CN112119364B - 具有主动触觉反馈和干扰振动抑制的输入装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输入装置(1)，包括：承载件(9)；沿着至少一个运动方向(B)借助支承器件(12)能够振动运动地支承在承载件(9)上的输入部件(2)，该输入部件具有确定用于由操作者触碰的输入面(3)并且具有用于探测由操作者触碰输入面(3)的触碰探测装置(5)；用于借助电操控信号激励输入部件(2)沿着运动方向(B)的运动的电磁致动器(4)，以便在由操作者触碰时在操作者处产生触觉反馈，其中，该致动器(4)具有弹性地支承的附加质量(10)并且该致动器(4)通过振动隔绝件(6)固定至输入部件(2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有主动触觉反馈的输入装置。通过也被称为促动器的致动器引起的、属于输入装置的输入部件的运动被理解为主动触觉反馈，这种运动在操作者触碰输入部件时可以被感知为触觉的感觉印象。这种类型的输入装置具有承载件以及沿着至少一个运动方向借助于可振动运动的支承结构支承在承载件上的输入部件。在此，输入部件具有确定用于通过操作者触碰的输入面以及用于探测通过操作者触碰输入面的触碰探测装置。此外，设置有用于借助于电操控信号来激励所述输入部件沿着运动方向的运动的致动器，以用于在操作者处产生触觉反馈。
背景技术
通常，触觉反馈、即以电操控信号加载致动器通过触碰输入面来触发和/或对于输入面的加载通过超过预先给定的力值的操纵力来触发。在此，大多期望输入部件的强制运动，该强制运动使操作者获得其在操纵机械式按键开关时获得的感觉印象。已经表明，这种感觉印象可以比较好地通过输入部件的短的一次偏移在尽可能小的随后过冲的情况下引起。在此出现的困难首先出现在致动机构方面。在此使用的技术一方面必须能够引起输入部件的强烈的和快速的偏移，尽可能不易受电磁干扰影响，其本身尽可能少地产生电磁干扰并且对此尽可能保持节省结构空间并且是成本有利的。出于这个原因，由电线圈和与通过线圈产生的磁场配合作用的电枢组成的以电磁方式工作的致动器已被证明是合适的。
所述输入装置除了振动地支承的输入部件之外通常具有弹性地支承的附加质量，该附加质量用于产生或增强触觉效果。这种致动器例如作为所谓的线性共振致动器(简称LRA)可商购获得，并特别适合于振荡的振动激励。例如，从WO 2012052635 A1中已知一种具有振动地支承的附加质量的致动器，该致动器直接固定在输入部件上。由此附加质量的后续振动(Nachschwingung)几乎无阻尼地传递到输入部件上。然而，作为触觉反馈，操作者期望输入部件的尽可能短期的偏移。由于后续振动影响了首次偏移的触觉的感觉印象，所以后续振动被认为是干扰的。因此目的是，减少或甚至阻止由致动器提供的弹性地支承的附加质量到输入部件上的继续振动的传递。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种输入装置，其中为了产生主动触觉反馈，可以利用具有弹性地支承的附加质量的电磁致动器，其具有与此相关的优点，如成本和结构空间减小以及干扰不敏感性，但是可以使不期望地将后续振动传递到输入部件上的随之而来的缺点最小化。该任务通过根据权利要求1的输入装置来解决。有利的设计方案分别是从属权利要求的主题。
根据本发明的输入装置是指一种产生触敏的和触觉上的反馈的输入装置，也被称为具有主动触觉反馈的触敏型输入装置。输入装置具有承载件。该承载件例如用于将输入装置固定在车辆的、尤其是机动车的护板、仪表板、控制台或车身上。
此外，根据本发明的输入装置具有一个沿着至少一个运动方向可振动运动地支承在承载件上的输入部件。输入部件具有确定用于由操作者触碰的输入面和用于探测由操作者触碰输入面的触碰探测装置。术语“输入部件”应宽泛地解释并且应例如包含这样的输入部件，对于所述输入部件而言仅探测触碰本身、即不是位置分辨地探测触碰，如带有触碰探测的按键。但是，根据本发明应包括位置分辨地进行探测的输入部件、如触摸板或触摸屏，其中除了触碰探测结果之外还输出关于触碰位置的信息。这种输入部件例如具有用于产生测量电容阵列的电极结构，通过用手指触碰来探测测量电容的影响。
