CN113168269B - 具有触摸屏或触摸板以及其中具有滑入配合触觉的输入部件的输入设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种输入设备(1)，其具有：朝向操作者(B)的触敏输入面(8)；用于以空间分辨的方式对接近和触摸触敏输入面(8)进行检测的检测装置(4、6)，检测装置具有平行于输入面(8)而延伸的用于进行电容式和/或电感式检测的传感器阵列(6)；布置在输入面(8)上并且以沿垂直于输入面(8)延伸的操纵方向(B1)从休止位置(X0)至操纵位置(XE)能够移动的方式安装的输入部件(9)，以便使得操作者(B)能够通过沿操纵方向(B1)手动移动输入部件(9)来进行操作输入；固定在输入部件(9)上且与检测装置(4、6)配合的位置指示器(10)，位置指示器用于非接触式位置检测；回复构件(11)，其用于产生带有滑入配合触觉的回复力(F)，回复力(F)反作用于从休止位置(X0)开始的手动调节；其中，检测装置(4、6)适于借助检测装置(4、6)的传感器信号(Z(t))的随时间变化过程来检测对触敏输入面(8)的接近的随时间变化过程并分析传感器信号(Z(t))的随时间变化过程和/或相关的频谱，检测装置还适于仅在在先前分析中已确定传感器信号(Z(t))的随时间变化过程和/或相关的频谱具有由滑入配合触觉预定的特性的情况下，才分配开关或控制功能。

Description

具有触摸屏或触摸板以及其中具有滑入配合触觉的输入部件 的输入设备
技术领域
本发明涉及一种特别是用于汽车的输入设备，其具有至少一个触敏输入面，输入面视情况以由像素矩阵显示器构成的显示面进行补充。根据通用类型，输入部件可移动地支承在触敏输入面上。输入部件例如是旋钮，使得输入部件作为旋转调节器而起作用。由像素矩阵显示器和检测装置构成的用于提供触敏输入面和显示面的组合通常被称为触摸屏，而无显示器的变体通常被称为触摸板。为了检测接近或触摸输入面，通常设有电容式检测装置，电容式检测装置具有用于产生测量电容阵列的电极结构，测量电容的影响可以通过接近或触摸被检测装置以空间分辨的方式检测到。
背景技术
此类型的输入设备在汽车中用于控制车辆组件，除此以外还用于控制信息或通信装置或用于空调控制。例如用于控制音乐文件的播放器、导航设备或用于设置车辆功能的用户界面。
通过将可移动地安装的输入部件布置在触摸屏上来实现用于手动的操作输入的补充性方案的优点在于，操作者无需视觉检查便可更轻松地进行触觉定向，与通过触敏输入面进行输入(例如通过滑动手势)相比，通常可以更快地进行手动的操作输入，而大多数情况下无需通过输入部件进行视觉检查。DE 10 2006 043 208 A1揭露了一种布置在触摸屏上的旋转调节器。例如设有输入部件，以便能够运行操作菜单或者选择一个或多个菜单项。为了检测输入部件的位置，使用本就存在的检测设置，其中在输入部件的调节过程中与这个输入部件一起同步运动的位置指示器与检测装置相互作用并且例如会影响测量电容。因此，通过对这些测量场的电容影响进行空间分辨检测，不仅可以对触摸输入面进行检测，而且还可以检测输入部件的位置，因为这个输入部件配设有位置相关地影响这些测量场的位置指示器。
然而，如果输入部件具有待检测的自由度，其中这个输入部件垂直于输入面而运动，即位置指示器相对于触敏输入面的接近位置在手动调节期间(即在向下按压这个输入部件时)所发生的变化大多微不足道，则对输入部件的调节的检测特别是存在问题。事实证明，对所谓的按压操纵的检测尤其容易受到干扰，并且迄今为止，很难将其与意外接近输入面(例如操作者的手指偶然接近输入面)区别开来。
发明内容
