ES2955882T3 - Unidad de mando para un componente de vehículo, en particular interfaz hombre-máquina para un vehículo - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una unidad de control (10) para un componente de vehículo, que presenta una carcasa (14) con un marco (16) y una pantalla (62), que presenta una hoja de cubierta transparente (18) con un borde (22). A lo largo del borde (22) del cristal de cubierta (18) están dispuestos varios actuadores (24) para introducir ondas de flexión en el cristal de cubierta (18). A cada actuador (24) en el cristal de cubierta (18) está asociada una superficie de contacto (34), mediante cuya superficie de contacto el actuador (24) actúa sobre el cristal de cubierta para introducir ondas de flexión en el cristal de cubierta (18).). Las ondas de flexión introducidas por los actuadores (24) en la hoja de cubierta (18) se superponen en la hoja de cubierta (18) y confieren a la hoja de cubierta (18) una estructura superficial resuelta localmente y sensible al tacto. Las superficies de contacto (34) están dispuestas respectivamente a una distancia del marco (16) de la carcasa (14) y, por consiguiente, se evita la introducción de ondas de flexión en el cristal de cubierta (18) y/o la propagación de ondas de flexión en la cubierta. El panel (18) está amortiguado para longitudes de onda o frecuencias resultantes de la magnitud de la distancia. La distancia se elige de tal manera que se amortigüen las ondas de flexión con frecuencias en el rango de frecuencia audible. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Unidad de mando para un componente de vehículo, en particular interfaz hombre-máquina para un vehículo La presente invención se refiere a una unidad de mando para un componente de vehículo tal como, por ejemplo, una interfaz hombre-máquina (IHM o interfaz humano-máquina (IHM)) con tecnología háptica espacialmente resuelta para la retroalimentación de un accionamiento manual. En particular, la invención se refiere a la cancelación de ruido en la retroalimentación háptica mediante ondas de flexión. Además del uso para un componente de vehículo o en un vehículo, la unidad de mando también se puede utilizar para otros dispositivos de entrada de pantalla táctil.
La introducción de comandos para el manejo de los componentes de vehículo mediante una pantalla o panel táctil es cada vez más popular. A este respecto, por razones de comodidad, es deseable que se informe a la persona de la entrada efectiva de un comando, es decir, del accionamiento manual efectivo. En este sentido, han demostrado su eficacia los llamados conceptos de retroalimentación háptica, en los que la retroalimentación es táctil. A este respecto el panel o la pantalla táctil en su conjunto se excita mecánicamente, debiéndose también reducir la oscilación al mínimo por razones de comodidad. Lo ideal es que el panel o pantalla táctil solo retroceda brevemente una vez, para luego volver a la posición de reposo.
Especialmente en el caso de pantallas táctiles más grandes, como las que se instalan cada vez más en los vehículos, los conceptos convencionales de retroalimentación háptica son desventajosos debido al aumento del peso de los componentes que se han de mover.
Para la retroalimentación háptica en superficies sensibles al contacto es conocida la estampación en estas de ondas de flexión. Esto se describe, por ejemplo, en los documentos EP 2684111 A1, US 9436284 B2 y US 9449476 B2. En los procedimientos conocidos, se usan actuadores que estampan las ondas de flexión en, por ejemplo, una placa, como la placa de cubierta de una pantalla táctil. Como actuadores se usan, entre otros, actuadores piezoeléctricos que están diseñados con una o varias capas (los llamados elementos piezoeléctricos multicapa). Los elementos piezocerámicos de este tipo (en lo sucesivo denominados elemento piezoeléctrico) son fundamentalmente conocidos y, para la estampación de ondas de flexión en, por ejemplo, una placa de cubierta, se unen rígidamente a esta, lo que se puede realizar, por ejemplo, mediante adhesión. Como resultado de la expansión de los elementos piezoeléctricos durante el control eléctrico, estos deforman espacialmente la placa de cubierta, de modo que las ondas de flexión se propagan en la placa de cubierta. Mediante la superposición de los actuadores controlados de diferentes maneras y en diferentes momentos (patrón de control), se puede estampar en la placa de cubierta una estructura de superficie espacialmente resuelta que resulta táctilmente detectable y que puede ser diferente o también igual en diferentes puntos.
Los fundamentos teóricos para el control de los actuadores se pueden encontrar en el documento Localized Tactile Feedback on a Transparent Surface through Time-Reversal Wave Focusing de Hudin et al. (doi: 10.1109/TOH.2015.2411267).
Una cierta desventaja de la retroalimentación háptica mediante ondas de flexión es apreciable en la molesta aparición de ruidos. Esto se debe a que las oscilaciones generadas por las ondas de flexión de la placa de cubierta son audibles dentro de un rango de frecuencia de unos pocos Hz hasta aproximadamente 16.000 Hz a 20.000 Hz.
El objeto de la invención es crear una unidad de mando con una superficie de mando sensible al contacto con supresión de ruido en la retroalimentación háptica mediante ondas de flexión.
Por el documento US 2013/127755 A1 se conoce una unidad de mando para un componente de vehículo, en particular una interfaz hombre-máquina para un vehículo según el preámbulo de la reivindicación 1.