可振动运动的支承理解为输入部件在承载件上的支承，其中输入部件可以克服分别一个复位力从静止位置平行于运动方向地移位，该复位力向静止位置复位地作用到输入部件上。也就是说，由于所设置的复位器件、如弹簧，引起所述输入部件的离开和返回到静止位置中的运动。例如，输入部件借助多个、例如3个或4个板簧予以支承。优选地，运动方向基本上垂直于输入面。根据一种替代的设计方案，运动方向平行于输入面定向。根据一种优选的设计方案，用于可振动运动地支承的器件还包括一个或多个用于对输入部件和承载件之间的相对运动进行阻尼的振动阻尼器。
根据本发明，还设置有电磁致动器，其用于借助电操控信号激励输入部件沿着运动方向的运动，以便在通过操作者触碰时通过操作者在触觉方面感知输入部件的运动来在操作者处产生触觉反馈。在此，致动器的作用方向基本上相应于运动方向。电磁致动器是指具有电线圈和如下电枢的致动器，该电枢与由线圈引起的磁场配合作用，所述电枢例如由顺磁或铁磁或永磁性材料制成。致动器通常具有驱动的部件和被驱动的部件，它们也可以重合。就构造方式而言，术语“电磁致动器”不应理解为限制性的，例如作为被驱动的部件的线圈在加载电操控信号的情况下可以相对于电枢运动并且电枢可以静止，或者相反地，电枢可以是被驱动的部件。此外，电枢可以构造为插入式电枢(Tauchanker)，其中，电枢在加载以操控信号和其由此产生的运动期间至少部分地保留在由线圈围绕的空心体积内部。优选地，致动器构造为线性共振致动器(LRA)。
根据本发明，致动器具有弹性地支承的附加质量并且致动器通过振动隔绝件固定至输入部件。优选规定，附加质量的振动自由度平行于运动方向。在一种优选的设计方案中，为了使承载件与致动器解耦，致动器不支撑在承载件上。优选地，致动器仅唯一地固定至输入部件并且更优选地仅固定至输入部件，并且在后者的情况下，仅经由振动隔绝件固定至输入部件。振动隔绝件是指这样的构件，通过该构件，附加质量的振动到输入部件上的传递被阻尼和/或解耦。因此，希望减少这种传递，直到致动器侧的附加质量的振动与输入部件解耦。例如，振动隔绝件的固有频率至少在运动方向上不同于由附加质量和其弹性的支承结构组成的振动系统的固有频率。此外，振动隔绝件的固有频率例如由振动隔绝件在运动方向上的弹性确定。
通过振动隔绝件现在可以在输入部件的所希望的冲击激励时使用这种具有增强致动激励的、振动地支承的附加质量的致动器，而其后续振动特性不会负面地影响触觉反馈。关于固有频率的确定，例如使用广义坐标或者分别基于在运动方向上的振动自由度。此外，由附加质量和其弹性的支承结构组成的振动系统的固有频率必要时不仅通过附加质量的质量值而且通过刚性地与附加质量连接的另一个一起运动的组件的质量予以确定。
优选地，致动器在以电操控信号加载时具有被驱动的部件，如线圈或电枢，其经由振动隔绝件固定在输入部件上且附加质量弹性地支承在输入部件上。例如在一种实施例中，电枢作为被驱动的部件通过振动隔绝件固定在输入部件上，而附加质量相对于电枢例如与线圈一起弹性地支承。在一种替代的实施例中，线圈作为被驱动的件通过振动隔绝件固定在输入部件上，而附加质量弹性地固定在线圈上。优选地，输入装置具有用于以操控信号加载致动器的操控电子器件，其中，操控信号构造为脉冲信号，如高斯脉冲信号，或构造为正弦信号或余弦信号，优选构造为矩形信号。最优选地，操控信号通过借助于操控电子器件的脉冲宽度调制来产生。
优选规定，由附加质量及其弹性的支承结构组成的振动系统的固有频率大于振动隔绝件的固有频率。更优选地，由附加质量和其弹性的支承结构组成的振动系统的固有频率以
为幅度大于振动隔绝件的固有频率。因此，弹性地支承的附加质量的固有频率作为激励频率位于振动隔绝件的取决于频率的传递函数的隔绝范围中，该传递函数由振动隔绝件的阻尼特性确定。为了能够通过致动器减小输入部件的彼此相继的冲击激励的时间间隔，振动隔绝件的和由附加质量及其弹性的支承结构组成的振动系统的相对高的阻尼是优选的。优选地，附加质量为40g时的阻尼大于5Ns/m，更优选10Ns/m。
优选地，振动隔绝件完全地或部分地由塑料、优选弹性体构成。更优选地，振动隔绝件完全地或部分地由泡沫材料、例如PUR泡沫材料、PE泡沫材料、海绵橡胶、硅酮弹性体、硅橡胶和/或多孔橡胶构成。例如，振动隔绝件被构造为复合件并且具有例如塑料组件和以力配合、形状配合或材料配合的方式与其连接的金属组件。