有鉴于此，需要针对具有触敏输入面和补充性地布置在其上的输入部件的同类型的输入设备的解决方案，输入设备能够更可靠地检测输入部件在垂直于输入面的方向上的调节并且特别是可以以节省空间和/或成本较低的方式实现。本发明用以达成上述目的的解决方案在于根据权利要求1的输入设备。独立权利要求的主题分别是一种同样有利的用途和一种操作相应的输入设备的方法。有利的技术方案是从属权利要求的主题。要指出的是，权利要求书中单独列出的特征可以以任何技术上有意义的方式彼此组合并且示出了本发明的其他技术方案。说明书特别是结合附图补充性地对本发明进行表征和详细说明。
本发明涉及一种输入设备。输入设备用于通过操作者的手动操纵来执行一个或多个控制和开关过程。根据本发明，输入设备具有朝向操作者的触敏输入面。输入面可以是平面的，即二维的，或者也可以是三维的，即具有一个或多个隆起或凹陷，因此，这个输入面以形成触觉景观的方式设计。根据本发明，设有检测装置，以便例如通过操作机构(如操作者的手指)以空间分辨的方式对接近和触摸触敏输入面进行检测。根据本发明，检测装置具有至少一个平行于输入面而延伸的传感器阵列，其用于电容式和/或电感式地检测接近或触摸。例如设有由多个产生测量电容配置的电极构成的阵列或感应线圈的阵列。优选设有由电极构成的阵列以用于投射电容式触摸或接近检测。
根据本发明，设有布置在输入面上并且以沿垂直于输入面延伸的操纵方向从休止位置至操纵位置能够移动的方式安装的输入部件，以便使得操作者能够通过沿操纵方向手动移动输入部件来进行操作输入。输入部件例如可移动地支承在脚部上，这个脚部又可拆卸地，优选可拆卸且可逆地固定在输入面上。除了根据本发明必不可少的垂直于输入面的自由度之外，即除了输入部件的按压功能之外，还可以设有其他自由度，这个输入部件例如还可以以围绕垂直于输入面的旋转轴可旋转的方式和/或以相对这个输入面可枢转的方式进行支承，以便能够通过调节输入部件来实现控制或开关功能。最优选地，除了垂直于输入面的运动性之外，至少还实现输入部件围绕垂直于输入面的旋转轴的旋转调节。
根据本发明，输入设备具有与检测装置配合且固定在输入部件上的位置指示器，位置指示器用于非接触式位置检测。术语位置指示器应作广义解释。例如设有由金属材料制成的电极作为位置指示器，这个位置指示器与输入部件同步运动。位置指示器例如以某种方式布置，使得在操作者触摸输入部件时，这个位置指示器在用于进行触摸的面上以与操作者电隔离的方式布置或者与操作者导电接触。在另一实施例中，位置指示器构建为振荡电路，这个振荡电路的调谐随着输入部件的调节而发生变化。
根据本发明，回复构件适于产生带有滑入配合触觉(snap haptics)的回复力，回复力反作用于从休止位置开始的手动调节。换句话说，输入部件单稳态地支承在休止位置上。滑入配合触觉指的是具有作用点的力路径曲线，亦即，随着输入部件从休止位置到操纵位置(也称为致动位置)的运动的增加，抵消这个操纵的待由操作者克服的回复力首先增大，而后在到达操纵位置之前达到第一局部最大值，即所谓的作用点，然后开始下降，但不降为零。非必要但优选的是，在此情况下，在到达操纵位置之前或最迟在到达致动位置时，回复力再次增大，因为输入部件的运动设有止挡。
优选地，在输入部件从致动位置运动回到休止位置时，同样可以感知到滑入配合触觉，其中随着输入部件从致动位置朝向休止位置的运动的增加，引起回复的回复力首先增大，而后在到达休止位置之前达到第二局部最大值，然后开始下降。在此情况下，优选表现出滞后行为，即输入部件的达到回复力的局部第一最大值的偏移与这个输入部件的达到回复力的局部第二最大值的偏移不相同。在第一局部最大值处确定的相对休止位置的偏移优选大于在第二局部最大值处的偏移。
