JP2019511082A

JP2019511082A - 車両用操作ユニット

Info

Publication number: JP2019511082A
Application number: JP2018539342A
Authority: JP
Inventors: フォクト，フランク; ベシュニット，アレクサンダー; カルリチェク，マルクス; トロイグート，ウド
Original assignee: ベーア−ヘラーサーモコントロールゲーエムベーハー
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: KR102642498B1; CN108602435B; EP3408126A1; DE102016101556B3; JP6823069B2; US10514764B2; CN108602435A; US20190033973A1; KR20180104112A; ES2775450T3; WO2017129557A1; EP3408126B1

Abstract

本発明は、前面を有する筐体（２６）と、筐体（２６）の前面に配置される操作要素であって、質量中心（４０）及び操作面（１４）を有する操作要素（１２）とを備える車両用操作ユニット（１０）に関する。操作要素（１２）は、操作面（１４）に対して実質的に直交する方向に延びる垂直移動軸（１８）及び垂直移動軸（１８）に対して実質的に横方向に延びる横方向移動軸（２０）に沿って、筐体（２６）の上及び／又は内部にばね弾性的に取り付けられる。また、本発明は、操作要素（１２）の垂直移動軸（１８）方向における作動の動きを検知するための１以上のセンサ（２８）に関する。操作ユニットは、操作要素（１２）の作動の動きが検出された場合に操作要素（１２）が少なくとも横方向移動軸（２０）上においてもフィードバック動作を行うことを可能にするため筐体（２６）の内部及び／又は上に配置されるアクチュエータ（３２）と、操作要素（１２）をばね弾性的に取り付けるためのばね枠（７０）とを備える。ばね枠（７０）は横方向移動軸（２０）に対して横方向に延在する２つの短手方向枠部分（７４）を有し、各短手方向枠部分（７４）には１以上の板ばねアーム（７６）が組み込まれている。各板ばねアーム（７６）はばね枠（７０）に結合される第１端（７８）と第２自由端（８０）とを有する。各板ばねアーム（７６）は垂直平面に延在し、横方向移動軸（２０）は当該垂直平面に対して横方向に延びる。各板ばねアーム（７６）も垂直平面においてばね弾性的である。操作要素（１２）はばね枠（７０）の板ばねアーム（７６）の外側においてばね枠（７０）に固定され、ばね枠（７０）の板ばねアーム（７６）が有する第２自由端（８０）は筐体（２６）に固定される。【選択図】図２

Description

本発明は車両用操作ユニットに関し、当該車両用操作ユニットは例えば種々の車載機器を制御するための娯楽情報システムである。

車載機器に関する機能を選択する様々な記号フィールドを例えばメニュー制御で表示するよう適合されたディスプレイ型操作要素を備える操作ユニットの人気が高まりつつある。このような操作ユニットを操作すると、例えば操作ユニットが作動後にさらに能動的に動くので、機能選択がなされたことを手ごたえで確認することができる。作動に伴い、操作ユニットは「かろうじて感じ取れるくらいの」動きをする。操作要素の操作面全体で見たときに、この触覚フィードバックはできるだけ均質でなければならない。これは「力覚／力フィードバック」としても知られている概念である。操作ユニットの構成として弾性支持体が必要であり、場合によっては異なる２つの軸に沿って操作要素を支持するよう構成される。特に、操作要素の大きさやその部品の数等により、操作要素の適正重量が比較的大きくなる場合、弾性支持体は非常に複雑なものになる。ばね弾性的支持体は、走行中の車両の動きによって操作要素が振動することがないように、十分な剛性を備えている必要がある。一方、操作要素が機械的に励振されるのに必要なエネルギーが大きくなり過ぎないよう、触覚フィードバック用の弾性支持体は十分な柔軟性を備えていなければならない。

キー領域に触れるとそこが水平方向に励振されることで触覚フィードバックが得られる操作ユニットは、独国特許出願公開第１０２００９００７２４３号から周知である。

また、操作面を有する操作要素として使用可能なタッチスクリーンが前面に備え付けられた筐体を有する自動車用操作機器が、欧州特許出願公開第３０４３２４０（対応独国特許出願公開第１０２０１５２０００３７号）から周知である。タッチスクリーンは垂直方向及び水平方向に弾力的に移動可能である。人の動作に応じて、操作要素が水平方向の作動フィードバック動作を行うようになっており、操作要素の電気機械的構成には、タッチスクリーンに連結され、電磁的に制御されうる駆動要素が含まれる。触覚制御機器はセンサ要素を含む評価／制御ユニットを構成しており、タッチスクリーンの操作面が垂直方向に振れると、センサ要素が信号を発する。タッチスクリーンを水平方向に支持する弾性支持体には板ばねが利用されている。

独国特許出願公開第１０２００９００７２４３号欧州特許出願公開第３０４３２４０（対応独国特許出願公開第１０２０１５２０００３７号）

本発明の目的は操作面を有する１以上の操作要素を備える車両用操作ユニットを提供することであり、当該操作要素は、技術的に好適な構成で且つ設置しやすい弾性支持体を備えるものとする。

