JP6999567B2 - 操作ユニット - Google Patents

Description

本発明は、特には車両部品である装置の操作ユニットに関する。特に、本発明は、操作ユニットの操作要素の機械的励振により発生する能動的触覚フィードバックにおける力補償を備えた操作ユニットであって、能動的触覚フィードバックによって発生する操作要素の振動が補償、もしくは少なくとも減衰され、操作ユニットの周囲（例えば装置のパネル）に影響を与えない、又はわずかな影響しか与えない操作ユニットに関する。

車両の表示アセンブリはしばしば能動的触覚フィードバックを備えており、ユーザは、特に触覚を通じて、操作インプットの確認を受け取る。この観点から、フィードバックの作動において、例えば計器パネルや車両といった操作ユニットの周囲への許容不可能な動的力伝達が発生することは望ましくない。設置状況によっては、この力伝達が車両内で寄生ノイズ又は振動を発生しうるためである。機械的に励振される操作要素の質量が大きくなるほど、このような機械的デカップリングは重要になる。

更に、触覚フィードバックは、車両内の設置部の弾性から高度に独立したものであるべきである。

能動的触覚フィードバックを備えた装置は、ばねシステムを介して装置筐体に弾性設置された操作フィールド（タッチスクリーン又はディスプレイ）を有する操作要素と、操作要素を撓ませるためのアクチュエータと、車両内に固定設置された筐体とから主に構成される。図１において、このような装置構成内で働く力が図示されている。参照符号１０は、質量ｍ_２を有する筐体を示す。装置の周囲（例えば計器パネル）への筐体１０の接続又は取り付けは、ばね減衰システムで表されている。アクチュエータは１６で示されており、質量ｍ_２を有する表示操作ユニット１２を機械的に励振する。移動可能に設置された操作要素１２は、ばね弾性的に筐体１０に設置され、これはばね減衰システム１４で表されている。センサ１９は、操作要素１２の作動を検出し（力検出機能）、アクチュエータ１６を制御する評価制御ユニット２１へ信号を送信する（力フィードバック機能）。

触覚フィードバックを生成するために、ディスプレイは静止位置から特定の軌道ｘ_１（ｔ）で撓む。本稿におけるディスプレイの加速ａ_１（ｔ）は、３０ｍ／ｓ^２超の値となり得て、すなわち０．５ｋｇ超の移動されるディスプレイの質量ｍ_１と、通常は少ない筐体の質量ｍ_２とによって、無視できない動的力Ｆ_２（ｔ）が車両内の筐体固定構造に加わり得る。

例えば計器パネル上の筐体支持又は固定構造が剛性である場合（剛性ばねシステムｃ_２、ｄ_２）、この時間的に高速変化する力が発生して許容できないノイズ又は振動を引き起こし得る。

しかしながら、筐体が軟性固定されている場合（軟性ばねシステムｃ_２、ｄ_２）には、装置を車両内に設置する際の許容誤差への適合が問題になる。また、システム内により高い自由度、すなわち筐体の移動ｘ_２（ｔ）とそれによって増加した固有振動数が存在することによって、場合によっては、必要とされるアクチェータの力発生Ｆ_Ａｋｔ（ｔ）の調整が不可能になるおそれがある。

タッチパッド向けの触覚フィードバックを備えたラップトップが、米国特許出願第２００４／００７５６７６号から周知である。ここでは、ラップトップの筐体に弾性的に支持されているタッチパッドが圧電アクチュエータによって機械的に励振される。圧電アクチュエータは、圧電アクチュエータが駆動され膨張することにより、タッチパッドの移動とは反対方向に移動するカウンターウェイトを有する。しかしながら、このアプローチによって、ラップトップ筐体内でパルス補償と動的力の補償とを実現することは容易ではない。

米国特許出願第２００４／００７５６７６号明細書

本発明の目的は、寄生ノイズと振動とがそれぞれ改善された、触覚フィードバックを備えた操作ユニットの概念を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、例えば車両部品である装置の操作ユニット、具体的にはマンマシンインターフェース（ＭＭＩ又はＨＭＩ）、が提供され、操作ユニットは例えばタッチスクリーン、タッチパッド、又はディスプレイである操作パネルを有する操作要素を含み、装置内、特に車両のダッシュボード内又は車両のセンターコンソール内、に取り付けられる筐体と、前記操作要素の作動を検出するためのセンサと、前記操作要素の操作の検出時に発生する前記操作要素の機械的励振のためのアクチュエータと、補償錘と、を含み、操作要素は前記筐体内に弾性設置され、前記補償錘は、前記操作要素の操作の検出時に前記又は一のアクチュエータによって機械的に励振されるよう設計され、前記筐体の内部及び／又は上部に弾性設置され、及び／又は前記操作要素に弾性設置され、前記補償錘は、前記アクチュエータが作動して前記操作要素を機械的に励振する際の前記筐体の移動を実質的に補償するように移動可能である、もしくは、換言すれば、前記補償錘は、アクチュエータの作動時に発生する前記操作要素の移動によって筐体に加わる力を実質的に補償及び／又は防止及び／又は減衰させるよう、操作要素を励振させるアクチュエータ又は補償錘に割り当てられたアクチュエータによって特に能動的に移動可能である。

