹簧框架与壳体和操作元件的刚性连接。因此，以这种方式，可以执行操作元件的高度调节以及对弹簧框架的纵向框架部分的横向调节。在弹簧框架的横向框架部分上，操作元件尤其是由于片簧臂相对于壳体进行横向自定心。因此，因此可以精确且均匀的方式设置操作元件周围的间隙的尺寸，尤其是在安装过程中以及在将弹簧框架固定到壳体和操作元件之前。到目前为止，如果两个片簧臂以彼此相反的方向定向，则是合适的，即，片簧臂的第一和第二端交替地布置在操作元件的、在横向运动轴线方向上延伸的纵向中心轴线的不同侧上。这导致关于操作元件的横向自调节的进一步优点。
根据本发明的另一方面，本发明的一个目的是使触觉反馈的主动触觉响应以这样的方式作用于操作元件：无论触摸和致动操作表面的位置如何，触觉反馈感都将基本上均匀。
为此，根据本发明的一个实施例提出，该操作元件的质心位于致动器的驱动元件的有效运动轴线上。还可以提出，有效轴在近距离处延伸经过质心。
如上所述，该操作元件的致动的主动触觉反馈通过具有横向运动分量的操作元件的偏转来实现。
在这方面，必须注意操作元件在横向偏转时不会倾斜，但是，如果(通常是这种情况)致动器不与后者的质心的操作元件连接，则可以在没有特殊措施的情况下排除。操作元件基本上包括具有相应显示技巧和技术并且具有背光的显示器(例如LCD显示器)，使得它可以具有不可忽视的构造深度。由于在理想情况下，致动器仅可以直接布置在该操作元件下方，因此其用于主动触觉反馈运动的驱动元件在操作元件的质心之外的横向运动方向上接合操作元件。因此，除非采取适当的措施，否则由于致动器的力和几何杠杆相对于质心引起的力矩的影响，将发生操作元件的不希望的倾斜。作为倾斜的结果，操作元件将在操作表面的每个位置处使操作人员“感觉”不同。已知的解决方案旨在利用弹簧系统的相应设计进行强制引导，通过该弹簧系统将操作元件支撑在操作单元的壳体上，或者在致动器的参数化控制下，取决于操作人员操作操作元件的位置。在机械方面，并且在控制技术方面，所有这些方法都过于复杂。
出于这个原因，根据本发明的变型提供了以这样的取向机械地布置致动器，使得驱动元件的有效运动轴线与操作元件的质心相交。因此，操作元件的质心布置在驱动元件的有效运动轴线的延伸部上。因此，在该配置中，操作元件的有效运动轴线相对于用于主动触觉反馈的期望横向运动方向以锐角定向。由于操作元件因此沿着操作元件的有效运动轴线移动，操作元件的反馈运动除了预期的横向运动分量之外还包括垂直运动分量，然而，该垂直运动分量几乎没有任何干扰效果。相反，决定性的是，在主动触觉反馈期间，操作元件的操作表面将保持其在空间中的取向，即经受倾斜的平行位移。
该措施使得可以以纯粹的平移方式执行主动触觉反馈运动；这是因为驱动元件的有效方向延伸通过操作元件的质心。
在操作元件的主动触觉反馈期间的旋转运动部件将进一步减小，因为操作元件在主动触觉反馈之后返回到初始位置的片簧臂布置在共同的平面中，该共同平面平行于操作表面并且包括操作元件的质心。如果不是这种情况，则主动触觉反馈运动的模式将包括旋转部件。
此外，有利的是以主动方式控制或反馈控制出站路径和返回路径中的触觉。对此的一个决定性因素是操作元件的运动应该尽可能纯粹地是平移运动，这可以通过本发明的这种变型来实现。此外，可以以这种方式基本上保障触觉感觉总是相同的，而与操作表面上的致动部位无关。因此，再也不需要用于操作元件的弹性支撑的复杂结构解决方案来实现操作元件执行纯粹地平移运动的效果。
适合的是，如果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被布置成跨越与操作表面基本正交定向的共同垂直平面。