例如，振动隔绝件以力配合或材料配合的方式固定在输入部件和致动器上，优选固定在其被驱动的部件上。例如，在振动隔绝件和促动器之间以及振动隔绝件和输入部件之间设置有粘合剂层。
优选地，振动隔绝件至少在输入部件的静止位置中弹性预紧地布置在致动器与输入部件之间，以便实现，隔振作用在附加质量的两个相反的振动方向上是均匀的。
优选地，振动隔绝件在运动方向上的厚度大于由附加质量和其弹性的支承机构组成的振动系统的最大振幅，以便特别是在弹性预紧的振动隔绝件的情况下避免致动器“生硬”地碰撞到输入部件上。更优选地，振动隔绝件在运动方向上的厚度大于由附加质量和其弹性的支承结构组成的振动系统的最大振幅的两倍、还更优选地大于其三倍。例如，振动隔绝件的厚度在1.0mm至5.0mm的范围内，更优选地在2.0mm至4.0mm的范围内，例如为2.5mm。
为了改善振动隔绝件在输入部件或致动器上的附着，根据一种优选的设计方案，振动隔绝件被构造为集成式泡沫材料。
根据本发明的实施例尤其适于产生被操作者感知为“精确”的触觉反馈。从文献中通常已知的是，人的手指的触觉分辨能力从～25ms的时间间隔开始才会将两个连续的振动幅度感知为分开的。因此，输入部件经历的并通过输入面耦入到操作者的手指中的在该时间间隔内的所有振动都被感知为唯一的“触觉脉冲”。在输入部件上测量的对通过致动器的激励的系统响应因此优选通过灵活地选择操控信号和/或通过振动隔绝件引起的阻尼和/或通过可选的振动阻尼器引起的另外的阻尼如此构造，使得在小于20ms、优选15ms的时间窗内实现系统响应的最大可实现的振幅、也称为绝对最大振幅，该时间窗例如通过可触觉地觉察的第一振动偏移触发开启(antriggern)、也就是说触发。为了简单起见并且以输入部件对操控信号的几乎未延迟的振动反应为前提，在此假定，通过操控信号的开始来触发开启前面提到的时间窗。
最优选地，随着输入部件的第一或最迟第二偏移实现第一绝对最大振幅。
根据另一种优选的设计方案，如此选择操控信号和/或通过振动隔绝件引起的阻尼和/或通过可选的振动阻尼器引起的阻尼，使得在输入部件上测量的系统振幅的“衰减时间”从最大振幅的100％测量到最大振幅的10％，“衰减时间”优选小于30ms，优选小于25ms，最优选小于20ms的最大振幅。
为此，电操控信号的持续时间(该电操控信号通常是周期性的且以其加载致动器)此外被限制到明显低于20ms的持续时间上，也就是说限制到较少的周期上，例如最多2个周期上。
通过这种类型的操控和这种类型的致动器，可以以很小的耗费产生如下触觉反馈，该触觉反馈被感知为单个脉冲。替代地，如果致动器通过操控信号反相地、即例如通过极性相反的信号来操控，则可以由此调整所期望的衰减时间。但是这要求精确的校准或控制或附加的传感器件。
本发明还涉及前述实施例之一中的输入装置在机动车中的应用。
附图说明
以下附图附加地阐述本发明。在附图中示出的实施例在此仅理解为示例性的并且仅示出优选的实施变型方案。图中：
图1所示为输入装置1的根据本发明的第一实施例的示意性剖面图；
图2所示为输入装置1的根据本发明的第二实施例的示意性剖面图；
图3a-3c所示为不同的根据本发明的操控信号的图示和所属的系统响应。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明的输入装置1的第一实施例。该输入装置具有如下承载件9，输入部件2可运动地并且向静止位置中弹性复位地借助具有弹簧的支承器件12沿着运动方向B支承在该承载件上。支承器件12可选地具有一个或多个被详细示出的振动阻尼器，以用于阻尼输入部件2相对于承载件9的运动。输入部件2具有确定用于由未示出的操作者触碰的输入面3。输入部件2是指触摸屏或触摸板，由此基于由电极结构形成的测量电容结构作为触碰探测装置5实现位置分辨的触碰探测。此外，输入装置1具有电磁致动器4，该电磁致动器由电线圈7和与线圈7的磁场配合作用的、优选至少部分永磁的电枢8。在向致动器4加载由输入装置1的未示出的评估单元提供的电操控信号时，出现输入部件2在运动方向B上的偏移和运动，这由操作者感知为触觉反馈和对所进行的对输入装置1的通过触碰和/或操纵所进行的操作的确认。例如，触觉反馈通过触碰探测装置5探测到在输入面3上的触碰而被触发。