上記目的を達成するために、本発明は車両用操作ユニットを提供する。操作ユニットは、前面を有する筐体と、筐体の前面に配置され、操作面を有する操作要素であって、操作面と実質的に直交する方向に延びる垂直移動軸及び垂直移動軸に対して実質的に横方向に延びる横方向移動軸に沿って、筐体の上及び／又は内部にばね弾性的に取り付けられる操作要素と、操作要素の垂直移動軸方向における作動の動きを検知するための１以上のセンサと、操作要素の作動の動きが検出された場合に操作要素が少なくとも横方向移動軸上においてもフィードバック動作を行うことを可能にするため、筐体の内部及び／又は上に配置されるアクチュエータであって、操作要素に機械的に連結されるとともに前方及び／又は後方に移動可能であり電磁的に制御されうる駆動要素を備えるアクチュエータと、センサとアクチュエータとに接続される評価／制御ユニットと、操作要素をばね弾性的に支持するためのばね枠とを備える。ばね枠は横方向移動軸に対して横方向に延びる２つの短手方向枠部分を有し、各短手方向枠部分には１以上の板ばねアームが設けられる。各板ばねアームはばね枠に結合される第１端と第２自由端とを有する。各板ばねアームは垂直平面に延在し、横方向移動軸は当該垂直平面に対して横方向に延びている。各板ばねアームも垂直平面においてばね弾性的である。操作要素はばね枠の板ばねアームの外側においてばね枠に固定され、ばね枠の板ばねアームが有する第２自由端は筐体に固定される。

本発明によれば、操作要素が水平方向に振れることで、操作要素の作動の能動的触覚フィードバックが生じる。作動の際、操作要素は操作面と実質的に直交する方向に延びる垂直移動軸に沿って移動する。この作動の動きがセンサで検知されると、操作要素が自ずと水平方向移動成分すなわち大まかに言えば垂直移動軸に対して横方向の（右、左、右上、右下、左上、左下等）の移動成分を含む動きをする。ただし、力フィードバック動作は水平方向にのみ生じる場合もある。このような目的から本発明では、構成要素として、筐体上で操作要素をばね弾性的に支持するためのばね枠を設けることとした。ばね枠によって操作要素は垂直方向及び水平方向のいずれにおいても弾性的に結合される。このため本発明では、ばね枠は横方向移動軸に対して横方向に延在する２つの短手方向枠部分を有するものとした。各短手方向枠部分には、ばね枠に結合される第１端と第２自由端とを有する板ばねアームが設けられている。各板ばねアームは、横方向移動軸が横方向に交差する垂直平面に延在する。垂直平面内すなわち垂直移動軸方向と横方向移動軸方向とのいずれにおいても、各板ばねアームはばね弾性的である。通常、触覚フィードバックを行うために操作要素が励振されると、操作要素は主に水平に移動するとともに、操作面に対して直角方向の付随的な動きが生じる。励振がどの角度で発生するかによって、直角方向の移動成分の量が変わりうる。よって、純粋な水平移動が起こるわけではない。

各板ばねアームはばね枠の各短手方向枠部分の一部として構成され、ばね枠と一体化するように結合される第１端以外が切り離されているのが好適である。各ばね枠は、垂直移動軸が伸びる方向の剛性がそれを横切る方向すなわち横方向移動軸が伸びる方向の剛性より高くなるように片側が絞められた屈曲バーのように構成されている。また、特に操作要素を操作したときの感触についての必要条件によっては、両方向の剛性を同一とする場合もある。垂直移動方向において操作要素が強固に結合されていれば、操作要素が作動の際に押下げられていることにユーザはほとんど気づかないので、感触的には好都合である。触覚フィードバックは、ばねだけでなく、物体の動きに対するシステム応答すなわち操作面上の作動箇所の継時的な動きや進路にも左右される。さらに、システム応答はシステムに印加されるエネルギーとエネルギー印加を起こす信号形式（制御）とに左右される。また、システムの剛性が高まることも影響する。よって、例えば、ばね及び物体とは無関係にあらかじめシステム応答の公称曲線を規定しておいてもよい。

大きな物体の場合に「緩やか」に結合されているとすると、ごくわずかなエネルギーを加えればその物体を動かすことができるが、その大きな物体をもとの位置に戻すにはより大きなエネルギーが必要になる。（さらに振れ又は震えといった問題も生じる。）「硬い」ばねとその結合を考えた場合、物体を励振するには大きなエネルギーを加えなければならないが、その物体をもとの位置に「戻す」にはごくわずかなエネルギーですむことになる。強いスプリング力がこの戻りの動きを助けるので、振れの問題も軽減できる。一般的に、硬さと柔らかさを併せ持つばねを備える機構は、制御次第で触覚の点においてこれとほぼ同様の動きをする。

本発明によれば、操作要素を支持し、異なる方向に作用する２つの弾性支持体は、１つの部品すなわち好ましくは金属性であるばね枠として構成される。このことは製造コスト及び組み立ての面で好都合である。ばねアームに金属を用いる別の理由は剛性にある。アクチュエータは枠に作用を及ぼすことができる。枠が柔らかいほど、作動箇所において相対的な屈曲はより大きくなり、移動距離は短くなる。また、剛性の高いばね枠材料は公差を維持するのに好都合である。

