CN112673487B - 带触觉反馈的车辆操作单元 - Google Patents
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Abstract
操作单元(10)具有可借助压电驱动件(14)机械地激励的操作部件(12)。所述压电驱动件(14)具有由压电材料构成的压电致动器(24)。转换传动件(32)机械地与所述压电致动器(24)的纵向伸展端部(26)耦接，该转换传动件用于把所述压电致动器(24)的在所述压电致动器(24)的作用方向(30)上发生的长度变化转换为与所述转换传动件(32)耦接的待移动部件的运动，该运动相对于所述压电致动器(24)的纵向伸展以不等于0度的角度朝向。所述转换传动件(32)具有第一支架(34)，该第一支架弹性地设计和/或具有弹性材料，并且在所述压电致动器(24)的纵向伸展端部(26)的区域中与该压电致动器机械地耦接。所述第一支架(34)设有第一和第二端部区段(36、38)，且在这两个端部区段(36、38)之间具有倾斜地伸展的第一倾斜区段(40)和相比于所述第一倾斜区段(40)较短的倾斜地伸展的第二倾斜区段(42)，所述第一支架(34)在这些端部区段处分别与所述压电致动器(24)机械地耦接。第一支架(34)的这些区段按照三角形边的方式以假想的在支架(34)的各端部区段(36、38)之间伸展的连线作为底伸展，并且相互弹性地连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种在利用压电驱动件手动地操纵时带触觉反馈的车辆操作单元。
背景技术
对于压电驱动件，在电控时，压电部件在作用方向上的长度可变性被用来机械地激励要使其运动的组件或单元。在汽车工业中的应用情况是，在操作装置上使用压电驱动件来产生触觉反馈。这种操作装置具有触摸屏或触控板，其在已探测到有效的手动操作时短暂地或者脉冲式地被机械地激励。通过这种方式来产生触觉反馈，利用该触觉反馈把有效操纵以触觉方式反馈给操作者。本发明尤其涉及带有传动件的压电致动器，其在本领域也称为机械增强的压电致动器。
压电致动器的或者这种促动器的压电作用部件的长度可变性足够大，以便能够在触觉上感觉到，但这由于应用条件而往往不够用。为了加大长度变化，采用具有多个彼此堆叠的压电的部件(下面称为压电部件)的压电致动器。这种压电致动器机械地作用到运动转换结构或相应的转换传动件上，通过该转换传动件把压电致动器的在力比较大的情况下发生的沿作用方向的长度变化转换为具有相应较小力的较大的运动。
现有技术中采用的用于压电致动器的转换传动件具有基本上弧形的支架，该支架在处于压电致动器的作用方向上的端部与压电致动器大多粘接地连接。可以在压电致动器的作用轴伸展的两侧设置两个这种支架。这些支架由比较刚硬的材料比如金属构成，且在电控制压电致动器时延展或收缩，由此产生与压电致动器的作用方向形成锐角的运动分量。通过一个或多个支架的变形，支架的材料可以随着时间的推移而疲劳，由此会使得压电驱动件的功能可靠性受损。
在DE-U-20 2008 017 833、US-B-6 246 132、US-A-4 952 835、WO-A-2017/1762019、US-B-9 523 294、EP-A-3 056 977、WO-A-2014/164018、WO-A-2016/067831、US-B-6 465 936、WO-A-2014/096565、US-A-2016/0 027 263、DE-A-10 2016 116 763、JP-A-2008-287402、EP-A-1035 015、DE-B-23 05 277、DE-C-42 14 220和DE-B-199 81 030中记载了带有转换传动件的压电驱动件的例子。
发明内容
本发明的目的是，提出一种带有压电驱动件的操作单元，其在手动操纵时触觉地反馈，该压电驱动件具有长的寿命和改善的功能。
为了实现该目的，本发明提出一种车辆操作单元，其在手动操纵时触觉地反馈，具有：
-壳体；
-可手动操纵的操作部件；和
-用于脉冲式地机械地激励操作部件的压电驱动件，
-其中，压电驱动件布置在壳体的壳体壁与操作部件之间，并且设置有：