电磁致动器4布置在输入部件2和承载件9之间并且具有沿运动方向B的作用方向，而不支撑在承载件9上。电磁致动器4构造成线性共振致动器，并且还具有借助于弹簧11弹性地支承的附加质量10，其振动自由度基本上平行于运动方向B并且刚性地固定在电枢8上，而电枢8和附加质量10通过弹簧11弹性地固定在线圈7上。致动器4的线圈7在背离输入面3的一侧上，例如在输入部件2的重心的区域中，仅仅通过振动隔绝件6固定在输入部件2上。在给线圈加载脉冲形的操控信号时，线圈7经历如下脉冲，该脉冲通过振动隔绝件6传递到输入部件2上并且因此通过振动隔绝件6予以阻尼，而附加质量10利用电枢8接收反向脉冲。为了尽可能使输入部件2与附加质量10连同电枢8的后续振动解耦，设有振动隔绝件6。该振动隔绝件基本上由弹性体泡沫材料制成，该弹性体泡沫材料在设置用于贴靠到操作部件2和致动器4上的面上设有粘合层。为了实现有效的振动隔绝，弹性支承的附加质量10在运动方向B上的固有频率以系数
为幅度大于振动隔绝件6的固有频率。
图2示意性示出了根据本发明的输入装置1的第二实施例。该输入装置同样具有如下承载件9，输入部件2可运动地并且向静止位置中弹性复位地借助弹簧12沿着运动方向B支承在该承载件上。还可以设置未示出的振动阻尼器，以便阻尼输入部件2相对于承载件的运动。输入部件2具有确定用于由未示出的操作者触碰的输入面3。输入部件2是指触摸屏或触摸板，由此基于由电极结构形成的测量电容结构作为触碰探测装置5实现位置分辨的触碰探测。此外，输入装置1具有如下电磁致动器4，该电磁致动器由电线圈7和与线圈7的磁场配合作用的、优选至少部分永磁的电枢8组成。在向致动器4加载由输入装置1的未示出的评估单元提供的电操控信号时，出现输入部件2在运动方向B上的偏移和运动，这由操作者感知为触觉反馈和对所进行的对输入装置1的通过触碰和/或操纵所进行的操作的确认。电磁致动器4布置在输入部件2和承载件9之间并且具有沿运动方向B的作用方向而没有支撑在承载件9上。电磁致动器4构造成线性共振致动器，并且还具有借助于弹簧11弹性地支承的附加质量10，其振动自由度基本上平行于运动方向B并且与第一实施例相反，该附加质量10不是刚性地固定在电枢8上，而是在此刚性地固定在线圈7上，而线圈7和附加质量10通过弹簧11相对于电枢8弹性地得到支承。致动器4的电枢8仅经由振动隔绝件6在背离输入面3的一侧上，例如在输入部件3的重心的区域中固定在输入部件2上。在给线圈加载脉冲形的操控信号时，线圈7将脉冲施加到电枢8上，该脉冲经由振动隔绝件6传递到输入部件上，而附加质量10利用线圈7接收反向脉冲。为了尽可能使输入部件2与附加质量10连同线圈7的后续振动解耦，设有振动隔绝件6。该振动隔绝件基本上由弹性体泡沫材料制成，该弹性体泡沫材料在设置用于贴靠到操作部件2和致动器4上的面上设有粘合层。为了实现有效的振动隔绝，由附加质量10和其弹性的支承结构11组成的振动系统在运动方向B上的固有频率以系数
为幅度大于振动隔绝件6的固有频率。
图3a至3c示出了根据本发明的激励信号A1至A3和所属的跟随激励的并由此引起的系统响应S1至S3，所述系统响应是分别在(图1至2的)输入面3上例如用测振仪扫描的振动特性。因此，限制到极性的脉冲上的操控信号A1和由于包含振动阻尼器的(图1至2的)支承器件12的减振作用和由于(图1至2的)振动隔绝件6的阻尼作用产生经阻尼的且因此衰减的振动作为系统响应S1。在此，激励信号A1和阻尼被如此调整，使得系统响应的最大可实现的振幅(也称为绝对最大振幅Xmax)以这里所示的第一偏移或最迟第二偏移来实现。
优选地，如图3b所示，要注意的是，操控信号A2在持续时间和走势中(在此其具有周期并且由此具有由相反极性的脉冲构成的脉冲序列)被如此设计，使得在小于20ms的时间窗内实现系统响应的最大可实现的振幅，也称为绝对最大振幅Xmax，其中前述的时间窗通过操控信号的开始而被触发开启。
图3c示出了具有包括两个周期的脉冲序列的操控信号A3的实施例。激励信号A3和阻尼被如此调整，使得系统响应的最大可实现的振幅(也称为绝对最大振幅Xmax)随着第二偏移而实现。此外，(图1至2的)输入部件2和/或(图1至2的)致动器4借助于属于(图1至2的)支承器件12的振动阻尼器被如此阻尼，使得在(图1至2的)输入部件2上测量的系统振幅的“衰减时间”是20ms，在所述“衰减时间”内从最大振幅的100％测量到最大振幅的10％或更小。