本発明の有利な一態様において、２以上の板ばねウェブが形成されるよう、各板ばねアームは全ての辺が連続的に囲われた１以上の切り欠きを有する。つまり、各板ばねアームは平行四辺形状に構成され、当該平行四辺形の角には接続部が設けられておらず、その代わり各板ばねアームの両端には２つの板ばねウェブが強固に連結している。このような構成とすることで、作動時の直角方向の均質性が明らかに向上するという平行運動上のメリットが必然的に生じる。このメリットが特に顕著なのは、操作面がその角領域で作用を受ける点である。この運動により、作動した操作要素の傾斜が抑えられることになる。従って、とりわけ操作要素を取り囲んで強固に固定されている部品に向かって延びる間隙が視覚的に妨げられることがほとんどないため、当該装置の触感及び視覚的価値についてプラスの効果が生じる。

構成を簡略化した一実施形態によれば、ばね枠は矩形であり、操作要素の横方向移動軸に対して平行に延在する２つの長手方向枠部分と横方向移動軸に対して横方向に延在する２つの短手方向枠部分とを有し、各短手方向枠部分の上及び／又は内部には１以上の板ばねアームが形成されている。また、非矩形のばね枠を力フィードバック機能付きフリーフォームディスプレイに用いることもでき、この場合、周囲を囲う非矩形のばね枠が設けられる。操作面をなすカバーガラスの外形は任意である（複数方向に湾曲及び屈曲していてもよい）。このような場合、単に矩形のばね枠にはならない。

１以上の操作要素が水平方向に移動可能となるには、筐体と、筐体が固定される隣の構造とに対して操作要素は遊隙を有する必要がある。よって、水平移動方向において、操作要素の側面に間隙が設けられる。このような間隙を操作要素のその他の辺縁上にも設けるのもよい。また、例えば筐体が固定される構造の表面と操作要素とが面一になるように気を付けなければならない。

ここで、ばね枠を筐体取り付ける際及び操作要素をばね枠に取り付ける際に、取り付け公差が補償できれば好都合である。このため、各板ばねアームの自由端及び／又は筐体は受側開口部は各板ばねアームを筐体に固定するための締付け具が貫通する１以上の受側開口部を有し、取り付け公差を補償するため、締付け具が遊隙をもって受側開口部を貫通する。板ばねアームを筐体と操作要素とに取り付けるための締付け具はねじ又はボルトであるとよく、この締付け具は各板ばねアームの自由端に設けられた受側開口部に遊隙をもって嵌められる。この遊隙を利用して調整すれば、ばね枠が筐体と操作要素とに強固に結合される。このようにして、ばね枠の長手方向枠部分を水平方向に調整するとともに、操作要素の高さを調整することができる。ばね枠の短手方向枠部分において、とりわけ板ばねアームがあるおかげで、筐体に対して操作要素が自ずと水平方向に中心合わせされる。その結果、特に、取り付け作業中及びばね枠を筐体と操作要素とに固定する前において、操作要素の周りの間隙の大きさを正確且つ均一にすることができる。ここで、２つの板ばねアームが互いに反対向きになるように配置されるとよい。つまり、２つの板ばねアームの第１端同士及び第２端同士が、水平移動方向に延在する操作要素の長手方向中心軸を挟んで互いに反対側に位置するとよい。このように配置すれば、操作要素が水平方向に自ずと位置調整されるという点でさらに好都合である。

本発明のさらに別の態様によれば本発明の目的は、操作面のどの場所に触れて作動させてもほぼ均一な触覚フィードバックが得られるように、触覚フィードバックを行うための能動的な触覚反応を操作要素に起こさせるようにすることである。

この目的のため、本発明の一態様によれば、操作要素の質量中心はアクチュエータの駆動要素の有効移動軸上にあるものとする。また、有効軸は質量中心の近くを通るものとする。

上述の通り、操作要素が水平方向移動成分を含む振れを生じることで、操作要素の作動に対して能動的触覚フィードバックが起こる。

このため、操作要素が水平方向に振れたときに傾斜することがないよう気を付けなければならない。ただし、アクチュエータが操作要素の質量中心で操作要素に接続されていなければ、つまり通常の構成であれば、操作要素の傾斜は避けられるので特別な手当ては必要ない。実質的に操作要素はそれに応じたノウハウ及び技術を備えたディスプレイ（液晶ディスプレイ等）であり、背面照明を備えるため、少なからざる構造深さがある。理想的にはアクチュエータは操作要素の直下にしか配置できないので、能動的触覚フィードバックを行うための駆動要素は操作要素の質量中心から外れた位置で水平移動方向に操作要素と係合する。そのため、十分な手当てをしておかないと、アクチュエータの力とジオメトリックレバーとによって生じた質量中心に対するモーメントに影響されるため、操作要素に不要な傾斜を生じる。傾斜してしまうと、操作面のどの箇所を操作するかによって操作要素から伝わる感触が異なってしまう。周知の解決策によれば、操作ユニットの筐体上で操作要素を支えるばね機構の構成によって強制誘導するか、人の操作によって作動した操作要素の箇所にあわせてアクチュエータをパラメタ化制御する。機械的そして制御技術の見地からすると、これらの手法は複雑過ぎる。