Para lograr este objeto, con la invención se propone un dispositivo de mando para un componente de vehículo, en particular una interfaz hombre-máquina (IHM) para vehículos, donde la unidad de mando está provista de las características de la reivindicación 1.
Configuraciones individuales de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.
Por lo tanto, la invención va dirigida a la disposición de los actuadores a lo largo del borde de un soporte de superficie de mando de la unidad de mando (también denominada en lo sucesivo placa de cubierta o vidrio de cubierta). En este punto, cabe destacar que los términos «panel de cubierta» y «vidrio de cubierta» se usan como sinónimos de «superficie de mando» en el contexto de la invención. Según la invención, la separación de los actuadores con respecto al borde de la placa de cubierta y, por lo tanto, al bastidor que enmarca rígidamente la placa de cubierta se
selecciona de tal manera que se suprime en la medida de lo posible la formación de ondas de flexión con frecuencias en el rango de frecuencia audible (por ejemplo, hasta 20.000 Hz) o se amortigua en la medida de lo posible la propagación de tales ondas de flexión. Esto se explica a continuación.
La invención utiliza el concepto de estampación de ondas de flexión en los soportes de tablero de mando, para lo cual todos los actuadores convierten señales adaptadas, calculadas y depositadas de antemano en excitaciones mecánicas espacialmente limitadas, que se superponen constructivamente en un tiempo y en un lugar definidos en forma de ondas de flexión y en otros momentos y en otros lugares están por debajo de un umbral perceptible. A este respecto, las reflexiones en los bordes se aprovechan activamente mediante una sujeción fija de la placa de cubierta en el bastidor. Es posible la superposición de diferentes señales para una interferencia constructiva simultánea en varios puntos. Existen métodos disponibles para abordar la amortiguación de las ondas de flexión debido a la influencia del/de los dedo(s).
Cuando se excitan las ondas de flexión en la placa de cubierta de una pantalla o panel táctil con el fin de proporcionar retroalimentación háptica, por lo general se producen componentes de frecuencia que son fácilmente audibles para el αdo humano. Debido a efectos no lineales en la transición de los actuadores a la placa de cubierta, estas frecuencias se producen incluso con un filtrado específico de las señales de excitación de actuador.
La estampación de una onda de flexión suele realizarse cerca del borde de la placa de cubierta. Si este borde está firmemente sujeto, es decir, no está montado de forma móvil en ninguna de las direcciones espaciales, se puede lograr que ciertas longitudes de onda (y, por lo tanto, ciertas frecuencias) se amortigüen intensamente por la «condición de borde rígido» ajustando la separación del borde o del bastidor de la placa de cubierta con respecto al actuador. En el caso de separaciones muy pequeñas (orden de magnitud milimétrico para los parámetros de material habituales para placas de cubierta), el umbral a partir del cual se amortiguan intensamente las longitudes de onda más largas se encuentra precisamente en el rango audible. Solo las longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, las frecuencias (ultrasónicas) más altas se pueden estampar en la placa de cubierta con una energía significativa. Por lo general, la placa de cubierta se compone de vidrio templado, que es particularmente adecuado para la invención.
La distancia entre un actuador y el borde permite controlar, en función de los parámetros de material y geometría, qué frecuencias no se pueden estampar o solo se pueden estampar amortiguadas en el vidrio de la cubierta en forma de ondas de flexión. Especialmente el requisito de la industria del automóvil para un vidrio de cubierta irrompible y, por lo tanto, relativamente grueso se puede cumplir mediante un diseño especial y de alto rendimiento de los actuadores y la electrónica.
A continuación, se indica la relación entre los parámetros de material y geometría y la frecuencia mínima estampable sin amortiguación de forma aproximada. Supongamos que el vidrio de cubierta tiene el espesor d, el módulo de elasticidad Y, la densidad q y la relación de Poisson v. La relación entre la longitud de onda X y la frecuencia f viene dada entonces por (cf. K.F. Graff, Wave Motion in Elastic Solids, Courier Dover Publications, 1975):
Suponiendo que, debido a la rigidez del bastidor, solo puedan propagarse ondas con casi sin obstáculos, se obtiene la siguiente estimación aproximada de la frecuencia más pequeña que puede introducirse en forma de ondas de flexión en el vidrio de cubierta sin que se produzcan interferencias:
Frecuencias aún más pequeñas corresponden a longitudes de onda superiores a cuatro veces la separación a y, por lo tanto, amortiguadas mecánicamente por la proximidad al borde. Hay que tener en cuenta que esta amortiguación puede ser bastante débil en la zona límite, ya que en casos extremos el bastidor solo comprende la separación respecto del actuador en un punto. Sin embargo, para frecuencias pequeñas, es decir, longitudes de onda más
grandes, una sección más grande del bastidor participa en la amortiguación, de modo que esta se vuelve cada vez más intensa.
Por lo tanto, la separación a se puede ajustar de modo que se amortigüe una parte del espectro audible.
