KR102371302B1 - 장치, 특히 차량 구성 요소를 위한 조작 유닛 - Google Patents

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Abstract

장치, 특히 차량 구성 요소를 위한 조작 유닛
장치, 특히 차량 구성 요소를 위한 조작 유닛은, 예를 들어 디스플레이와 같은 조작 요소(12)를 갖는 하우징(10)을 구비하고, 특히 장치에, 특히 차량 계기판에 고정되도록 설계된다. 상기 조작 요소(12)는 상기 하우징(10) 상에 탄성적으로 장착된다. 상기 조작 요소(12)가 조작되는 것이 검출될 때, 상기 조작 요소(12)를 기계적으로 여기시키기 위한 액추에이터(16)가 추가로 제공된다. 마지막으로, 상기 조작 유닛은 진동 보상 질량체(20)를 더 포함하고, 상기 진동 보상 질량체는 상기 조작 요소(12)가 조작되는 것이 검출될 때 상기 액추에이터에 의해 또는 하나의 액추에이터(16)에 의해 기계적으로 여기될 수 있고, 및/또는 상기 진동 보상 질량체는 상기 조작 요소(12)가 이동될 때 상기 하우징(10)에 작용하는 힘을 실질적으로 보상하기 위해 상기 하우징(10)에 장착되어 이동될 수 있다.