このため、本発明の変形例によれば、駆動要素の有効移動軸が操作要素の質量中心と交差するような向きでアクチュエータを機械的に配置する。従って、操作要素の質量中心は駆動要素の有効移動軸の延長上に位置する。このような構成において、操作要素の有効移動軸は能動的触覚フィードバックが行われるべき水平移動方向と鋭角をなすことになる。操作要素は操作要素の有効移動軸上を移動するので、操作要素のフィードバック動作は所定の水平方向移動成分とは別に垂直移動成分も含むが、これが悪影響を及ぼすことはほとんどない。むしろ、能動的触覚フィードバック時に、操作要素の操作面が空間での向きを維持する、すなわち斜めに平行移動することが重要である。

駆動要素の有効方向が操作要素の質量中心を通るため、上記の方法により能動的触覚フィードバックを純粋に並進的な形で行うことができる。

能動的触覚フィードバック後に操作要素を元の位置に戻すことを可能にする板ばねアーム同士が、操作面と平行であり且つ操作要素の質量中心を通る同一平面にあれば、操作要素の能動的触覚フィードバック時に生じる回転動作成分がさらに減少する。そうでない場合は、能動的触覚フィードバックの動作パターンには回転成分が含まれる。

さらに、往路と復路とでの触覚を能動的に制御又はフィードバック制御するとよい。このため、操作要素はできるだけ純粋な並進運動を行うことが重要な点の一つであり、これは本発明の変形例で実現可能である。さらに、このようにすれば操作面上のどの箇所が作動しようと、ほぼ確実にいつでも同じ触感が得られる。よって、操作要素が純粋な並進運動を行えるように操作要素を弾性支持するための構造上の複雑な対策が不要となる。

操作要素の横方向移動軸及びアクチュエータの駆動要素の有効移動軸が、操作面に対し実質的に直交する方向の同一垂直平面に架かるとよい。

本発明のさらに別の態様によれば、操作要素の下において筐体が設置スペースを有し、アクチュエータの駆動要素の有効移動軸と操作要素の横方向移動軸とが成す角度が最小となるように、設置スペースが許す限りできるだけ操作要素の直下に、及び／又は設置スペースが許す限りできるだけ操作要素の質量中心から遠くにアクチュエータが配置されるものとする。アクチュエータの有効移動軸と操作要素の横方向移動軸とがなす角度が小さいほど、フィードバック動作における水平移動の割合に比べて操作要素の水平移動の割合が大きくなる。

本発明のさらに別の態様によれば、操作要素の水平方向の動きを可能にするために設けられた各板ばねアームの有効ばね軸は、横方向移動軸上、又はアクチュエータの駆動要素の有効移動軸と操作要素の横方向移動軸とにまたがる平面と実質的に直交する方向に延びる平面に位置する。

さらに、タイロッドソレノイドであるアクチュエータは第１励磁コイルを備える第１ステータと駆動要素としての電機子とを有し、電機子は第１励磁コイルによって発生した電磁流が電機子を流れると測定電圧が印加される測定用コイルを備え、第１励磁コイルと測定用コイルとが評価／制御ユニットに接続され、アクチュエータの駆動素子が第１ステータに向かって動くのに必要な力及び／又は駆動素子の静止位置からの振れと駆動素子が静止位置に戻る動きを制御又はフィードバック制御するように評価／制御ユニットが適合されるものとする。

本発明の当該態様によれば、操作要素の触覚フィードバックのため、ソレノイドとして構成されるアクチュエータにおいて正確且つ安価な力測定を行うことが可能になる。

ここで、ソレノイドはシングルタイロッドとして構成されてもデュアルタイロッドとして構成されてもよい。

設置スペースとコスト上の理由から、触覚フィードバックを行うためには永久磁石を備えないソレノイド（タイロッド磁石）がアクチュエータとして用いられることが多い。そのため、このようなタイロッド磁石のステータは電磁的に操作される。操作要素の操作面が所望の動きを行うように設定するには、アクチュエータで発生する力の時間発展を正確に設定できるようにしなければならない。さらに、操作要素が前後に移動するのに必要な力をその都度能動的に発生させなければならない。そのためには、２つの電磁ステータがその間に位置するタイロッドを共有するデュアルタイロッド磁石を用いることができる。

磁場がゆっくり変化する場合、ソレノイドの力は実質的に、電機子の電流と、タイロッド及びステータの間の空隙とに左右される。しかし、触覚フィードバックの場合は、力の発生が非常に動的であり、１ｋＨｚ超の周波数成分が含まれる。ここで、磁束導電性のために一般的に用いられる切削鋼又は電機鉄板における電流と力の相関関係は簡単でなく、非常に複雑なモデリングを用いなければ説明がつかない。さらに、機械公差と操作面の動きの影響にされるため、空隙について正確なところはわからず、タイロッド磁石の有効な力は大まかに予測することしかできないという問題もある。