根据本发明的另一实施例，可以规定，在操作元件下方，该壳体包括安装空间，并且为了获得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角度，致动器以安装空间允许的尽可能靠近的方式布置在操作元件下方，和/或在安装空间允许的情况下布置成尽可能远离操作元件的质心。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，操作元件的横向运动百分比相对于反馈运动的横向运动百分比越大。
根据本发明的另一实施例，为实现操作元件的横向运动而设置的片簧臂的弹簧有效轴位于横向运动轴线上或在平面上，该平面基本上正交于由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延伸。
此外，可以提供的是，致动器(作为系杆螺线管)包括具有第一励磁线圈的第一定子，并且包括作为驱动元件的电枢，该电枢设置有测量线圈，当第一励磁线圈产生的磁通通过电枢时，测量线圈上被施加测量电压，并且第一励磁线圈和测量线圈连接到评估和控制单元，其中该评估和控制单元适于控制或反馈控制致动器的驱动元件可在朝着第一定子的方向上运动所凭借的力和/或驱动元件从其静止位置的偏转运动以及驱动元件返回其静止位置的返回运动。
本发明的该实施例有利地允许在用于操作元件的触觉反馈的致动器(被设计为螺线管)中进行相对精确且廉价的力测量。
本文中的螺线管可以被设计为单型系杆或双系杆。
对于触觉反馈，由于安装空间和成本的原因，通常使用不带永磁体的螺线管(系杆磁铁)作为致动器。因此，这种系杆磁铁的定子将被电磁地操作。为了能够设置操作元件的操作表面的期望运动，必须精确地设置致动器处的力随时间的变化。此外，可能需要每次主动地产生使操作元件来回运动的力。这可以凭借在两个电磁定子之间具有共同的系杆的双系杆磁铁实现。
随着缓慢变化的磁场，螺线管的力基本上取决于电枢电流和系杆与定子之间的气隙。然而，在触觉反馈的情况下，力的发展是非常动态的并且包括高于1kHz的频率分量。在本文中，用于磁通传导的通用加工钢板(machining steel)或电工钢板(electricalsheet)中电流和力之间的相互关系并非不重要，并且只能通过非常复杂的建模来描述。另一个问题在于，由于机械公差和操作表面的运动，气隙并不是完全已知的，使得可以仅粗略估计系杆磁铁的力作用。
通过使用本文中描述的凭借测量线圈测量通过系杆的磁通和在该线圈处减小的感应电压的方法，现在能够控制或反馈控制系杆的力和运动。此外，系杆的运动可以以一种有针对性的方式进行减振，从而能够避免系杆的前后运动的相应的端部位置的过冲(overshoot)。
如上所述，如果系杆螺线管布置在两个电磁操作的定子之间，则可以实现另外的优点。因此，在本发明的该实施例中，系杆包括具有第二励磁线圈的第二定子，其中两个定子布置在电枢的两侧，并且第二励磁线圈也连接到评估和控制单元，其中，凭借评估和控制单元，可以控制或反馈控制电枢可以在朝着第一定子和第二定子的相应方向上运动所凭借的力和/或电枢从其静止位置的偏转运动以及电枢返回其静止位置的返回运动。
附图说明
下面将通过示例性实施例并参考附图更详细地解释本发明。显示如下：
图1是用于车辆部件的操作单元的示意性侧视图，该操作单元包括设计为显示元件的操作元件，并且具有弹簧弹性支撑和用于致动操作元件的主动触觉反馈；
图2是用于说明操作元件凭借弹簧框架与壳体的连接的分解视图，该弹簧框架实现操作元件的垂直和横向弹性联接；
图3是操作单元的平面图，用于说明在操作单元的组装期间保持间隙的方式；
图4是图3中由IV标记的区域的放大图；
图5是图3中区域IV的又一放大图，用于说明在弹簧框架固定到壳体期间的公差补偿；
图6是被设计为具有定子和电枢的系杆磁铁的螺线管的示意图，用于大体说明这种螺线管的电磁相关特性；
图7是用于说明被设计为双螺线管的用于主动触觉反馈的致动器的透视图；并且
图8是根据图7的螺线管的可行电路的视图。
附图标记
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 致动器的驱动单元