La disposición se puede entender como un filtro mecánico en el que la respuesta de frecuencia puede ajustarse mediante la separación entre el actuador y el borde (rígido). Desde un punto de vista práctico, la forma más sencilla de filtrar la señal de accionamiento del actuador mediante paso alto eléctrico no es viable, ya que la transición del actuador (eléctrico) al vidrio de cubierta (mecánico) generalmente comprende una característica no lineal y, por lo tanto, se siguen produciendo ondas mecánicas en el espectro audible.
La separación descrita anteriormente, que según con la invención se selecciona para suprimir la formación y/o propagación de ondas de flexión con frecuencias en el rango audible, es por lo tanto la distancia del bastidor a la superficie de contacto respectiva, en la que el actuador está conectado con la placa de cubierta de la forma más rígida posible, debiendo considerarse esta distancia en una dirección que se extiende ortogonalmente al bastidor. En particular, la separación es la distancia del bastidor al centro geométrico de la superficie de contacto, que es convenientemente una superficie circular; en consecuencia, los elementos piezoeléctricos también están diseñados como elementos de disco circulares, a saber, de una sola capa o de varias capas.
Las investigaciones han demostrado que el rango de frecuencias de las ondas de flexión que se deben amortiguar puede ajustarse y mantenerse con mayor precisión asignando una cámara a cada actuador y, con ello, a cada superficie de contacto a lo largo del borde de la placa de cubierta, en la que se coloca el actuador o la superficie de contacto. Por consiguiente, según la invención, desde el bastidor de la carcasa se extienden brazos orientados hacia la zona central de la placa de cubierta y adheridos a la placa de cubierta de tal forma que resisten al cizallamiento. Los brazos que se proyectan esencialmente en ángulo recto desde el bastidor forman cámaras individuales a lo largo del bastidor con caras internas orientadas hacia la zona central de la placa de cubierta en las que cada cámara comprende una abertura. Los brazos, es decir, las paredes laterales de la cámara también amortiguan o evitan la formación y la propagación de ondas de flexión con frecuencias no deseadas. También en este caso, la separación de la superficie de contacto con respecto a las paredes de la cámara se selecciona como se ha descrito anteriormente. En el caso de una superficie de contacto circular, la cámara es entonces ventajosamente también circular en vista en planta, discurriendo su pared de cámara concéntricamente con respecto a la superficie de contacto.
Los brazos están convenientemente provistos de secciones de base en sus extremos orientados hacia el bastidor, mediante las cuales están conectados entre sí. De este modo, los brazos y las cámaras pueden estar configurados como un elemento de estructura de cresta, que se puede insertar en el bastidor y conectarse lo más rígidamente posible a la placa de cubierta. Las aberturas de cámara se extienden ventajosamente sobre 60° a 120° y preferentemente sobre 90° del perímetro de la cámara respectiva y están dispuestas simétricamente con respecto a un eje central o de simetría de la cámara que discurre ortogonalmente al bastidor. Las propias cámaras también son convenientemente simétricas a este eje.
Por lo tanto, debido a la «enmarcación» de los actuadores individuales propuesto según la invención, las ondas de flexión en el rango de frecuencia audible no viajan o, en el mejor de los casos, viajan amortiguadas más allá de los bordes de las cámaras. La distancia seleccionada entre el actuador y el borde de la cámara define el rango de frecuencia amortiguado, de modo que seleccionando el diámetro de las cámaras (en el caso de cámaras redondas) se puede ajustar a partir de qué frecuencia pueden propagarse las ondas de flexión (sin obstáculos) en el vidrio de cubierta. En general, se puede decir que, con un diámetro más grande, la frecuencia más pequeña que se puede estampar disminuye, es decir, la longitud de onda más grande que se puede estampar aumenta. No se puede especificar una relación de fórmula exacta, pero se puede estimar a través de simulaciones de elementos finitos. En otra configuración conveniente de la invención puede estar previsto que la placa de cubierta esté adherida al bastidor, apoyándose la zona de borde de la placa de cubierta sobre una superficie de apoyo del bastidor y estando allí adherida de forma plana a la placa de cubierta. Como resultado, el bastidor enmarca rígidamente la placa de cubierta. De forma alternativa o adicional, el bastidor también puede enmarcar ceñidamente el borde de la placa de cubierta.
Otra configuración ventajosa de la invención se refiere a la conexión «flexible» del vidrio de cubierta a la pantalla de la pantalla táctil o de un panel táctil. Según un perfeccionamiento conveniente de la invención, se propone conectar el vidrio de cubierta de forma plana a la cara frontal de la pantalla mediante una conexión adhesiva elástica y flexible. Los requisitos para la conexión adhesiva son una transparencia lo más cercana posible al 100 %, que no ejerza ninguna o casi ninguna influencia perceptible en la reproducción del color, y un módulo de elasticidad bajo. Como materiales para la conexión adhesiva son adecuados los materiales que se utilizan, por ejemplo, para la unión óptica,
por lo que estos materiales deben ser flexibles, elásticos, suavemente estirables y/o deben ejercer un efecto de amortiguación mecánica nulo o débil y/o pueden ser, por ejemplo, de tipo gel.
Como se desprende de lo anterior, la invención se utiliza ventajosamente en pantallas táctiles. Las pantallas táctiles comprenden un panel táctil que, por regla general, se encuentra directamente debajo del vidrio de cubierta. Los paneles táctiles funcionan principalmente de forma capacitiva; pero también se pueden utilizar paneles táctiles ópticos y resistivos.