測定用コイルとこのコイルで減少する誘導電圧とを利用してタイロッドを通る磁束を測定するという本明細書に記載の方法を用いると、タイロッドの力と動きを制御又はフィードバック制御することができる。また、タイロッドの動きは目標通りに減衰できるので、タイロッドの前後運動の両端位置においてオーバーシュートが起こるのを防ぐことができる。

上述のとおり、電磁的に操作される２つのステータ間にタイロッドソレノイドを配置しておくことには別の利点もある。よって、本発明の当該実施形態において、タイロッドは第２励磁コイルを備える第２ステータを有し、２つのステータは電機子の両側に配置され、第２励磁コイルは評価／制御ユニットに接続され、電機子が第１ステータと第２ステータのそれぞれに向かって動くのに必要な力及び／又は電機子の静止位置からの振れと電機子が静止位置に戻る動きを評価／制御ユニットを用いて制御又はフィードバック制御することが可能である。

以下、例示的実施形態及び図面を用いて、本発明を更に詳細に説明する。

ディスプレイ要素として構成され、ばね弾性的に支持され、操作要素の作動にかかる能動的触覚フィードバックを行う操作要素を備えた車載機器用操作ユニットの水平方向の模式図。垂直及び水平方向において操作要素と弾性的に連結することができるばね枠によって操作要素が筐体に結合する様子を表す分解組立図。操作ユニットを組み立てる際に間隙が維持される様子を表すための操作ユニットの平面図。図３においてＩＶで示す箇所の拡大図。ばね枠を筐体に固定する際に公差が補償される様子を表すために、図３においてＩＶで示す箇所をさらに拡大した図。ステータ及び電機子を備えるタイロッド磁石として構成されたソレノイドを表し、ソレノイドについて電磁的に関連する特性を概略的に表すための図。能動的触覚フィードバックを行うためデュアルソレノイドとして構成されたアクチュエータの斜視図。図７に示すソレノイドの想定される回路図。

図１は操作要素１２を備える操作ユニット１０を水平視で模式的に表している。本例示的実施形態において操作要素１２は、多数の記号フィールド１６を表示するよう適合された操作面１４を備えるディスプレイアセンブリとして構成される。通常、操作要素１２は背面から照光される。

作動の動きが垂直移動方向（両方向矢印１８参照）に生じ、且つこのような作動の動きを水平方向（図１の両方向矢印２０参照）において確認できるよう、操作要素１２は図１に模式的に示す第１ばね２２及び第２ばね２４を介して筐体２６上で弾性的に支持されている。当該ばねについては後で詳述する。操作要素１２が垂直移動軸１８に沿って動いたことはセンサ２８によって感知することができる。このことは評価／制御ユニット３０で検出される。その際、評価／制御ユニット３０は、ソレノイドとして構成され且つ駆動要素３４を備えるアクチュエータ３２を制御する。アクチュエータ３２の固定ステータ部３６は筐体２６上で支持され、アクチュエータ３２の駆動要素３４は操作要素１２に機械的に連結している（又はその逆である）。駆動要素３４の有効移動軸は両方向矢印３８で示している。

操作要素１２が大型且つ複雑な構成になるほど、重量が増し、より広い設置スペースを占有する。操作面１４全体にわたり触覚フィードバックが均等であることが好ましいとすると、触覚フィードバック時に操作要素１２は並進運動のみを行う必要がある。理論上、アクチュエータ３２の駆動要素３４が操作要素１２の質量中心４０で係合すればこれが最も簡単に実現できる。しかし、限られた設置スペースではこれは不可能である。

それでも触覚フィードバック時に操作要素１２が並進的にのみ動くことを可能にしようとするならば、技術的に比較的簡単な解決策は、操作要素１２の質量中心４０がアクチュエータ３２の駆動要素３４の有効移動軸３８上に位置するようにアクチュエータ３２を配置することである。この様子は図１に示されている。図１は、作動の動きが検出され、触覚フィードバックによって操作要素１２の作動が再確認された際に操作要素１２がどのようにして能動的に動くかを示している。これに関し、各第２ばね要素２４とそれぞれの有効ばね軸４２は、質量中心４０が位置する面でもある平面４４上に位置すると理想的である。

平面４４と実質的に直交する方向に、操作要素１２の横方向移動軸２０及びアクチュエータ３２の駆動要素３４の有効移動軸３８とにまたがる平面が存在する。図１においてこの平面は紙面である。

つまり、能動的触覚フィードバック時に操作要素１２が行う純粋な並進運動には、水平成分と垂直成分とが含まれることになる。フィードバック動作が純粋な水平方向の動きでないとはいえ、操作要素１２の操作面１４全体にわたって同じ触感が得られるようにしたいことに何ら変わりはない。能動的触覚フィードバック時に操作要素１２は回転動作成分の影響を全く受けないことが重要であり、そうすれば操作要素１２は空間において平行にのみ移動することができる。

以下、操作要素１２が操作ユニット１０の筐体２６に弾性的に結合し取り付けられることについて説明する。この点について特筆すべきことは、図１に模式的に示した２種類のばね２２、２４がばね枠７０によって具現化されていることである。ばね枠７０は図２の分解組立図に示している。