したがって、本発明によれば、補償錘は筐体に弾性的に固定されている。補償錘は、操作要素を励振させるアクチュエータ、又は補償錘に割り当てられた別のアクチュエータによって移動される。

補償錘は、操作要素を機械的に励振するアクチュエータの一部として、例えばタイロッド又はプランジャーコイル電磁石アクチュエータの固定子に一体化された構成要素として、設計されるのが好適である。このような電磁石アクチュエータとして設計されるほかに、圧電アクチュエータとして設計されてもよい。しかしながら、補償錘はアクチュエータとは独立した要素として設けられていてもよい。いずれの場合にも、補償錘は筐体に弾性的に支持されており、それによって筐体に対して弾性的に支えられる。

特に、補償錘が、約１８０°の位相シフトで、すなわち操作要素の作動移動と逆方向に移動可能であり、補償錘の移動ストロークが、少なくとも補償錘の質量に対する操作要素の質量の関係を考慮して選択されると有利である。例えば、補償錘の質量が操作要素の半分である場合、補償錘の移動ストロークは操作要素の移動ストロークの２倍になる。実用上、操作要素は０．１ｍｍ又は０．数ｍｍ撓められる。操作要素の質量が０．５ｋｇである場合、本発明においては、操作ユニットから外部へ加わる力を補償するために、例えば質量５０ｇの補償錘を使用し、１ｍｍ又は数ｍｍの移動ストロークを採用すればよい。

更に、力補償を可能な限り大きくするためには、操作要素と筐体との弾性結合のばね－質量減衰システムの固有振動数と、補償錘と筐体又は操作要素との弾性結合のばね－質量減衰システムの固有振動数とが、等しい又は略等しいと有利である。本発明の枠組みの中では、本稿で用いられる「略等しい」とは、固有振動数からのずれが５０％、特には４０％、好ましくは３０％、最も好ましくは２０％又は１０％であることを表すものとして理解される。

本発明の操作ユニットは、表示操作ユニットとして設計されてよい。

本発明では、周辺に動的力を発生させることなく、質量を有する表面に触覚フィードバックを生成すること、及び、操作装置において、装置固定構造の弾性とは独立した触覚フィードバックを生成することが可能になる。

以下、図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。

従来技術の能動的触覚フィードバックを備えた操作ユニット内で発生する力の模式図である。 本発明の方法により、補償質量として補償錘を用いた際に発生する力の模式図である。 操作ユニットにおける、無反力触覚フィードバックの設計の模式図である。

本発明によれば、筐体１０に加わる力を平衡させるために、アクチュエータ１６と筐体１０との間に、弾性支持された（ばね－質量減衰システム２２参照）移動可能なカウンターマス２０を使用することが提案される。操作要素１２の作動は、作動センサ１９によって検出される。この際、作動センサ１９から信号を受信しアクチュエータ１６に制御信号を送信する評価制御ユニット２１を経由して、アクチュエータ１６が制御される。

追加のばね－質量減衰システム２２及びｃ_３、ｄ_３、ｍ_３それぞれに対応する設計の場合には、車両に加わる力Ｆ_２（ｔ）を除去できる。（引力によって発生する静的力はノイズや振動の発生の原因とはならない。）

予めランダムに決定されたディスプレイの撓みｘ_１（ｔ）に関し、装置の筐体の撓みｘ_２（ｔ）／ｍｏｔｉｏｎならびに装置固定構造に加わる力Ｆ_２（ｔ）は、以下の条件で除去できる。

ここから、カウンターマス２０の撓みが求められる。

これらの条件下では、装置固定構造１８の弾性も、触覚フィードバックには影響しない。通常、カウンターマス２０及びｍ_３はそれぞれ、設置スペースに関連する要請によって制限され、ディスプレイの質量ｍ_１よりも小さい。理想的には、アクチュエータ１６の一部として実現されるとよい。

図３において、無反力触覚フィードバックを備えた装置が模式的に図示されている。

図示の例において、アクチュエータ１６はタイロッド電磁石として設計され、筐体１０に弾性支持されアクチュエータコイルを有する積層構造の固定子（固定子２６）と、操作要素１２に強固に結合された電機子コア（電機子２８）とを含む。固定子２６は移動可能なカウンターマス２０を形成する、又は含む。３０で示される空隙をタイロッド電磁石に設ける際には、ディスプレイ１０とカウンターマス２０の互いに対する最大撓みを検討する必要がある。固定子２６は筐体１０上で弾性的に支持されている（ばね－質量減衰システム２２）が、別法として、操作要素１２に弾性的に結合されてもよい。操作要素誘導手段は３２として模式的に示されている。筐体１０は、車両２４（例えば車両の計器パネル）に固定されている。