-由压电材料构成的压电致动器，其中，压电致动器杆形地设计，并且在两个端部之间具有纵向伸展，其中，压电致动器的纵向伸展规定了其作用方向，压电致动器在控制时沿着该作用方向延展和/或收缩；和
-机械地与压电致动器的纵向伸展端部耦接的转换传动件，用于把压电致动器的在压电致动器的作用方向上发生的长度变化转换为与转换传动件耦接的待移动部件的运动，该运动相对于压电致动器的纵向伸展以不等于0度的角度朝向；
-其中，转换传动件具有第一支架，其弹性地设计和/或具有弹性材料，并且在压电致动器的纵向伸展端部的区域中与该压电致动器机械地耦接；
-其中，第一支架具有第一和第二端部区段，且在这两个端部区段之间具有倾斜地伸展的第一倾斜区段和相比于第一倾斜区段较短的倾斜地伸展的第二倾斜区段，第一支架在这些端部区段之内分别与压电致动器机械地耦接，这些倾斜区段按照三角形边的方式以假想的、在支架的各端部区段之间伸展的连线作为底伸展以及相互连接，特别是弹性地连接，并且其中的第一倾斜区段与第一端部区段、第二倾斜区段与第二端部区段连接，特别是弹性地连接；以及
-其中，第一支架与操作部件耦接，并且压电致动器与壳体壁耦接，或者，第一支架与壳体壁耦接，并且压电致动器与操作部件耦接。
根据本发明的操作单元的压电驱动件按本已公知的方式具有由压电材料构成的压电致动器。压电致动器在以电压控制时沿着作用方向延展和/或收缩。在条形的压电致动器的处于作用方向上的端部，该压电致动器与转换传动件处于作用连接中。该转换传动件把压电致动器的延展或收缩程度放大为沿着运动轴线的较大行程的运动，该运动轴线相对于压电致动器的作用方向形成锐角地伸展。
根据本发明的操作单元的压电驱动件的特殊性在于转换传动件的至少第一支架的设计。该第一支架具有两个彼此相对的端部区段，在这些端部区段之间，支架具有两个倾斜地伸展的第一和第二倾斜区段。两个倾斜区段相互连接，其中，它们的端部(其分别与相互连接的端部相对置)分别与两个端部区段中的另一个连接。由此，第一支架具有在侧视图中观察呈三角形的走势，其中，两个倾斜区段是三角形的边，该三角形的底由在两个端部区段之间的假想的连线构成。
两个倾斜区段之一、即第一倾斜区段在此比另一个倾斜区段长，即比第二倾斜区段长。
根据本发明设置的两个倾斜区段现在引起把压电致动器的在其作用方向上的长度变化特别有效地转换为待移动部件的相对于压电致动器的纵向伸展形成锐角地朝向的运动。压电驱动件的转换传动件的支架只有三个柔性区，在这些柔性区中，当电控制该压电致动器时，支架发生材料变形。这些材料变形区的数量减少于是允许压电驱动件在更长的时间内保持功能可靠。由此提高了压电驱动件的鲁棒性，且材料耗费和制造成本比较低。
在本发明的另一有益的设计中规定，第一支架的第一倾斜区段可与待移动部件机械地处于作用连接中，并且压电致动器可支撑在支撑部件上。通过第一支架与待移动部件在第一倾斜区段的区域中的机械耦接，减小了在第一支架移动时该部件的倾翻。第一倾斜区段相对于第二倾斜区段比较长地构造。第二倾斜区段在一定程度上用于推出第一倾斜区段。两个倾斜区段的角度位置及其长度比例尤其决定了当压电致动器改变其长度时待移动部件所经历的移动行程。相对于固定点对压电驱动件的支撑在压电致动器上进行，该压电致动器可支撑在支撑部件上。
在本发明的另一有利的设计中规定，转换传动件具有第二支架，该第二支架与第一支架相同地或者基本相同地构造，其中，两个支架的第一倾斜区段的长度不同或者相同或基本相同，并且两个支架的第二倾斜区段的长度不同或者相同或基本相同。无论移动行程还是沿着行程进行移动所用的力，都通过本发明的该变型方案的转换传动件的双支架-结构而增大。两个支架在如下方面相同地设计：它们两个分别具有两个端部区段，且在其两个相应的端部区段之间分别具有第一和第二倾斜区段。一个支架的各倾斜区段的长度和角度位置可以不同于另一支架。但有益的是，两个支架也在这方面相同地设计。
对于转换传动件的双支架结构，有益的是，两个支架之一的第一倾斜区段能够通过机械方式与待移动部件作用连接，并且两个支架中的另一个的第一倾斜区段能够通过机械方式与支撑部件耦接，用于支撑转换传动件。