ばね枠７０は金属製、特にアルミニウム製であることが好ましく、概矩形である。ばね枠７０は、２つの長手方向枠部分７２とそれに対して横方向に延在する２つの短手方向枠部分７４を備える。長手方向枠部分７２は操作要素１２の横方向移動軸２０に対して水平方向に延在しており、短手方向枠部分７４は横方向移動軸２０に対して横方向に延在している。ばね枠７０の２つの短手方向枠部分７４には板ばねアーム７６が形成されており、板ばねアーム７６はばね枠７０に結合される第１端７８と第２自由端８０とを有する。２つの板ばねアーム７６はそれぞれ垂直移動軸１８に平行な垂直平面に延在している。板ばねアーム７６は短手方向枠部分７４の「切り離し」部分であり、各板ばねアーム７６は全ての辺が連続的に囲われた切り欠き８２を有するため、各板ばねアーム７６は２つの板ばねウェブ８４を有し、それらが端７８、８０において互いに強固に結合している。図２からさらにわかるように、２つの板ばねアーム７６は互いが反対向きになるよう配置されている。

操作要素１２が作動すると、操作要素１２が動くともに、垂直移動軸１８方向に、すなわち板ばねアーム７６による矢印８６方向の屈曲力に逆らうように板ばねアーム７６が振れる。この有効方向（力覚）において板ばねアーム７６が比較的硬い状態となるので、触感の面で好都合である。

操作要素１２が作動して触覚フィードバックが起こると、操作要素１２には横方向移動軸２０方向の機械的な励振（力フィードバック）が生じる。その結果、板ばねアーム７６が矢印９０の方向に弾性的に振れる。この場合、板ばねアーム７６は屈曲バーの役割も果たしており、矢印９０方向の動きは矢印８６方向の動きほど堅くない。つまり、たった１つの要素、すなわちばね枠７０によって操作要素１２が２種類の弾性支持機能を果たすことができるというメリットがある。

結局、この機構の力覚方向と力フィードバック方向の剛性は質量に左右される。通常、力フィードバック方向の剛性を弱める必要はない。力覚上の剛性はセンサの動作範囲からもたらされるものである。よって、例えば、光センサが自らの機能を果たすためには一定のストローク動作範囲が必要となる。力フィードバック上の剛性は主に質量と制御のためのエネルギーに左右されると考えられる。

図３の操作ユニット１０の平面図からわかるように、操作要素１２は操作ユニット１０の周縁領域、例えば計器盤９２に対して、各辺に均一な間隙を有している。図４は、図３の一部を拡大したものである。ばね枠７０は、板ばねアーム７６の第２自由端８０において筐体２６の内側に向かって固定されており、とりわけ第２自由端８０に設けられた間隔保持用突起９４によって一定距離が保たれていることがわかる。概観をわかりやすくするため、図４では操作要素１２を省略している。

図５は板ばねアーム７６が筐体２６に結合されている様子をさらに拡大して示している。板ばねアーム７６の第２自由端８０には、遊隙をもって筐体２６を貫通するリベット９８として１以上の締付け具９６が取り付けられている。筐体２６内には、受側開口部１００が設けられ、そこをリベット９８が貫通する。特にリベット９８を締め付ける前に、ばね枠７０及び／又は筐体２６をずらす（図５の両方向矢印１０２参照）ことで、ばね枠７０の長手方向枠部分７２における間隙の大きさを決めることができ、これに対応する操作要素１２の長手方向辺縁部の間隙の大きさも決まるため、長手方向の両辺において間隙の大きさが同一となる。図５の紙面上垂直方向に上記２つの部品を互いにずらして配置する（点で表した移動方向１０４参照）ことで、操作要素１２の操作面１４が隣り合う計器盤９２の表面領域と面一になるように調整して操作要素１２を取り付けることができる（図１も併せて参照）。筐体２６に固定されたばね枠７０は横方向移動軸２０方向において必然的に中心合わせされるため、操作要素１２の短手方向辺縁の間隙の大きさは自ずと均等になる。

上述のとおり、特に設置スペースと費用上の理由から、操作要素の触覚フィードバックを行うためのアクチュエータにはソレノイドが利用されることが多い。このソレノイドが印加する力は、予測するのがかなり複雑であり、実質的にはソレノイドの電流と空隙に左右される。この点からソレノイドについて妥当である条件を、以下図６を参照しながら説明する。

図６は、ステータ及び電機子が透過性の高い素材（一般に切削鋼又は電機鉄板）からなり、励磁コイルによって磁場が発生するソレノイドを示している。

一般に、このようなソレノイドの力は励磁電流と空隙の大きさとから計算できる。しかし、触覚フィードバックの場合は、力の発生が非常に動的で、周波数成分が１ｋＨｚ超である。ここで、磁束導電性のために一般的に用いられる切削鋼又は電機鉄板における電流と力の相関関係は簡単でなく、非常に複雑なモデリングを用いなければ説明がつかない。これに加え、機械公差と操作面の動きに影響されるため、空隙について正確なところはわからず、アクチュエータの有効な力は大まかに予測することしかできないという事情もある。このような問題を回避するには「マクスウェルの牽引力の法則」と空隙において磁束密度を検出するための測定用コイルとを用いればよい。この場合、通常、電圧の計測は電流の計測より安価に行うことができる。