根据本发明，检测装置适于借助传感器阵列的传感器信号的随时间变化过程(course over time)来检测例如操作者的手指或例如位置指示器对触敏输入面的接近的随时间变化过程并分析传感器信号的随时间变化过程和/或相关的频谱。根据本发明，检测装置还适于仅在在先前分析中已确定传感器信号的先前测得的随时间变化过程和/或根据先前测得的随时间变化过程确定的(例如通过傅里叶分析获得的)频谱具有由滑入配合触觉预定的特性的情况下，才分配开关或控制功能。
根据本发明的结合包含滑入配合触觉的回复对信号随时间变化过程以及基于检测信号的接近曲线的考虑的优点在于，易于在检测曲线的随时间变化过程中识别出由输入部件的运动的滑入配合触觉赋予的特性，这样就能容易地将非希望的其他接近与由操纵输入部件以及位置指示器与此相关地接近触敏输入面而产生的预期接近区别开来。这样就能更可靠地检测后者。换句话说，滑入配合触觉不仅具有触觉反馈的优点，而且在操纵时也加强了输入部件的运动特征，这个运动特征与滑入配合触觉特征性关联，因此，可以容易地在传感器信号的随时间变化过程中将这个运动特征识别为输入部件的预期操纵，因为根据本发明，这是对检测装置进行进一步分析的基础。
根据一个优选的实施例，只有在检测信号超过或低于预定的极限值的情况下，才将作为进一步分析的必要前提的传感器信号的随时间变化过程认定为适于对应开关或控制功能的接近。极限值例如通过检测信号而确定，在输入部件处于位于操纵位置上游的位置上时，例如在休止位置与操纵位置之间存在半个偏移时，或者这个输入部件更优选处于回复力具有第一局部最大值的位置上，即位于作用点处时，产生检测信号，以便防止在意外操纵或触摸时进行进一步分析和错误触发。
优选在分析之前对随时间变化过程进行高通滤波，以便能够更好地在进一步分析中使身体部位相对缓慢地对触敏输入面的接近作废，这些接近是在没有操纵输入部件的情况下发生的或者是在直至作用点的操纵过程中发生的，因此无需对应开关和控制功能。
高通滤波的截止频率优选通过在从休止位置沿操纵方向朝操纵位置的方向手动调节输入部件期间第一次达到由回复力的局部最大值而定义的第一偏移(deflection)(作用点)与随后在到达操纵位置之前在第二偏移期间再次达到回复力的与局部最大值相对应的值之间的时间间隔而定义。
此外，本发明还涉及一种上述输入设备在汽车中的用途。
本发明还涉及一种具有以下步骤的输入设备的操作。在准备步骤中，提供采用上述实施例中的一个的输入设备。在检测步骤中，借助属于检测装置的传感器阵列的传感器信号来检测例如位置指示器或操作者的手指对触敏输入面的接近的随时间变化过程。在随后的分析步骤中，对随时间变化过程和/或相关的频谱进行分析。在随后的对应步骤中，只有在在分析步骤中已确定随时间变化过程和/或相关的频谱具有由滑入配合触觉预定的特性时，才对应开关或控制功能，以便更可靠地将位置指示器对触敏输入面的接近与开关或控制功能进行对应。
根据本发明的结合包含滑入配合触觉的回复对基于检测信号的接近曲线的考虑的优点在于，易于在检测曲线的随时间变化过程中识别出由输入部件的运动的滑入配合触觉赋予的特性，这样就能容易地将非希望的其他接近与由操纵输入部件以及位置指示器与此相关地接近触敏输入面而产生的接近区别开来。换句话说，滑入配合触觉不仅具有触觉反馈的优点，而且在操纵时也加强了输入部件的运动特征，这个运动特征与滑入配合触觉特征性关联，因此，可以容易地将这个运动特征识别为输入部件的预期操纵，因为根据本发明，检测信号的随时间变化过程是对检测装置进行进一步分析的基础。
根据操作方法的一个优选的实施例，只有在检测信号超过或低于预定的极限值的情况下，才将作为进一步分析的必要前提的传感器信号的随时间变化过程认定为接近。极限值例如通过检测信号而确定，在输入部件处于位于操纵位置上游的位置上时，例如在存在半个偏移时，或者这个输入部件处于回复力具有局部最大值的位置上时，产生检测信号，以便防止在意外操纵或触摸时进行进一步分析和错误触发。