对于转换传动件的前述构造，两个支架可以在压电致动器的作用轴两侧同向伸展或反向伸展地布置。在最先提到的情况下，两个支架的两个第一倾斜区段和两个第二倾斜区段成对地相对地布置。两对沿着压电致动器的作用轴线彼此并排。两个支架的倾斜区段基本上形成一个菱形。当两个支架彼此反向伸展地布置在压电致动器两侧时，一个支架的第一倾斜区段与另一支架的第二倾斜区段分别成对地彼此相对。分别由一个支架的第一倾斜区段和另一支架的第二倾斜区段构成的这两对于是又沿着压电致动器的作用轴线彼此并排。两个支架的第一和第二倾斜区段由此如同平行四边形的各边那样伸展。
如上已述，转换传动件的至少一个支架的或每个支架的两个倾斜区段不同长度。例如有利的是，转换传动件的至少一个支架的或每个支架的第一倾斜区段具有其第二倾斜区段的至少1.5倍长度或至少2倍长度或至少2.5倍长度或至少3倍长度。
两个支架的第一倾斜区段可以相同长度，这也可以适用于两个支架的第二倾斜区段。
如上已述，作为转换传动件的支架的材料，选用金属。但替代地，塑料也是适宜的。关键是，为支架采用的材料可以在两个第一区段与两个倾斜区段的连接处且在两个倾斜区段之间具有固体活节(Festkoerpergelenken)的功能。固体铰链例如可以设计成薄膜铰链，但也可以——更普遍地说——设计成支架厚度的减薄部。但替代地，支架也可以具有彼此铰接地连接的端部区段和倾斜区段。在任何情况下，支架或每个支架就此可弹性地变形，这尤其在支架的变形区方面通过相应的构造来实现，但也可以通过相应的材料选择来实现。但所述支架或每个支架的各个区段也可以通过转动活节连接可移动地耦接。
在本发明的另一有利设计中，至少一个支架或每个支架的端部区段可以粘接地或者通过连接部件与压电致动器机械地连接。作为机械的连接部件，例如考虑螺钉、螺栓等。
在本发明的另一有利设计中可以规定，压电致动器具有一个或多个彼此堆叠的压电的部件。堆叠顺序在此可以沿压电致动器的纵向伸展朝向，但也可以与其垂直地朝向。
附图说明
下面借助实施例并参照附图详述本发明。在此具体地：
图1为带有触控板或触摸屏的车辆操作单元的示意性正视图，触控板/触摸屏被压电驱动件脉冲式地激励，用于产生触觉反馈，进而产生手动接触输入的触觉反馈；
图2为比如在根据图1的车辆操作单元中使用的压电驱动件的立体图。
具体实施方式
图1中所示为用于车辆的操作单元10的正视图，其中，操作部件12设计成触摸屏或触控板，在其上通过脉冲式的机械的激励而触觉地反馈有效的操作指令输入(触觉反馈)。为此目的，操作单元10具有压电驱动件14，该压电驱动件例如在操作单元10的壳体18的壳体壁16与其操作部件12之间布置和起作用。除了能接触灵敏地输入的操作部件12之外，操作单元10例如还可以具有其它的操作部件比如按键20和/或旋钮22。
图2立体地示出压电驱动件14的放大图。压电驱动件14具有压电致动器24，该压电致动器设计成杆形的、在本实施例中棒形的纵向伸展的部件，纵向伸展也规定了其作用方向。压电致动器24具有两个相对的纵向伸展端部26，并且在该实施例中设计成由分别条形的压电部件构造成的堆叠。当对压电部件28施加电压时，压电致动器24垂直于其纵向伸展发生延展(或者根据所施加的电压的极性而定，在该方向上收缩)，这意味着，它在纵向伸展上收缩(或者根据先前提到的电压的极性而定发生延展)。在该实施例中，压电致动器24的作用方向30因而由其纵向伸展来规定。
转换传动件32位于压电致动器24的两侧或者位于作用方向30的两侧，在该实施例中，该转换传动件具有两个金属支架34。每个金属支架都包括两个端部区段36、38，其中，在这两个端部区段36、38之间布置了两个倾斜地伸展的区段，即两个倾斜区段40、42。两个倾斜区段40、42柔性地相互连接，这在本实施例中通过固体活节来实现，其形式为金属支架34减小的厚度。两个倾斜区段之一、即第一倾斜区段40比另一个倾斜区段长，即比第二倾斜区段42长。第一倾斜区段40柔性地与第一端部区段36连接，而第二倾斜区段42柔性地与支架34的第二端部区段38连接。两个支架34的端部区段36、38借助粘接剂44与压电致动器24的端部26抗剪切地连接。