（Ｆ：アクチュエータの力、μ^０：透気度、Ａ_Ｌ：空隙面、Ｂ_Ｌ：空隙内の磁束密度）

実用に際しては補正係数を使えば空隙磁束密度の不均質性が比較的低くなるので、測定用コイルを用いて簡単に力測定を行うことが可能である。

（ｔ：時間、Ｃ：空隙補正係数、Ｎ_ＭＳ：測定用コイルの巻き数、ｕ（ｔ）：測定用コイルの誘導電圧）

誘導電圧の積分は、システムに通常あらかじめ組み込まれているマイクロコントローラでデジタル的に行うことができる。よって、制御中どの時点の力も把握することが可能である。

図７はアクチュエータ３２の斜視図である。アクチュエータ３２はデュアルソレノイドとして構成されており、その駆動要素３４は第１ステータ４８と第２ステータ５０との間に配置される電機子４６であり、有効移動軸３８上の相対する２方向に力を発生させることができる。

第１ステータ４８及び第２ステータ５０は筐体２６に固定されており、電機子４６は操作要素１２に強固に接続されている。第１ステータ４８は第１励磁コイル５２を有し、第２ステータ５０は第２励磁コイル５４を備える。電機子４６の周囲には測定用コイル５６が配置されている。電機子４６の両側には第１空隙５８及び第２空隙６０がそれぞれ設けられている。電機子４６にかかる力はいずれも１方向に向かうため、励磁コイル５２及び５４は同時にではなく交互に励磁される。電機子４６に測定用コイル５６を配置することにより、有効移動軸３８上の両有効方向において、正確且つ安価な力測定が可能になる。

測定用コイル５６において誘導される電圧の制御及び計測は、例えば評価／制御ユニット３０の一部を構成しうるマイクロコントローラ６２によって行うことができる。マイクロコントローラ６２への接続例は図８に示している。２つの励磁コイル５２及び５４を交互に制御するため、ＰＷＭクロック（通常の周波数＞２０ｋＨｚ）が測定信号から除去されるよう、測定用コイル５６の誘導電圧はまず単純なローパス６４で均等化される。次いで、マイクロコントローラ６２が誘導電圧を検出し、これをデジタル積分する。ローパス６４の制限周波数は、発生する力の最大周波数成分を十分に上回らなければならない。

１０：操作ユニット
１２：操作要素
１４：操作要素の操作面
１６：記号フィールド
１８：操作要素の垂直移動軸
２０：操作要素の横方向移動軸
２２：ばね要素
２４：ばね要素
２６：筐体
２８：センサ
３０：制御ユニット
３２：アクチュエータ
３４：アクチュエータの駆動ユニット
３６：アクチュエータのステータ部
３８：アクチュエータの有効移動軸
４０：操作要素の質量中心
４２：有効ばね軸
４４：平面
４６：電機子
４８：ステータ
５０：ステータ
５２：励磁コイル
５４：励磁コイル
５６：測定用コイル
５８：空隙
６０：空隙
６２：マイクロコントローラ
６４：ローパス
７０：ばね枠
７２：ばね枠の長手方向枠部分
７４：ばね枠の短手方向枠部分
７６：板ばねアーム
７８：板ばねアームの第１端
８０：板ばねアームの第２端
８２：切り欠き
８４：板ばねアームの板ばねウェブ
８６：移動を示す矢印
９０：移動を示す矢印
９２：計器盤
９４：間隔保持用突起
９６：締付け具
９８：リベット
１００：受側開口部
１０２：水平方向の公差補償
１０４：垂直方向の公差補償