优选在分析之前对随时间变化过程进行高通滤波，以便能够更好地在进一步分析中使身体部位相对缓慢地对触敏输入面的接近作废，这些接近是在没有操纵输入部件的情况下发生的，因此无需对应开关和控制功能。
高通滤波的截止频率优选通过在从休止位置沿操纵方向朝操纵位置的方向手动调节输入部件期间第一次达到由回复力的局部最大值而定义的第一偏移(作用点)与随后在到达操纵位置之前在第二偏移期间再次达到回复力的与局部最大值相对应的值之间的时间间隔而定义。截止频率例如以如下方式来确定：fgr＝1/Δt，其中滑入配合时间Δt处于2毫秒至10毫秒的范围内。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细说明。其中，附图仅是示例性的并且仅分别表示一个优选的实施变体。其中：
图1为根据本发明的输入设备1的一个实施方式的透视图；
图2为回复力F(S)的曲线；
图3为传感器信号Z(t)的曲线。
具体实施方式
根据本发明的输入设备1适用于未绘示的汽车中，这个输入设备例如布置在属于这个车辆的中央操纵台或仪表盘中并且用于由操作者B进行操作输入。为此，设有以可旋转的方式支承的输入部件9和触敏输入面8。触敏输入面8用于通过触摸(例如滑动手势等)来进行常规输入，而输入部件9则能够通过沿第一操纵方向B1和第二操纵方向B2调节这个输入部件来实现由操作者B进行操作输入。一方面，输入部件9以围绕正交于触敏输入面8的旋转轴D可旋转的方式支承在输入面8上，以便使得操作者B能够沿第二操纵方向B2进行旋转输入。此外，输入部件9还可以沿垂直于输入面8且平行于旋转轴D的第一操纵方向B1从休止位置平移地移动至操纵位置，从而实现输入部件9的按压功能，进而实现输入设备1的按压功能。在此情况下，操纵位置表示最接近输入面8的输入部件9的位置，休止位置表示最远离输入面8的输入部件9的位置。偏移指的是输入部件相对休止位置的位置变化。
因为输入部件9易于触摸感知，所以其能够更容易地找回并有助于在触敏输入面8上进行定向。构建有具有电极阵列6的检测装置4、6，其用于以空间分辨和电容的方式检测在输入面8上触摸以及接近输入面8，借助这个检测装置通过局部地影响由电极阵列6产生的测量电容的阵列来电容性地检测触摸或接近。通过属于触摸检测装置4、6的涂层产生电极阵列6，这个涂层形成规则结构并平行于输入面8而延伸。电极阵列6由被组织成列和行的透明电极构成。通过属于检测装置4、6的布置在层结构2的外部的分析单元4将测量电容施加到电极结构6上，对这些测量电容影响进行检测并且借助相关触摸位置测定接近或触摸。
电极阵列6位于层结构2的透明外层7的背离操作者B的一侧上，其中外层由玻璃材料或透明塑料构成，而层结构2的透明外层7的朝向操作者B的一侧则定义触敏输入面8。在透明外层7与像素矩阵显示器3之间设有由紫外线固化且透明硬化的粘合剂构成的粘合剂层5。由此产生的触敏输入面8与像素矩阵显示器3的组合和叠加布置将其认定为触摸屏。通过检测装置4、6对输入部件9的调节或位置进行检测，具体方式在于，这个检测装置与位置指示器10配合，这个位置指示器固定在输入部件9上，进而在由操作者B进行的手动调节期间与这个输入部件一起同步运动并且会位置相关地影响电极结构6所产生的测量电容。所示出的位置指示器10的实施例仅是象征性的。可以实现位置指示器10的与图中所示有所不同的布置和实施例。例如可以相对输入部件9的旋转轴D进行偏心定位以及在旋转轴D上进行定位。电极阵列6与位于层结构2外部的分析单元4导电连接。设有仅示意性示出的回复构件11，其产生回复力，这个回复力在从休止位置至操纵位置的手动调节期间沿第一操纵方向B1反作用于输入部件9的调节，在此情况下，产生滑入配合触觉。在位置指示器10由于手动操纵而接近电极阵列所产生的测量电容时，传感器信号随时间而变化，其随时间变化过程是通过分析单元4进行分析的基础。