36 致动器的定子部分
38 致动器的有效运动轴线
40 操作元件的质心
42 弹簧有效轴
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 低通滤波器
70 弹簧框架
72 弹簧框架的纵向框架部分
74 弹簧框架的横向框架部分
76 片簧臂
78 片簧臂的第一端
80 片簧臂的第二端
82 切口
84 片簧臂的片簧腹板
86 运动箭头
90 运动箭头
92 仪表板
94 间隔突起
96 紧固元件
98 铆钉
100 接收开口
102 横向公差补偿
104 垂直公差补偿
具体实施方式
在图1中，以侧视图和示意图示出了包括操作元件12的操作单元10。在该示例性实施例中，操作元件12被设计为显示组件，该显示组件包括适于显示大量符号区域16的操作表面14。通常，操作元件12是背光的。
为了在垂直移动方向上执行致动运动(参见双箭头18)并且为了在横向方向上确保这种致动运动(参见图1中的双箭头20)，操作元件12通过图1中示意性示出的第一和第二弹簧22、24被弹性地支撑在壳体26上，这些弹簧仍将更详细地进行说明。凭借传感器28，可以感测到操作元件12已经沿着垂直运动轴线18运动。这在评估和控制单元30中被检测到，于是评估和控制单元将控制被设计为螺线管并包括驱动元件34的致动器32。致动器32的固定定子部分36被支撑在壳体26上，而致动器32的驱动元件34机械地耦合到操作元件12(或反之亦然)。驱动元件34的有效运动轴线由双箭头38示出。
操作元件12被设计得越大越复杂，其重量越大，占用的安装空间越大。如果现在希望触觉反馈应当在整个操作表面14上相等，则操作元件12应该在触觉反馈期间仅执行平移运动。理论上，这可以通过使致动器32的驱动元件34在操作元件12的质心40处接合来以最简单的方式实现。然而，由于安装空间有限，这是不可行的。
如果打算在主动触觉反馈期间尽可能使操作元件12仅以平移方式运动，技术上相对简单的解决方案包括布置致动器32，使得操作元件12的质心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，而图1还示出了当检测到致动运动并且通过触觉反馈再次确认操作元件12的致动时操作元件12如何主动运动。在这种情况下，仍然需要注意的是，第二弹簧元件24和它们各自的弹簧有效轴42在理想情况下布置在平面44中，质心40也位于该平面中。
由操作元件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跨越平面基本正交于该平面44延伸。相对于图1，该平面是图的平面。
因此，操作元件12在主动触觉反馈期间的纯粹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运动的事实并不影响触觉感觉应当在操作元件12的整个操作表面14上相同的愿望。决定性的是，在主动触觉反馈期间，操作元件12不受任何旋转运动分量的影响，使得在这方面，将有利地在空间中仅实现操作元件12的平行移动。
在下文中，将解释操作元件12与操作单元10的壳体26的弹性连接/安装。在这方面的一个特殊方面在于，图1中示意性示出的两个弹簧22、24由弹簧框架70实现。在图2的分解图中示出了弹簧框架70。
弹簧框架70优选地由金属制成，特别是由铝制成，并且具有大致矩形的形状。弹簧框架70包括两个纵向框架部分72以及横向于纵向框架部分延伸的两个横向框架部分74。纵向框架部分72横向于操作元件12的横向运动轴线20延伸，而横向框架部分74横向于横向运动轴线20延伸。在弹簧框架70的两个横向框架部分74中，形成片簧臂76，片簧臂具有第一端78和自由的第二端80，片簧臂在第一端处连接到弹簧框架70。两个片簧臂76在平行于垂直运动轴线18延伸的相应的垂直平面中延伸。片簧臂76在横向框架部分74内“自由切割”，并且还各自包括在所有侧面上连续闭合的相应切口82，使得每个片簧臂76包括两个片簧腹板84，它们在它们的端部78、80处彼此刚性连接。如在图2中可进一步看到的，两个片簧臂76以彼此相反的方式布置。