La conexión del panel táctil al vidrio de cubierta se puede realizar de la manera habitual. Para garantizar que las ondas de flexión en el vidrio de cubierta sean lo menos amortiguadas posible, no se requiere necesariamente una conexión adhesiva elástica y flexible. Normalmente, el vidrio de cubierta se acopla de forma plana a la cara frontal de la pantalla por medio del panel táctil. El panel táctil en sí es tan flexible y delgado que permite la propagación de ondas de flexión en el vidrio de cubierta sin que el panel táctil las amortigüe en exceso. Debe evitarse una conexión rígida del vidrio de cubierta con la cara frontal de la pantalla (incluso si se coloca un panel táctil entre ambos) debido a la excesiva amortiguación de las ondas de flexión por la pantalla rígida, que puede evitarse, por ejemplo, mediante un intersticio de aire como el descrito anteriormente o mediante un acoplamiento flexible.
El enfoque según la invención para la retroalimentación háptica en componentes de mando de visualización se basa, como se ha descrito anteriormente, en ondas de flexión en el vidrio de cubierta, que proporcionan retroalimentación háptica pero no mueven la superficie traslacionalmente. Sin embargo, cuanto más rígida sea la masa de unión, es decir, cuanto mayor sea su módulo de elasticidad, más intensamente se amortiguan las ondas de flexión y, por lo tanto, se impide la puesta en práctica de este enfoque. Además, la masa que se debe mover de forma efectiva también se incrementa drásticamente.
El perfeccionamiento de la invención aquí descrita se refiere, por tanto, a la utilización de una masa de unión elástica específicamente para la amortiguación más débil posible de las ondas de flexión en el vidrio de cubierta, de modo que la calidad óptica del sistema de pantalla sigue estando garantizada y la propagación de las ondas de flexión se hace posible a efectos prácticos.
Según el estado actual de la técnica para ondas de flexión, el vidrio de cubierta se posiciona en solitario y, por lo tanto, directamente delante de la pantalla por medio de un intersticio de aire, de tal modo que el vidrio de cubierta pueda oscilar «libremente». De este modo pueden acceder al intersticio de aire, por ejemplo, la suciedad y la humedad. Además, el intersticio de aire puede influir negativamente en las propiedades ópticas debido a la reflexión de la luz en las superficies límite y la formación asociada de imágenes «duplicadas», lo que, sin embargo, se puede evitar/reducir mediante láminas adecuadas integradas en la estructura de la pantalla.
Por un lado, se puede eludir la desventaja óptica del intersticio de aire mediante una masa de unión elástica. Por otro lado, esto permite la propagación en gran parte sin amortiguación de las ondas de flexión.
Además del uso de ondas de flexión para generar retroalimentación háptica, la combinación de ondas de flexión con masa de unión flexible también es adecuada para el reconocimiento táctil y la medición de la fuerza (force sense), para lo cual cabe señalar que la previsión de una separación mecánica del vidrio de cubierta respecto del panel táctil o la pantalla, es decir, del componente situado debajo del vidrio de cubierta, garantiza definitivamente un mejor rendimiento de propagación de las ondas de flexión.
Además, la invención se puede combinar ventajosamente mediante ultrasonidos en combinación con la detección del lugar de contacto sobre la superficie de mando sensible al contacto. Estos conceptos de detección de contacto son fundamentalmente conocidos y se describen, por ejemplo, en los documentos US 9449476 B2 y US 9477350 B2. En la detección de contacto espacialmente resuelta mediante ultrasonidos, las ondas de flexión ultrasónicas se estampan en la placa de cubierta, es decir, en la superficie de mando sensible al contacto, por ejemplo, mediante emisores de ultrasonidos piezoeléctricos, detectándose la propagación de las ondas de flexión particularmente por medio de receptores de ultrasonidos piezoeléctricos. En el momento en que se contacta con la superficie de mando sensible al contacto por medio de un objeto, por ejemplo, un dedo, la propagación de las ondas de flexión de detección por ultrasonidos se amortigua. El uso de múltiples emisores y receptores de ultrasonidos puede entonces utilizarse para inferir el lugar de contacto a partir de las señales recibidas y la posición de los emisores y receptores.
También en este concepto puede ser ventajoso suprimir ciertas frecuencias de las ondas de flexión de detección, como se describe anteriormente. Puede preverse ventajosamente que algunos de los actuadores para la estampación háptica de ondas de flexión se utilicen previamente para la estampación y recepción de ondas de flexión de detección. Dado que, según la invención, los actuadores están ventajosamente dispuestos uno junto al otro a lo largo de todo el borde de la placa de cubierta, los actuadores también están situados en aquellos puntos que son adecuados para
emitir y recibir ondas de flexión de detección para determinar el lugar de contacto en la superficie de funcionamiento. Así, algunos de los actuadores previstos según la invención a lo largo del borde de la placa de cubierta se pueden utilizar varias veces. Según la invención, el control y la evaluación de los actuadores o el sistema de sensores táctiles se llevan a cabo con ayuda de una unidad de evaluación y control, como ya se ha especificado anteriormente en relación con la unidad de mando según la invención.