Claims

車両用操作ユニット、特には種々の車載機器を制御するための娯楽情報システムであり、
前面を有する筐体（２６）と、
前記筐体（２６）の前面に配置され、操作面（１４）を有する操作要素であって、前記操作面（１４）と実質的に直交する方向に延びる垂直移動軸（１８）及び前記垂直移動軸（１８）に対して実質的に横方向に延びる横方向移動軸（２０）に沿って、前記筐体（２６）の上及び／又は内部にばね弾性的に取り付けられる操作要素（１２）と、
前記操作要素（１２）の前記垂直移動軸（１８）方向における作動の動きを検知するための１以上のセンサ（２８）と、
前記操作要素（１２）の作動の動きが検出された場合に前記操作要素（１２）が少なくとも前記横方向移動軸（２０）上においてもフィードバック動作を行うことを可能にするため、前記筐体（２６）の内部及び／又は上に配置されるアクチュエータであって、前記操作要素（１２）に機械的に連結されるとともに前方及び／又は後方に移動可能であり電磁的に制御されうる駆動要素（３４）を備えるアクチュエータ（３２）と、
前記センサ（２８）と前記アクチュエータ（３２）とに接続される評価／制御ユニット（３０）と、
前記操作要素（１２）をばね弾性的に支持するためのばね枠（７０）と
を備え、
前記ばね枠（７０）は前記横方向移動軸（２０）に対して横方向に延在する２つの短手方向枠部分（７４）を有し、各短手方向枠部分（７４）には１以上の板ばねアーム（７６）が設けられ、
各板ばねアーム（７６）は前記ばね枠（７０）に結合される第１端（７８）と第２自由端（８０）とを有し、
各板ばねアーム（７６）は垂直平面に延在し、前記横方向移動軸（２０）は前記垂直平面に対して横方向に延びており、
各板ばねアーム（７６）も前記垂直平面においてばね弾性的であり、
前記操作要素（１２）は前記ばね枠（７０）の前記板ばねアーム（７６）の外側において前記ばね枠（７０）に固定され、前記ばね枠（７０）の前記板ばねアーム（７６）が有する前記第２自由端（８０）は前記筐体（２６）に固定されることを特徴とする車両用操作ユニット。
２以上の板ばねウェブ（８４）が形成されるよう、各板ばねアーム（７６）は全ての辺が連続的に囲われた１以上の切り欠き（８２）を有することを特徴とする請求項１に記載の操作ユニット。
前記ばね枠（７０）は矩形であり、前記操作要素（１２）の前記横方向移動軸（２０）に対して平行に延在する２つの長手方向枠部分（７２）と前記横方向移動軸（２０）に対して横方向に延在する２つの短手方向枠部分（７４）とを有し、各短手方向枠部分（７４）の上及び／又は内部には１以上の板ばねアーム（７６）が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の操作ユニット。
前記２つの板ばねアーム（７６）が同じ向き又は反対向きになるように配置されることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の操作ユニット。
各板ばねアーム（７６）の前記自由端（８０）及び／又は前記筐体（１２）は、各板ばねアーム（７６）を前記筐体（２６）に固定するための締付け具（９６）が貫通する１以上の受側開口部（１００）を有し、取り付け公差を補償するため、前記締付け具（９６）が遊隙をもって前記受側開口部（１００）を貫通することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の操作ユニット。
前記操作要素（１２）が質量中心（４０）を有し、前記アクチュエータ（３２）の前記駆動要素（３４）が有効移動軸（３８）に沿って前後に移動可能であり、前記操作要素（１２）の前記質量中心（４０）が前記アクチュエータ（３２）の前記駆動要素（３４）の前記有効移動軸（３８）の上又はそのほぼ上に位置することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の操作ユニット。
前記操作要素（１２）の前記横方向移動軸（２０）及び前記アクチュエータ（３２）の前記駆動要素（３４）の前記有効移動軸（３８）が、前記操作面（１４）と実質的に直交する方向の同一垂直平面に架かる請求項６に記載の操作ユニット。
操作要素（１２）の下において前記筐体（２６）が設置スペースを有し、前記アクチュエータ（３２）の前記駆動要素（３４）の前記有効移動軸（３８）と前記操作要素（１２）の前記横方向移動軸（２０）とが成す角度が最小となるように、前記設置スペースが許す限りできるだけ前記操作要素（１２）の直下に、及び／又は前記設置スペースが許す限りできるだけ前記操作要素（１２）の前記質量中心（４０）から遠くに前記アクチュエータ（３２）が配置されることを特徴とする請求項７に記載の操作ユニット。
水平方向の動きを実現するため、前記ばね枠（７０）の各板ばねアーム（７６）は、前記横方向移動軸（２０）上、又は前記アクチュエータ（３２）の前記駆動要素（３４）の前記有効移動軸（３８）と前記操作要素（１２）の前記横方向移動軸（２０）とにまたがる平面と実質的に直交する方向に延びる平面（４４）に位置する有効ばね軸（４２）を有し、前記横方向移動軸（２０）について対称に配置されることを特徴とする請求項６、請求項７、又は請求項８に記載の操作ユニット。
タイロッドソレノイドである前記アクチュエータ（３２）が第１励磁コイル（５２）を備える第１ステータ（４８）と駆動要素（３４）としての電機子（４６）とを有し、前記電機子（４６）は前記第１励磁コイル（５２）によって発生した電磁流が前記電機子（４６）を流れると測定電圧が印加される測定用コイル（５６）を備え、前記第１励磁コイル（５２）と前記測定用コイル（５６）とが前記評価／制御ユニット（３０）に接続され、前記電機子（４６）が前記第１ステータ（４８）に向かって動くのに必要な力及び／又は前記電機子（４６）の静止位置からの振れと前記電機子（４６）が静止位置に戻る動きを前記評価／制御ユニット（３０）を用いて制御又はフィードバック制御することが可能であり、特に前記タイロッドソレノイドが第２励磁コイル（５４）を備える第２ステータ（５０）を有し、この場合に前記２つのステータ（４８、５０）は前記電機子（４６）の両側に配置され、前記第２励磁コイル（５４）は前記評価／制御ユニット（３０）に接続され、前記電機子（４６）が前記第１ステータ（４８）と前記第２ステータ（５０）のそれぞれに向かって動くのに必要な力及び／又は前記電機子（４６）の静止位置からの振れと前記電機子（４６）が静止位置に戻る動きを制御又はフィードバック制御するように前記評価／制御ユニット（３０）が適合されることを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか一項に記載の操作ユニット。