现在，当操作元件12被致动时，它将随着片簧臂76的偏转而沿垂直运动轴线18的方向运动，即，抵抗由片簧臂76施加的在箭头86方向上的弯曲力。在该有效方向(力感(force sense))中，片簧臂76处于相对刚性的状态，这对于触觉感觉是有利的。
现在，当由于操作元件12的致动而发生触觉反馈时，操作元件12将在横向运动轴线20的方向上被机械激励(力反馈)，这导致片簧臂76现在将在箭头90的方向上弹性偏转。在这种情况下，片簧臂76还实现弯曲杆的功能，其中，当在箭头90的方向上运动时，它们可以以比在箭头86的方向上不太刚性的方式起作用。因此，有利地，操作元件12的两种弹性支撑功能通过单个元件(即弹簧框架70)实现。
毕竟，系统在力感测方向和力反馈方向上的刚度取决于质量。通常，力反馈方向不必较不太刚性。力感刚度是传感器工作范围的结果。因此，例如，光学传感器需要一定的行程工作范围以便能够实现其功能。力反馈刚度主要取决于质量和控制能量。
在图3中，在操作单元10的平面图中可以看出，操作元件12包括朝着操作单元10周围的区域(例如仪表板92)在所有侧面上基本均匀的间隙空隙。图4以放大比例示出了图3的一部分。显然，弹簧框架70在片簧臂76的自由的第二端80处尤其是通过第二自由端80处的间隔突起94以一定距离被紧固到壳体26的内侧。为了更好的测量，图4未示出操作元件12。
在图5中以更加放大的比例示出了片簧臂76与壳体26的连接。在片簧臂76的自由的第二端80上布置有至少一个铆钉98的形式的紧固元件96，所述紧固元件有游隙地延伸穿过壳体26。在壳体26中，形成铆钉98延伸穿过的接收开口100。通过使弹簧框架70和/或壳体26相对于彼此移位(参见图5中的双箭头102)，尤其是在拧紧铆钉98之前，现在能够设置弹簧框架70的纵向框架部分72上以及因此操作元件12的相应纵向边缘部分上的间隙尺寸，使得间隙尺寸在两个纵向侧上都相同。通过使两个上述元件垂直于根据图5的图的平面相对位移(参见由点表示的运动方向104)，可以将操作元件12的安装调节成其操作表面14与仪表板92的相邻平面区域平齐的效果(同样参见图1)。由于紧固在壳体26上的弹簧框架70将在横向运动轴线20的方向上自动居中，因此将自动实现操作元件12的横向边缘上的间隙尺寸相等。
如上面已经进一步描述的那样，特别是出于安装空间和成本的原因，通常情况是通过使用螺线管来实现用于操作元件的触觉反馈的致动器。由该螺线管施加的力只能以增加的复杂性来估计，并且基本上相当取决于螺线管的电流和气隙。关于螺线管在这方面有效的条件将在下面参考图6进行说明。
在图6中，示出了螺线管，螺线管的定子和电枢由高渗透性材料(通常是加工钢板或电工钢板)制成，并且其磁场凭借激励的励磁线圈建立。
通常根据激励器电流和气隙大小计算这种螺线管的力。然而，在触觉反馈的情况下，力的发展是非常动态的，频率分量高于1kHz。这里，通常用于磁通传导的加工钢板或电工钢板中的电流和力之间的相互关系并非不重要，并且只能通过非常复杂的建模来描述。对此，增加了这样的情况：由于机械公差和操作表面的运动，气隙不是完全已知的，并且因此，可以仅粗略地估计致动器的有效力。通过使用“麦克斯韦牵引公式(Maxwell'straction formula)”和用于检测气隙中磁通密度的测量线圈，可以避免这个问题，其中通常可以以比电流测量更低的费用实现电压测量：
(F–致动器力,μ0-透气率,AL-气隙表面,BL-气隙中的磁通密度)
实际实现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，这继而导致凭借测量线圈简单地实现力测量：