La unidad de evaluación y control también se puede utilizar, por ejemplo, para determinar las señales para el control de los actuadores con el fin de obtener una retroalimentación háptica mediante las ondas de flexión. A continuación, se muestra un ejemplo de un procedimiento con el que se pueden determinar de antemano estas señales:
- Alinear el vibrómetro láser con el lugar donde se debe generar la retroalimentación;
- Excitar un único elemento piezoeléctrico con una o varias señales de ruido;
- Determinar la función de transferencia entre la señal de excitación del elemento piezoeléctrico respectivo y la deflexión en el lugar seleccionado a partir de la deflexión medida con el vibrómetro láser;
- Para ello, transformada de Fourier de la señal de excitación y medición en el rango de frecuencia y división de ambos espectros;
- Posteriormente, retransformación de la función de transferencia en el dominio del tiempo (proporciona respuesta de impulso);
- Recortar los primeros, en particular 2, ms de la respuesta de impulso e invertir el eje temporal;
- Mediante la función signo, restringir la señal determinada a dos niveles de discretos de tensión;
- Repetir los puntos anteriores primero para todos los demás elementos piezoeléctricos;
- Repetir todo el proceso descrito anteriormente para el número deseado de lugares en el vidrio de cubierta.
Las señales (tanto el ruido blanco para la calibración como las señales de excitación detectadas) se almacenan y se reproducen según sea necesario (por ejemplo, dedo detectado por lámina táctil o en repetición periódica).
Para transformar los niveles de tensión a la salida de un microcontrolador a los niveles de tensión ± VPiezo pueden utilizarse circuitos amplificadores electrónicos conocidos en sí mismos.
A continuación, se describe con más detalle una realización ejemplar de la invención mediante los dibujos. En detalle muestran a este respecto:
Fig. 1 una vista en planta en perspectiva de una unidad de mando con una superficie de mando sensible al contacto, Fig. 2 una vista inferior de la unidad de mando, concretamente de su superficie de mando sensible al contacto desde abajo,
Fig. 3 una representación en perspectiva (esquemática) para la aclaración de una estructura superficial de la superficie de mando espacialmente resuelta y táctilmente detectable como resultado de la estampación de ondas de flexión y su superposición,
Fig. 4 una representación en perspectiva desde abajo similar a la vista inferior según la fig. 2,
Fig. 5 una vista en sección a lo largo de la línea V-V de la Fig. 4,
Fig. 6 a 11 curvas de simulación para ilustrar la influencia de las diversas medidas previstas según la invención para la cancelación de ruido en la retroalimentación háptica de las superficies de mando sensibles al contacto mediante ondas de flexión,
Fig. 12 una representación esquemática de una pantalla táctil con un vidrio de cubierta dispuesto con separación respecto del panel táctil y
Fig. 13 una representación esquemática similar a la de la figura 12, pero con un intersticio de aire llenado por una masa de unión óptica entre el vidrio de cubierta excitado por medio de ondas de flexión y el panel táctil de la pantalla táctil.
En las fig. 1 a 5 se muestran diferentes vistas de una unidad de mando 10 con una superficie de mando 12 sensible al contacto. La unidad de mando 10 comprende una carcasa 14 con un bastidor 16 de, por ejemplo, metal. El bastidor 16 sujeta en su contorno una placa de cubierta 18 de, por ejemplo, vidrio templado, que se adhiere al bastidor 16, por ejemplo, por medio de una capa adhesiva 20 y, por lo tanto, se une rígidamente (véanse también las figs. 4 y 5). Como se puede reconocer mediante las figs. 1 y 2, se encuentra a lo largo del borde 22 de la placa de cubierta 18 y, por lo tanto, también a lo largo del bastidor 16, una pluralidad de actuadores 24 para la introducción de ondas de flexión en la placa de cubierta 18. Cada uno de estos actuadores 24 está configurado, como se puede reconocer mediante las figs. 4 y 5, en forma de disco circular. Cada actuador 24 comprende un elemento piezoeléctrico 26 circular de una o varias capas, que está provisto de electrodos 28,30 en ambos lados y, en el caso de elementos
piezoeléctricos de varias capas, también de electrodos entre las distintas capas de material piezocerámico. Esta estructura de sándwich está fijada de forma comparativamente rígida a la cara inferior 36 de la placa de cubierta 18 por medio de una conexión adhesiva 32 dentro de una superficie de contacto 34. El contacto de los actuadores 24 no se muestra en las figuras. En la fig. 1 se muestra solo de manera esquemática que la unidad de mando 10 comprende además una unidad de evaluación y control 38, que recibe señales de un sistema de sensores táctiles (indicado por la referencia 40) y emite señales de control a los actuadores 24, lo que está representado gráficamente en la fig. 1 para solo uno de los actuadores 24.