压电驱动件14的运动情况如下。在相应地电地控制压电致动器24时，它在纵向伸展上即在其作用方向30上缩短，这意味着，两个支架34直立，即向外移动或参照根据图2的示图向上或向下移动。如果把对压电致动器24的电控制选择成使得压电致动器在纵向伸展上延展，则支架34朝向压电致动器24移动，即呈现一种更扁平的造型。在两种情况下实现的移动行程现在被利用来参照根据图1的应用情况短暂地机械地激励操作部件12。为此，操作部件12与两个支架34之一的较长的第一倾斜区段40连接，而转换传动件32借助另一支架34的较长的第一倾斜区段40支撑在壳体壁16上。支架34的相对长的第一倾斜区段40可以实现在机械地激励操作部件12时尽量抑制倾翻运动。
在压电致动器24的长度变化转换为操作部件12的运动行程时，两个支架34的两个较长的第一倾斜区段40用作力传递部件，而较短的第二倾斜区段42用作这些力传递部件的支撑部件。
如借助图2以及在图1中可见，两个支架34基本上相同地构造，但反向延伸地布置。由此，四个倾斜区段40、42在一定程度上形成平行四边形的边(在从旁侧观察压电驱动件14时)。
图2中也示出，两个支架34的第一端部区段36倾斜。其原因是，在支架34最大程度地直立时，贴靠在第一倾斜区段40上的构件(在图1的实施例中为操作部件12和壳体壁16)在(第一)端部区段36的区域中裸露，而并不与其接触。替代地，两个构件也可以具有凸起区域(见图1)，它们在这些凸起区域以内突出超过其面向支架34的侧面，由此使得端部区段36不再与这些构件碰撞。
通过把弯曲区的数量减少至每个支架34有三个柔性的(即活节)连接部，两个支架34的第一倾斜区段40——其一方面与操作部件12形成接触，另一方面对壳体壁16形成支撑——在空间中倾斜，或者压电致动器24相对于前述的构件倾斜。由此可以明显提高压电致动器或压电驱动件的鲁棒性，因为并非所愿的“过度弯曲”是不可能的，进而活节的机械失灵是不可能的。此外，压电驱动件的效率提高了，因为每个活节都引起机械损失。因而活节数量越少，效率就越高，因为机械损失减小了。
附图标记清单
10 操作单元
12 操作部件
14 压电驱动件
16 壳体壁
18 壳体
20 按键
22 旋钮
24 压电致动器
26 压电致动器的纵向伸展端部
28 压电的部件
30 压电致动器的作用方向
32 转换传动件
34 支架
36 支架的第一端部区段
38 支架的第二端部区段
40 第一支架的第一倾斜区段
42 支架的第二倾斜区段
44 粘接剂
Claims (13)
1.一种车辆操作单元，其在手动操纵时触觉地反馈，具有：
- 壳体（18）；
- 可手动操纵的操作部件（12）；和
- 用于脉冲式地机械地激励所述操作部件（12）的压电驱动件（14），
- 其中，所述压电驱动件（14）布置在所述壳体（18）的壳体壁（16）与所述操作部件（12）之间，并且设置有：
- 由压电材料构成的压电致动器（24），其中，所述压电致动器（24）杆形地设计，并且在两个端部（26）之间具有纵向伸展，其中，所述压电致动器（24）的纵向伸展规定了其作用方向（30），所述压电致动器（24）在控制时沿着该作用方向延展和/或收缩；和
- 机械地与所述压电致动器（24）的纵向伸展端部（26）耦接的转换传动件（32），用于把所述压电致动器（24）的在所述压电致动器（24）的作用方向（30）上发生的长度变化转换为与所述转换传动件（32）耦接的待移动部件的运动，该运动相对于所述压电致动器（24）的纵向伸展以不等于0度的角度朝向；
- 其中，所述转换传动件（32）具有第一支架，该第一支架弹性地设计和/或具有弹性材料，并且在所述压电致动器（24）的纵向伸展端部（26）的区域中与该压电致动器机械地耦接；
- 其中，所述第一支架具有第一端部区段（36）和第二端部区段（38），且在这两个端部区段（36、38）之间具有倾斜地伸展的第一倾斜区段（40）和相比于所述第一倾斜区段（40）较短的倾斜地伸展的第二倾斜区段（42），所述第一支架在这些端部区段之内分别与所述压电致动器（24）机械地耦接，这些倾斜区段按照三角形边的方式以假想的在第一支架的各端部区段（36、38）之间伸展的连线作为底伸展以及相互连接，并且其中的所述第一倾斜区段（40）与所述第一端部区段（36）、所述第二倾斜区段（42）与所述第二端部区段（38）连接；