(t-时间，C-气隙修正系数，NMS-测量线圈的绕组数，μ(t)-测量线圈中的感应电压)
感应电压的积分可以在通常已经存在于系统中的微控制器中以数字方式执行。因此，将在控制的任何时间点知道力。
图7以透视图示出了致动器32。该致动器32被设计为双螺线管，其驱动元件34(布置在第一定子48和第二定子50之间的电枢46)能够沿着有效运动轴线38在两个相反方向上产生力。
第一和第二定子48、50紧固在壳体26上，而电枢46与操作元件12紧密连接。第一定子48包括第一励磁线圈52，而第二定子50设置有第二励磁线圈54。电枢46由测量线圈56围绕。在电枢46的两侧，布置有第一和第二气隙58、60。由于作用在电枢46上的力应分别指向一个方向，励磁线圈52、54相应地不是同时而是交替地通电。通过在电枢46处的测量线圈56的配置，能够沿着有效运动轴线38在两个有效方向上进行精确且廉价的力测量。
在测量线圈56中感应的电压的控制和评估可以例如通过微控制器62来执行，该微控制器可以是评估和控制单元30的一部分。图8中示出了与微控制器62的连接的实例。首先通过简单的低通滤波器64对测量线圈56中的感应电压进行平滑，以便从测量信号中消除PWM时钟(频率通常为#20kHz)，以交替控制两个励磁线圈52、54。随后，微控制器62将检测感应电压并以数字方式对其进行积分。低通滤波器64的极限频率应该充分高于力发展的最高频率分量。
Claims (10)
1.一种用于车辆的操作单元，特别是用于控制各种车辆部件的信息娱乐系统，包括：
－具有前侧的壳体(26)；
－设置在所述壳体(26)的前侧的操作元件(12)，所述操作元件具有操作表面(14)，
－其中，所述操作元件(12)沿着基本上正交于所述操作表面(14)延伸的垂直运动轴线(18)并且沿着基本上横向于所述垂直运动轴线延伸的横向运动轴线(20)以弹簧弹性的方式安装在所述壳体(26)上和/或所述壳体中；
－至少一个传感器(28)，用于检测所述操作元件(12)在所述垂直运动轴线(18)的方向上的致动运动；
－布置在所述壳体(26)中和/或所述壳体上的致动器(32)，用于在检测到的所述操作元件(12)的致动运动时反馈所述操作元件(12)至少还在所述横向运动轴线(20)上的运动，其中所述致动器(32)包括可电磁控制的驱动元件(34)，所述驱动元件机械地耦合到所述操作元件(12)并可向前和/或向后运动；
－连接到所述传感器(28)和所述致动器(32)的评估和控制单元(30)；以及
－弹簧框架(70)，用于所述操作元件(12)的弹簧弹性支撑，
－其中所述弹簧框架(70)包括横向于所述横向运动轴线(20)延伸的两个横向框架部分(74)，每个横向框架部分具有至少一个设置在其中的片簧臂(76)，
－其中每个片簧臂(76)包括连接到所述弹簧框架(70)的第一端(78)和自由的第二端(80)，
－其中每个片簧臂(76)在垂直平面内延伸，并且所述横向运动轴线(20)横向于所述垂直平面延伸，
－其中每个片簧臂(76)在垂直平面内也是弹簧弹性的，并且
－其中所述操作元件(12)被固定在所述弹簧框架(70)的片簧臂(76)外侧的弹簧框架(70)上，并且所述弹簧框架(70)的片簧臂(76)的自由的第二端(80)被固定在所述壳体(26)上。
2.根据权利要求1所述的操作单元，其特征在于，每个片簧臂(76)包括至少一个所有侧面上封闭的切口(82)，用于形成至少两个片簧腹板(84)。
3.根据权利要求1或2所述的操作单元，其特征在于，所述弹簧框架(70)是矩形的并且包括：两个纵向框架部分(72)，平行于所述的操作元件(12)的横向运动轴线(20)延伸；以及两个横向框架部分(74)，横向于所述的横向运动轴线(20)延伸，并且每个横向框架部分具有形成在其上和/或其中的至少一个片簧臂(76)。
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，所述两个片簧臂(76)以彼此相同的构造或彼此相反的方向定向。