Además, la unidad de mando 10 comprende un elemento de estructura de cresta 42 a modo de bastidor, que está formado preferentemente de metal. Este elemento de estructura de cresta 42 está diseñado como un bastidor circunferencial y comprende una estructura de cresta que está formada por una pluralidad de brazos 44 que se extienden ortogonalmente al bastidor 16 o al borde 22 con secciones de base 46 que las conectan. Mediante esta estructura de cresta se forman cámaras 48 individuales, en las que está dispuesto en cada caso un actuador 24. Las cámaras 48 están abiertas a la zona central 50, extendiéndose estas aberturas 52 sobre aproximadamente 60° a 120°, en particular sobre 90°. En esta realización ejemplar, las cámaras 48 están configuradas de forma redonda y sus paredes de cámara discurren en la cara interna de forma concéntrica con respecto a los actuadores 24. El elemento de estructura de cresta 42 puede estar diseñado como un elemento separado del bastidor 16 o, en cambio, el elemento de estructura de cresta 42 con bastidor 16 se fabrican como una sola pieza común (en ambas variantes, por ejemplo, mediante mecanizado por arranque de viruta o técnica de fundición).
Mediante la selección de la separación a (véanse las figs. 4 y 5) de los actuadores 24 con respecto a sus respectivas paredes de cámara se puede influir en el rango de frecuencia en el que se amortiguan las ondas de flexión introducidas por los actuadores 24 en la placa de cubierta 18. Este rango de frecuencias comprende convenientemente la zona audible, de modo que, mediante esta medida, a saber, la inclusión de los actuadores 24 por las cámaras, no se irradian frecuencias audibles, o bien las frecuencias audibles solo se irradian de forma amortiguada.
En las fig. 1 y 2, además, se muestra mediante la referencia 54 una zona de borde ennegrecida de la placa de cubierta 18, que debería cubrir la disposición de los actuadores 24 a lo largo del borde y el elemento de estructura de cresta 42.
En la figura 3 se indica esquemáticamente cómo mediante el control, posiblemente con desfase de tiempo y realizado con diferentes señales, de la pluralidad de actuadores 24 en la placa de cubierta 18 pueden estamparse ondas de flexión, cuya superposición en un lugar 56 determinado conduce a una «abolladura» perceptible de corta duración, es decir, que existe con carácter impulsivo, lo que a su vez puede detectar táctilmente el usuario, cuyo dedo se apoya (todavía) en la placa de cubierta 18 debido al accionamiento manual en el lugar 56, y precisamente debido al «golpe» de corta duración en la placa de cubierta 18 en el lugar de contacto 56.
La detección del lugar de contacto se puede realizar por medio de ondas de flexión ultrasónicas, que son generadas y detectadas por unos pocos de los actuadores 24 en una primera fase del contacto de la superficie de mando 12, para luego deducir el lugar de contacto sirviéndose de las señales detectadas. La técnica de determinar el lugar de contacto mediante ondas ultrasónicas es fundamentalmente conocida. Alternativamente, el panel táctil se puede utilizar como sistema de sensores táctiles. Normalmente, las pantallas táctiles en las cuales se utiliza ventajosamente la invención funcionan con paneles táctiles capacitivos o resistivos u ópticos, que están dispuestos debajo de la placa de cubierta 18. Esto se muestra en las figs. 12 y 13. También se muestra en estas figuras la pantalla real.
Ya se ha explicado en detalle anteriormente cómo se puede determinar aproximadamente la separación a, para que las ondas de flexión con frecuencias en el espectro audible (por ejemplo, hasta 20.000 Hz), introducidas por los actuadores en la placa de cubierta 18, solo se propaguen de manera amortiguada o no se propaguen en absoluto en la placa de cubierta 18. Las curvas de simulación con diferentes separaciones y las respuestas de frecuencia resultantes se especifican en las figs. 6 y 10. La curva de referencia según la fig. 6 se basa en un actuador con una gran separación respecto del borde (20,0 mm). En todo el rango de frecuencias se acopla aproximadamente la misma cantidad de energía a la placa de cubierta. Las curvas de las figs. 7 a 10 pertenecen a sistemas en los que el actuador está colocado muy cerca del borde, a saber, en la fig. 7 a una distancia de 0,5 mm, en la fig. 8 a una distancia de 1,0 mm, en la fig. 9 a una distancia de 1,5 mm y en la fig. 10 a una distancia de 2,0 mm. Se puede apreciar claramente la amortiguación en el rango audible (hasta 20.000 Hz) y la influencia de la separación en la distribución espectral. Las curvas de simulación descritas anteriormente se crearon sin que se usara adicionalmente también el elemento de estructura de cresta 42 con la estructura de cresta.
Con ayuda de la fig. 11, se muestra que las simulaciones arrojan que usando el elemento de estructura de cresta 42 con la estructura de cresta que forma las cámaras se pueden lograr resultados mucho mejores que sin las cámaras.