结合图2对滑入配合触觉进行详细说明。该图示出回复力F(S)根据输入部件的从用X0标示的休止位置发生的偏移S的曲线。通过输入部件的端部施压而产生的操纵位置用XE标示。由回复力F的曲线可以得出，在偏移X1处，即在所谓的“作用点”处，存在回复力Fsnap的局部最大值。然后，这个回复力首先通过滑入配合偏移ΔS而减小，以便随后又以指数方式增大。滑入配合偏移ΔS通过具有局部最大值Fsnap的偏移X1与在即将达到操纵位置XE之前再次达到回复力值Fsnap时的偏移X1之间的距离而被定义为最终位置。覆盖滑入配合偏移ΔS所需的时间间隔，即所谓的滑入配合时间Δt，基本上通过滑入配合触觉而确定，而不是或者最多仅略微通过操作者进行输入的操纵速度而确定，因此，这个时间间隔是取决于滑入配合触觉的特征量。滑入配合时间优选处于2毫秒至10毫秒的范围内。结合图3对传感器信号Z(t)根据时间的曲线进行详细说明。可以看出，操作者在操纵输入部件之前在其休止位置上的首次触摸会在时间传感器信号曲线Z(t)中产生第一信号值Z0。在达到用于偏移X1的回复力F的局部最大值Fsnap时，传感器信号Z(t)增大并达到值Z1。然后，滑入配合触觉致使传感器信号Z(t)在滑入配合时间Δt内迅速上升至信号值ZE，其中最终通过输入部件到达操纵位置XE。
因此，通过图1所示分析单元4进行的进一步分析和研究中，超过极限值Z1是对应开关或控制功能的必要条件。如果未超过这个极限值，则不通过分析单元4进行对应。此外，使用高通频率滤波器。根据滑入配合时间来选择这个滤波器的截止频率：fgr＝1/Δt，其中滑入配合时间Δt处于2毫秒至10毫秒的范围内。

Claims (9)

1.一种输入设备(1)，包括：
朝向操作者(B)的触敏输入面(8)；
检测装置(4、6)，其用于以空间分辨的方式对接近和触摸所述触敏输入面(8)进行检测，所述检测装置具有平行于输入面(8)延伸的用于进行电容式和/或电感式检测的传感器阵列(6)；
输入部件(9)，其布置在所述输入面(8)上并且以沿垂直于所述输入面(8)延伸操纵方向(B1)从休止位置(X0)至操纵位置(XE)能够移动的方式安装，以便使得所述操作者(B)能够通过沿所述操纵方向(B1)手动移动所述输入部件(9)来进行操作输入；
位置指示器(10)，其固定在所述输入部件(9)上且与所述检测装置(4、6)配合，所述位置指示器用于非接触式位置检测；
回复构件(11)，其用于产生带有滑入配合触觉的回复力(F)，回复力(F)反作用于从所述休止位置(X0)开始的手动移动并且待由所述操作者(B)克服，随着所述输入部件(9)从所述休止位置(X0)到所述操纵位置(XE)的运动的增加，所述回复力(F)首先增大，而后在到达所述操纵位置(XE)之前作为作用点达到第一局部最大值(Fsnap)，使得所述回复力(F)开始下降，但不降为零，并且在最迟在到达所述操纵位置的(XE)时使得所述回复力(F)再次增大；
其中，所述检测装置(4、6)适于借助所述传感器阵列(6)的传感器信号(Z(t))的随时间变化过程来检测对所述触敏输入面(8)的接近的随时间变化过程并分析所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程和/或相关的频谱，且所述检测装置还适于仅在先前分析中确定所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程和/或所述相关的频谱具有由所述滑入配合触觉预定的特性的情况下，才分配开关或控制功能。
2.根据权利要求1所述的输入设备(1)，其中，在所述分析之前对所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程进行高通滤波。