- 其中，所述第一支架与所述操作部件（12）耦接，并且所述压电致动器（24）与所述壳体壁（16）耦接，或者，所述第一支架与所述壳体壁（16）耦接，并且所述压电致动器（24）与所述操作部件（12）耦接。
2.如权利要求1所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的第一支架的第一倾斜区段（40）能够与所述操作部件（12）通过机械方式处于作用连接中，并且所述压电致动器（24）能够支撑在所述壳体壁上，或者，所述转换传动件（32）的第一支架的第一倾斜区段（40）能够与所述壳体壁（16）通过机械方式处于作用连接中，并且所述压电致动器（24）能够支撑在所述操作部件（12）上。
3.如权利要求1所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）具有第二支架，该第二支架与所述转换传动件（32）的第一支架相同地构造，其中，这两个支架的第一倾斜区段（40）的长度不同或者相同，并且这两个支架的第二倾斜区段（42）的长度不同或者相同。
4.如权利要求3所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的这两个支架之一的第一倾斜区段（40）能够通过机械方式与所述操作部件（12）作用连接，并且所述转换传动件（32）的这两个支架中的另一个的第一倾斜区段（40）能够通过机械方式与所述壳体壁（16）而不是支撑部件耦接。
5.如权利要求3或4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的这两个支架在所述压电致动器（24）的两侧同向伸展地布置，其中，两个第一倾斜区段（40）和两个第二倾斜区段（42）成对地相对地布置，以及这两个对都沿着所述压电致动器（24）的作用方向（30）彼此并排地布置。
6.如权利要求3或4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的这两个支架在所述压电致动器（24）的两侧反向伸展地布置，其中，一个支架的第一倾斜区段（40）和另一个支架的第二倾斜区段（42）分别成对地相对地布置，以及这两个对都沿着所述压电致动器（24）的作用方向（30）彼此并排地布置。
7.如权利要求1至4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的至少一个支架的或每个支架的第一倾斜区段（40）具有其第二倾斜区段（42）的至少1.5倍长度或至少2倍长度或至少2.5倍长度或至少3倍长度。
8.如权利要求3至4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的这两个支架的第一倾斜区段（40）长度相同，和/或，这两个支架的第二倾斜区段（42）长度相同。
9.如权利要求1至4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的至少一个支架或每个支架具有金属或塑料。
10.如权利要求1至4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，对于所述转换传动件（32）的每个支架，端部区段（36、38）与相应的倾斜区段（40、42）铰接地连接，以及这两个倾斜区段（40、42）相互铰接地连接。
11.如权利要求1至4中任一项所述的车辆操作单元，其特征在于，所述转换传动件（32）的至少一个支架或每个支架的端部区段（36、38）粘接地或者通过连接部件与所述压电致动器（24）以机械方式地连接。
12.如权利要求1所述的车辆操作单元，其特征在于，所述第一倾斜区段（40）与所述第二倾斜区段（42）相互弹性地连接。
13.如权利要求1所述的车辆操作单元，其特征在于，所述第一倾斜区段（40）与所述第一端部区段（36）弹性地连接，所述第二倾斜区段（42）与所述第二端部区段（38）弹性地连接。
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