La fig. 11 muestra los perfiles de amortiguación para diferentes escenarios. La línea discontinua muestra el perfil de amortiguación en caso de que los actuadores no estén dispuestos con una separación óptima respecto del borde. La línea de puntos muestra el perfil de amortiguación cuando los actuadores están dispuestos con una separación seleccionada específicamente para amortiguar las ondas de flexión con frecuencias en el rango audible. Por último, la línea continua muestra el perfil de amortiguación usando la separación optimizada de los actuadores con respecto al borde y, además, utilizando el elemento de estructura de cresta 42 con estructura de cresta y cámaras individuales. Todas las curvas de perfil de amortiguación son simulaciones que suponen una placa de cubierta 18 de vidrio templado. Según la línea continua, las frecuencias audibles (hasta aproximadamente 20.000 Hz) se amortiguan unos 30 dB más que las frecuencias ultrasónicas. Puede apreciarse que el uso del elemento de estructura de cresta 42 aporta una mejora significativa con respecto al concepto de la selección especial de la separación, en el que ya se muestra una influencia positiva en la amortiguación de las ondas de flexión con frecuencias en el rango audible, pero desafortunadamente estas ondas de flexión aún no se pueden suprimir por completo (véase la línea de puntos en la fig. 11), lo que sin embargo se logra utilizando el elemento de estructura de cresta 42.
Mediante las figs. 12 y 13 se tratará a continuación otra particularidad según una realización ejemplar de la invención. Según la fig. 12, debajo de la placa de cubierta 18 hay un intersticio de aire 58, que permite que la placa de cubierta 18 pueda «oscilar» libremente cuando se estampan ondas de flexión 24 por medio de los actuadores. Una conexión al panel táctil 60 o, si el sistema de sensores táctiles se realizara de forma diferente mediante un panel táctil, la pantalla 62 (en su caso, con unidad de retroiluminación - no representada) sería contraproducente y amortiguaría demasiado la propagación de las ondas de flexión. Sin embargo, el intersticio de aire 58 tiene la desventaja de que allí podrían acumularse impurezas y, en particular, humedad.
A este respecto, es más ventajoso que la placa de cubierta 18 esté conectada mediante unión óptica al panel táctil 60 o, si no está previsto un panel táctil 60 de este tipo, a la pantalla 62. La unión óptica en pantallas es fundamentalmente conocida. Como masa de unión 64 se usa convenientemente un material flexible que no amortigua o no amortigua significativamente las ondas de flexión que se propagan en la placa de cubierta 18.
En las realizaciones ejemplares de las figs. 12 y 13 puede usarse adicionalmente, si se desea, el elemento de estructura de cresta 42 de la realización ejemplar de las figs. 1 a 5.
La conexión elástica descrita anteriormente de la placa de cubierta o, en general, de la superficie de mando a componentes adyacentes de la unidad de mando, que están dispuestos por debajo de la superficie de mando, se refiere a un objeto que se puede transformar en su puesta en práctica sin que para ello se requiera obligatoriamente la estampación de ondas de flexión según la invención aquí descrita.
La invención se ha descrito más arriba con ayuda del ejemplo de la estampación sin ruido de ondas de flexión en la placa de cubierta de una pantalla. Sin embargo, la invención también se puede utilizar en unidades de mando que comprenden respectivamente un panel de mando inmutable con tableros de mando «fijos». En el panel de mando hay, por ejemplo, información gráfica o alfanumérica impresa/grabada o incrustada que define varias funciones accionables de un aparato. En este caso el panel de mando está fabricado, por ejemplo, en un material «duro» opaco, como metal o metal endurecido. Preferentemente, se utiliza metal o material cuyo módulo de elasticidad sea de al menos 40 a 50 GPa. En una unidad de mando de este tipo, el panel de mando y el bastidor, así como el elemento de estructura de cresta, pueden realizarse de una sola pieza, lo que puede llevarse a cabo, por ejemplo, mediante el mecanizado de un material de metal (o también de vidrio templado) o de fundición. Todos los elementos esenciales para la invención, como la superficie de contacto, el bastidor para la reflexión de las ondas de flexión, así como las cámaras piezoeléctricas (es decir, el elemento de estructura de cresta) forman un elemento común. Esto permite eliminar por completo las conexiones adhesivas propensas a errores y difíciles de producir entre la superficie de contacto y el bastidor, incluyendo el elemento de estructura de cresta.