Claims (14)
1.一种输入装置(1)，包括：承载件(9)；沿着至少一个运动方向(B)借助支承器件(12)能够振动运动地支承在承载件(9)上的输入部件(2)，该输入部件具有确定用于由操作者触碰的输入面(3)并且具有用于探测由操作者触碰输入面(3)的触碰探测装置(5)；用于借助电操控信号激励输入部件(2)沿着运动方向(B)的运动的电磁致动器(4)，以便在由操作者触碰时在操作者处产生触觉反馈，其中，所述致动器(4)具有弹性地支承的附加质量(10)并且所述致动器(4)通过振动隔绝件(6)固定至输入部件(2)，
其中，所述操控信号(A1、A2、A3)和/或通过所述振动隔绝件(6)引起的阻尼被选择，使得在输入部件(2)处测量到的对借助所述致动器(4)通过所述操控信号(A1、A2、A3)触发的激励的系统响应(S1、S2、S3)的绝对最大振幅(Xmax)在所述操控信号(A1、A2、A3)开始触发之后20ms的第一最大时间间隔(t1)内发生，并且在最大为30ms的第二时间间隔(t2)内的一衰减点处，系统响应(S1、S2、S3)从先前实现的绝对最大振幅(Xmax)衰减到绝对最大振幅(Xmax)的10％或更少。
2.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述致动器(4)在加载以电操控信号时具有被驱动的部件(7、8)，所述被驱动的部件通过所述振动隔绝件(6)固定至所述输入部件(2)并且所述附加质量(10)弹性地支承在所述被驱动的部件上。
3.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述致动器(4)不被支撑在所述承载件(9)上。
4.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述致动器(4)仅通过所述振动隔绝件(6)固定至所述输入部件(2)。
5.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述致动器(4)仅固定至所述输入部件(2)。
6.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，由附加质量(10)及其弹性的支承结构(11)组成的振动系统的固有频率大于振动隔绝件(6)的固有频率。
7.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，由附加质量(10)和其弹性的支承结构(11)组成的振动系统的固有频率以系数
为幅度大于所述振动隔绝件(6)的固有频率。
8.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述振动隔绝件(6)完全地或部分地由塑料构成。
9.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述振动隔绝件(6)完全或部分地由泡沫材料、硅酮弹性体、硅橡胶、海绵橡胶和/或多孔橡胶构成。
10.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述振动隔绝件(6)被构造为集成式泡沫材料。
11.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，所述致动器(4)被配置为线性共振致动器(LRA)。
12.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中设置有用于给所述致动器(4)加载操控信号的操控电子器件，并且所述操控信号被构造为脉冲信号。
13.根据权利要求1所述的输入装置(1)，其中，用于能够振动运动地支承的支承器件(12)还具有用于引起对于所述输入部件(2)运动进行阻尼的振动阻尼器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的输入装置(1)在机动车中的应用。
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