3.根据权利要求2所述的输入设备(1)，其中，所述高通滤波的截止频率(fgr)通过在从所述休止位置(X0)沿所述操纵方向(B1)手动移动所述输入部件(9)期间第一次达到由所述回复力(F)的局部最大值(Fsnap)而定义的第一偏移(X1)与随后在到达所述操纵位置(XE)之前在第二偏移(X2)期间再次达到所述回复力(F)的与所述局部最大值(Fsnap)相对应的值之间的时间间隔而定义。
4.根据前述权利要求中任一项所述的输入设备(1)，其中，只有在所述传感器信号(Z(t))超过或低于预定的极限值(Z1)的情况下，才认定作为进一步分析的必要前提的所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程适于分配开关或控制功能。
5.一种根据前述权利要求中任一项所述的输入设备(1)在汽车中的用途。
6.一种具有以下步骤的输入设备的操作：
提供输入设备(1)，其具有：
·朝向操作者(B)的触敏输入面(8)；
·用于以空间分辨的方式对接近和触摸所述触敏输入面(8)进行检测的检测装置(4、6)，所述检测装置具有平行于所述输入面(8)而延伸的用于进行电容式和/或电感式检测的传感器阵列(6)；
·布置在所述输入面(8)上并且以沿垂直于所述输入面(8)延伸的操纵方向(B1)从休止位置(X0)至操纵位置(XE)能够移动的方式安装的输入部件(9)，以便使得所述操作者(B)能够通过沿所述操纵方向(B1)手动移动所述输入部件(9)来进行操作输入；
·固定在所述输入部件(9)上且与所述检测装置(4、6)配合的位置指示器(10)，所述位置指示器用于非接触式位置检测；
·回复构件(11)，其用于产生带有滑入配合触觉的回复力(F)，回复力(F)反作用于从所述休止位置(X0)开始的手动移动并且待由所述操作者(B)克服，随着所述输入部件(9)从所述休止位置(X0)到所述操纵位置(XE)的运动的增加，所述回复力(F)首先增大，而后在到达所述操纵位置(XE)之前作为作用点达到第一局部最大值(Fsnap)，使得所述回复力(F)开始下降，但不降为零，并且在最迟在到达所述操纵位置的(XE)时使得所述回复力(F)再次增大；
借助所述传感器阵列(6)的传感器信号(Z(t))的随时间变化过程来检测对所述触敏输入面(8)的接近的随时间变化过程；
对所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程和/或相关的频谱进行分析；
只有在分析步骤中确定所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程和/或所述相关的频谱具有由所述滑入配合触觉预定的特性时，才分配开关或控制功能。
7.根据前述权利要求所述的输入设备的操作，其中，在所述分析之前对所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程进行高通滤波。
8.根据权利要求7所述的输入设备的操作，其中，所述高通滤波的截止频率(fgr)通过在从所述休止位置(X0)沿所述操纵方向(B1)手动移动所述输入部件(9)期间第一次达到由所述回复力(F)的局部最大值(Fsnap)而定义的第一偏移(X1)与随后在到达所述操纵位置(XE)之前在第二偏移(X2)期间再次达到所述回复力(F)的与所述局部最大值(Fsnap)相对应的值之间的时间间隔而定义。
9.根据前述权利要求6至8中任一项所述的输入设备的操作，其中，只有在所述传感器信号(Z(t))超过或低于预定的极限值(Z1)的情况下，才认定作为进一步分析的必要前提的所述传感器信号(Z(t))的随时间变化过程适于分配开关或控制功能。
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