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，每个片簧臂(76)的自由端(80)和/或所述壳体(12)包括至少一个用于紧固元件(96)的接收开口(100)，所述紧固元件延伸穿过所述接收开口(100)，用于将相应的片簧臂(76)紧固到所述壳体(26)，其中，为了补偿安装公差，所述紧固元件(96)有游隙地延伸穿过所述接收开口(100)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的操作单元，其特征在于，所述操作元件(12)具有质心(40)，所述致动器(32)的驱动元件(34)可沿有效运动轴线(38)前后运动，并且所述操作元件(12)的质心(40)位于或基本上位于所述致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)上。
7.根据权利要求6所述的操作单元，其特征在于，所述操作元件(12)的横向运动轴线(20)和所述致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)被布置成跨越基本正交于所述操作表面(14)定向的共同垂直平面。
8.根据权利要求7所述的操作单元，其特征在于，在所述操作元件(12)下方，所述壳体(26)包括安装空间，并且为了获得所述致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)与所述操作元件(12)的横向运动轴线(20)之间的最小可能角度，所述致动器(32)以所述安装空间允许的尽可能靠近的方式布置在所述操作元件(12)下方，和/或在所述安装空间允许的情况下布置成尽可能远离所述操作元件(12)的质心。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的操作单元，其特征在于，为了实现所述横向运动，所述弹簧框架(70)的片簧臂(76)具有弹簧有效轴(42)，所述弹簧有效轴位于所述横向运动轴线(20)上或在平面(44)中并且相对于所述横向运动轴线(20)对称地布置，所述平面基本正交于由所述致动器(32)的驱动元件(34)的有效运动轴线(38)以及所述操作元件(12)的横向运动轴线(20)跨越的平面延伸。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的操作单元，其特征在于，作为系杆螺线管的所述致动器(32)包括具有第一励磁线圈(52)的第一定子(48)，并且包括作为驱动元件(34)的电枢(46)，所述电枢(46)设置有测量线圈(56)，所述测量线圈具有当所述第一励磁线圈(52)产生的磁通通过所述电枢(46)时施加到其上的测量电压，并且所述第一励磁线圈(52)和所述测量线圈(56)连接到所述评估和控制单元(30)，其中，借助于所述评估和控制单元(30)，能够控制或反馈控制所述电枢(46)可在朝着所述第一定子(48)的方向上运动所凭借的力和/或所述电枢(46)从其静止位置的偏转运动以及所述电枢(46)返回其静止位置的返回运动，其中能够特别设置的是，所述系杆螺线管包括具有第二励磁线圈(54)的第二定子(50)，其中，所述两个定子(48，50)布置在所述电枢(46)的两侧，并且所述第二励磁线圈(54)也连接到所述评估和控制单元(30)，其中，所述评估和控制单元(30)适于控制或反馈控制所述电枢(46)可在朝着所述第一定子(48)和所述第二定子(50)的各自方向上运动所凭借的各自的力和/或所述电枢(46)从其静止位置的偏转运动以及所述电枢(46)返回其静止位置的返回运动。
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