車両用操作ユニットを例に本発明を説明してきたが、上述のとおり本発明は、あらゆる種類の装置又はシステムの操作ユニットにも一般的に適用可能である。触覚フィードバックを備えた操作面を複数有する装置では、各操作面を、一以上の他の操作面から独立して、本発明の方法により機械的に励振可能である。このように、操作面のいずれかの機械的励振によって引き起こされた装置の外向きの力と移動を補償可能とするために、各操作面は専用のバランスマスを含む。

１０：筐体
１２：操作要素
１４：操作要素と筐体との間の弾性結合のばね減衰システム
１６：アクチュエータ
１８：筐体と車両との間の（弾性）結合のばね減衰システム
１９：作動センサ
２０：カウンターウェイト
２１：評価制御部
２２：カウンターウェイトと筐体及び／又は操作要素との間の弾性結合のばね減衰システム
２４：車両又は車両の操作パネル
２６：アクチュエータとして設計されたタイロッド電磁石の固定子
２８：タイロッド電磁石の電機子
３０：タイロッド電磁石の空隙
３２：触覚フィードバック時の移動のための操作パネルの誘導手段
ｍ_１：操作パネルの質量
ｘ_１（ｔ）：操作パネルの撓み
Ｆ_Ａｋｔ（ｔ）：アクチュエータの力発生
Ｆ_１（ｔ）：操作パネルの励振時に筐体１０に加わる操作パネルの力（Ｆ_１（ｔ）＝Ｆ_Ａｋｔ－ｍ_１×ａ_１）
ｃ_１：操作パネルの筐体への弾性結合のばね定数
ｄ_１：操作パネルの筐体への弾性結合の減衰
ｍ_２：筐体の質量
ｘ_２（ｔ）：機械的に励振された操作パネルによって発生した力による筐体の撓み
Ｆ_２（ｔ）：筐体固定構造に加わる力
ｍ_３：カウンターウェイトの質量
ｘ_３（ｔ）：カウンターウェイトの撓み
Ｆ_３：カウンターウェイトから筐体に加わる力
ｃ_３：カウンターウェイトの筐体への弾性結合のばね定数
ｄ_３：カウンターウェイトの筐体への弾性結合の減衰

Claims (6)

1. 車両に用いられる操作ユニットであって、
   操作パネルを含む操作要素（１２）と、
   車両のダッシュボード又は車両のセンターコンソールに取り付けられる筐体（１０）と、
   前記操作要素（１２）の操作を検出するためのセンサ（１９）と、
   前記操作要素（１２）の操作の検出時に前記操作要素（１２）を機械的に励振するアクチュエータ（１６）と、
   補償錘（２０）と、を含み、
   前記操作要素（１２）は前記筐体（１０）に弾性設置され、
   前記補償錘（２０）は、前記操作要素（１２）の操作の検出時に前記アクチュエータ（１６）によって機械的に励振されるよう設計され、前記筐体（１０）の内部に弾性設置され、
   前記補償錘（２０）は、前記アクチュエータ（１６）が作動して前記操作要素（１２）を機械的に励振する際の前記筐体（１０）の移動を実質的に補償するように移動可能であり、
   前記アクチュエータ（１６）が、固定子（２６）及び電機子（２８）を含む電磁石として設計され、前記電機子（２８）及び前記固定子（２６）の一方が前記操作要素（１２）に結合され、前記電機子（２８）及び前記固定子（２６）の他方が前記補償錘（２０）に結合され、
   前記固定子（２６）又は前記電機子（２８）が前記補償錘（２０）の少なくとも一部を構成していることを特徴とする操作ユニット。
2. 前記補償錘（２０）が、前記操作要素（１２）を機械的に励振する前記アクチュエータ（１６）とは独立した要素として設計されていることを特徴とする請求項１に記載の操作ユニット。
3. 前記補償錘（２０）が、約１８０°の位相シフトで、すなわち前記操作要素（１２）の作動移動と逆方向に移動可能であり、前記補償錘（２０）の移動ストロークが、少なくとも前記補償錘（２０）の質量に対する前記操作要素（１２）の質量の関係を考慮して選択されることを特徴とする請求項１又は２に記載の操作ユニット。
4. 前記筐体（１０）に弾性設置されている前記操作要素（１２）と、前記筐体（１０）に弾性設置されている前記補償錘（２０）とが、各々固有振動数を有し、両固有振動数が等しい又は略等しい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。
5. 前記操作ユニットが表示操作ユニットとして設計されており、前記操作要素（１２）が、操作機能以外に表示機能を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の操作ユニット。
6. 前記操作パネルが、タッチスクリーン、タッチパッド、又はディスプレイである請求項１から５のいずれか一項に記載の操作ユニット。

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