Lista de signos de referencia
10 Unidad de mando
12 Superficie de mando
14 Carcasa
16 Bastidor
18 Placa de cubierta
20 Capa adhesiva
22 Borde
24 Actuador
26 Elemento piezoeléctrico
28 Electrodo del elemento piezoeléctrico
30 Electrodo del elemento piezoeléctrico
32 Conexión adhesiva
34 Superficie de contacto
36 Cara inferior
38 Unidad de control
40 Sistema de sensores táctiles
42 Elemento de estructura de cresta
44 Brazos
46 Secciones de base
48 Cámaras
50 Zona central de la placa de cubierta
52 Apertura en la cámara
54 Zona de borde oscurecida/ennegrecida
56 Lugar de contacto
58 Intersticio de aire entre placa de cubierta y panel táctil
60 Panel táctil
62 Pantalla
64 Masa de unión
Claims (16)
1. Unidad de mando para un componente de vehículo, en particular una interfaz hombre-máquina para un vehículo, con
- una carcasa (14) con un bastidor (16),
- una pantalla (62) dispuesta en y/o sobre la carcasa (14), que comprende una placa de cubierta (18) transparente con un borde (22) enmarcado por el bastidor (16),
- un sistema de sensores táctiles (40) dispuesto en y/o sobre la carcasa (14) y
- varios actuadores (24) dispuestos uno al lado del otro a lo largo del borde (22) de la placa de cubierta (18) para la introducción de ejes de flexión en la placa de cubierta (18),
- donde a cada actuador (24) en la placa de cubierta (18) está asignada una superficie de contacto (34), a través de la cual el actuador (24) actúa sobre el mismo para la introducción de ondas de flexión en la placa de cubierta (18),
- donde las ondas de flexión introducidas por los actuadores (24) en la placa de cubierta (18) se superponen en la placa de cubierta (18) y aportan a la placa de cubierta (18) una estructura de superficie táctilmente detectable y espacialmente resuelta, y,
- una unidad de evaluación y control (38) conectada con el sistema de sensores táctiles (40) y los actuadores (24) para el control del sistema de sensores táctiles (40), para la evaluación de las señales suministradas por el sistema de sensores táctiles (40) y para el control de los actuadores (24) en función de las señales suministradas por el sistema de sensores táctiles (40),
caracterizada porque
- desde el bastidor (16) de la carcasa (14) se extienden hacia el interior brazos (44) adheridos a la placa de cubierta (18), que forman cámaras (48) individuales dispuestas a lo largo del bastidor (16), en las que está dispuesta respectivamente una superficie de contacto (34), donde las cámaras (48) están abiertas en sus caras internas orientadas hacia la zona central (50) de la placa de cubierta (18),
- las superficies de contacto (34) están dispuestas respectivamente con una separación (a) respecto de sus respectivas paredes de cámara y, por lo tanto, la introducción de ondas de flexión en la placa de cubierta (18) y/o la propagación de ondas de flexión en la placa de cubierta (18) están amortiguadas con longitudes de onda o frecuencias resultantes de la magnitud de la separación, y
- la separación está seleccionada para amortiguar las ondas de flexión con frecuencias en el rango de frecuencia audible.
2. Unidad de mando según la reivindicación 1, caracterizada porque la separación es la distancia de las paredes de la cámara con respecto al centro geométrico de la superficie de contacto (34).
3. Unidad de mando según la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque cada superficie de contacto (34) es una superficie circular.
4. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la placa de cubierta (18) comprende un espacio para la pantalla (62).
5. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la placa de cubierta (18) está unida a la pantalla (62) o al sistema de sensores táctiles (40) por medio de una capa de un material adhesivo transparente y elástico.
6. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los brazos (44) están unidos en sus extremos orientados hacia el bastidor (16) por secciones de base (46) y porque los brazos (44) y las secciones de base (46) forman un elemento de estructura de cresta (42) adherido a la placa de cubierta (18).
7. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque los brazos (44) están unidos integralmente al bastidor (16).
8. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque las cámaras (48) comprenden en sus caras internas orientadas hacia la zona central (50) de la placa de cubierta (18) una abertura (52) que se extiende sobre 60° a 120°, en particular sobre 90°, del perímetro de la cámara respectiva.
9. Unidad de mando según la reivindicación 8, caracterizada porque la abertura (52) es simétrica con respecto a un eje de simetría de la cámara que se extiende ortogonalmente al bastidor (16).
10. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque las cámaras
(48) son respectivamente simétricas.
11. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque cada superficie de contacto (34) es una superficie circular y porque los brazos (44) y el bastidor (16) forman por cada superficie de contacto (34) una cámara (48) con una superficie perimetral interna concéntrica con respecto a la superficie de contacto (34) y con una superficie inferior concéntrica con respecto a la superficie de contacto (34).
12. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque los actuadores (24) están configurados como actuadores piezoeléctricos con respectivamente un elemento piezoeléctrico (26) en particular redondo, en forma de disco, de una o varias capas, que está adherido en la respectiva superficie de contacto (34) a la placa de cubierta (18).
13. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque el sistema de sensores táctiles (40) comprende emisores y receptores de ultrasonidos rígidamente unidos, en particular adheridos, a la placa de cubierta (18) para la estampación de ondas de flexión ultrasónicas en la placa de cubierta (18) para la detección espacialmente resuelta del lugar (56) de un contacto con la placa de cubierta (18) por un objeto, particularmente el dedo de una persona.
14. Unidad de mando según la reivindicación 13, caracterizada porque los transmisores y receptores de ultrasonidos están realizados respectivamente como elementos piezoeléctricos (26) de una o varias capas.
15. Unidad de mando según la reivindicación 13 o 14, caracterizada porque las funciones de los emisores y receptores de ultrasonidos pueden realizarlas algunos de los actuadores (24), concretamente en una primera fase de un contacto de la placa de cubierta (18), estando previstos los primeros actuadores (24) en cuestión en una segunda fase del contacto para la estampación de ondas de flexión en la placa de cubierta (18) para la retroalimentación táctil del contacto en el lugar de contacto (56) detectado previamente en cada caso.
16. Unidad de mando según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizada porque el sistema de sensores táctiles (40) comprende un panel táctil (60) dispuesto entre la placa de cubierta (18) y la pantalla (62) para la detección espacialmente resuelta del lugar (56) de un contacto con la placa de cubierta (18) por un objeto, particularmente el dedo de una persona.
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