Description

장치, 특히 차량 구성 요소를 위한 조작 유닛
본 발명은 특히 차량 구성 요소인 장치를 위한 조작 유닛에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 능동 햅틱 피드백(active haptic feedback)에 의해 야기된 조작 요소의 진동을 보상하거나 적어도 감쇠(damping)시켜 조작 유닛의 환경(예를 들어, 기기 패널)에 영향이 미치지 않게 하거나 단지 감소된 영향만을 미치게 하도록 조작 유닛의 조작 요소를 기계적으로 여기(mechanically exciting)시키는 것에 의해, 발생되는 능동 햅틱 피드백에서 힘 보상 기능을 갖는 조작 유닛에 관한 것이다.
차량의 디스플레이 조립체에는 종종 사용자가 조작한 입력을 - 특히 촉각적으로 - 확인받을 수 있도록 능동 햅틱 피드백이 제공된다. 이와 관련하여, 피드백이 작동할 때, 조작 유닛의 환경으로, 예를 들어, 기기 패널로 또는 차량으로 전달되는 허용할 수 없는 동적인 힘이 발생될 수 있는 것은 바람직하지 않는데, 이는 설치 상황에 따라 이 힘이 전달되면 차량 내에 기생 소음 또는 진동을 유발할 수 있기 때문이다. 이것을 기계적으로 분리시키는 것은 기계적으로 여기되는 조작 요소의 질량이 클수록 훨씬 더 중요하다.
또한, 햅틱 피드백은 차량에 장착하는 부분의 탄성과 주로 독립적이다.
능동 햅틱 피드백이 제공된 장치는 실질적으로, 스프링 시스템을 통해 장치 하우징에 탄성적으로 장착되는 조작 필드(예를 들어, 터치스크린 또는 디스플레이)를 갖는 조작 요소, 이 조작 요소를 편향시키는 액추에이터, 및 차량에 고정 설치된 하우징으로 구성된다. 도 1에서, 이러한 장치 구성에서 작용하는 힘이 표시되어 있다. 참조 부호 10은 질량(m 2 )을 갖는 하우징을 나타낸다. 하우징(10)을 장치 환경(예를 들어, 기기 패널)에 연결하거나 또는 부착하는 것은 스프링 댐핑 시스템으로 표시된다. 액추에이터는 참조 부호 16으로 표시되고, 이 액추에이터는 질량(m1)을 갖는 디스플레이 또는 조작 요소(12)를 기계적으로 여기시킨다. 이동 가능하게 장착된 조작 요소(12)는 스프링-댐핑 시스템(14)으로 표시된 스프링-탄성 방식으로 하우징(10)에 장착된다. 센서(19)는 조작 요소(12)의 작동을 검출하고(힘 감지 기능), 신호를 평가 및 제어 유닛(21)에 전달하고, 이 평가 및 제어 유닛은 액추에이터(16)를 제어한다(힘 피드백 기능).
햅틱 피드백을 생성하기 위해, 디스플레이는 휴지(rest) 위치로부터 특정 경로 코스(x 1 (t))로 편향될 것이다. 본 발명에서 디스플레이의 가속도(a 1 (t))는 30 m/s2를 초과하는 값을 취할 수 있는데, 여기서 이동되는 디스플레이의 질량(m 1 )이 0.5 kg을 초과하고 일반적으로 하우징 질량(m 2 )이 작은 경우에는 무시할 수 없는 동적인 힘(F 2 (t))이 차량의 하우징 체결 구조물에 작용하게 된다.
예를 들어, 기기 패널에 하우징을 지지하거나 체결하는 구조물이 "강성"인 경우(스프링 시스템(c 2 , d 2 )이 강성인 경우) 시간적으로 빠르게 변하는 힘이 발생하여 차량에 허용할 수 없는 소음 또는 진동을 유발할 수 있다.
그러나 하우징을 체결하는 것이"연성"인 경우(스프링 시스템(c 2 , d 2 )이 연성인 경우) 차량에 장치를 장착하는 공차를 준수하는 것이 어려울 수 있다. 또한, 추가적인 자유도, 즉 하우징의 움직임(x 2 (t))이 존재함으로 인해, 및 또한 시스템에 추가적인 고유 진동수(natural frequency)가 존재하는 것으로 인해, 액추에이터에서 발생할 필요가 있는 힘(F Akt (t))을 조절하는 것이 상황에 따라 가능하지 않을 수 있다.
US-A-2004/0075676에는 랩탑(laptop)의 터치패드에 햅틱 피드백을 갖는 랩탑이 알려져 있다. 여기서, 터치패드는 압전 액추에이터에 의해 기계적으로 여기되고, 터치패드 자체는 랩탑의 하우징에 탄성적으로 지지된다. 압전 액추에이터는 이에 매달려 있는 카운터웨이트(counterweight)를 갖고, 이 카운터웨이트는 압전 액추에이터가 구동될 때 압전 액추에이터의 전개 결과 터치패드의 움직임과 반대 방향으로 변위된다. 그러나 이러한 접근법에 의해 랩탑의 하우징 내에서 일어나는 펄스 동작을 보상하고 동적 힘을 보상하는 것은 항상 그렇게 쉬운 것만은 아니다.
본 발명의 목적은 기생 소음 및 진동이 발생하는 것이 각각 개선된 능동 햅틱 피드백을 갖는 조작 유닛을 위한 개념을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 장치, 예를 들어, 차량 구성 요소, 특히 인간-기계 인터페이스(man-machine interface)(MMI 또는 HMI)를 위한 조작 유닛으로서, 상기 조작 유닛은,
- 예를 들어, 터치스크린 또는 터치패드 또는 디스플레이와 같은 조작 패널을 갖는 조작 요소를 포함하는 하우징으로서, 상기 하우징은 장치, 특히 차량 계기판 또는 차량 센터 콘솔에 부착하도록 제공되고, 상기 조작 요소는 상기 하우징에 탄성적으로 장착되는, 상기 하우징;
- 상기 조작 요소가 작동되는 것을 검출하기 위한 센서;
- 상기 조작 요소가 조작되는 것을 검출할 때 상기 조작 패널을 기계적으로 여기시키기 위한 액추에이터; 및
- 보상 중량체(compensating weight)를 포함하고,
- 상기 보상 중량체는 상기 조작 요소가 조작되는 것을 검출할 때 상기 액추에이터 또는 액추에이터에 의해 기계적으로 여기되고, 상기 보상 중량체는 상기 하우징 내에 및/또는 상기 하우징 상에 탄성적으로 장착되고 및/또는 상기 조작 요소에 탄성적으로 장착되고,
- 상기 보상 중량체는 상기 조작 요소를 기계적으로 여기시키는 상기 액추에이터의 활성화 시에 상기 하우징이 움직이는 것을 실질적으로 보상하도록 이동 가능하고, 또는
- 다시 말해, 상기 보상 중량체는, 상기 액추에이터의 활성화 시에 발생하는, 즉 특히 상기 조작 요소를 여기시키는 상기 액추에이터에 의해 또는 상기 보상 중량체에 할당된 액추에이터에 의해 능동적으로 발생하는 상기 조작 요소의 움직임으로 인해 상기 하우징에 작용하는 힘을 실질적으로 보상하거나 및/또는 방지하거나 및/또는 감쇠시키는 방식으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 상기 조작 유닛이 본 발명에 따라 제안된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 상기 보상 중량체는 상기 하우징에 탄성적으로 체결된다. 상기 보상 중량체는 상기 조작 요소를 여기시키는 상기 액추에이터에 의해 이동되거나 또는 상기 보상 중량체에 할당된 별개의 액추에이터에 의해 이동된다.
상기 보상 중량체가 상기 조작 요소를 기계적으로 여기시키는 상기 액추에이터의 일부로서 설계된 경우, 예를 들어, 타이-로드(tie-rod) 또는 플런저-코일 전자석 액추에이터의 고정자와 일체형 구성 요소로서 설계된 경우 적합하다. 이러한 전자석 액추에이터로 설계되는 대신에 상기 액추에이터는 압전 액추에이터로서 설계될 수도 있다. 그러나, 상기 보상 중량체는 상기 액추에이터와 별개의 요소로서 제공될 수도 있다. 각각의 경우에, 상기 보상 중량체는 상기 하우징 상에 탄성적으로 지지되고 그리하여 상기 하우징에 대해 탄성적으로 유지된다.
특히, 상기 보상 중량체는 실질적으로 180°의 위상 시프트로 이동할 수 있고, 따라서 상기 조작 요소의 여기되는 움직임 방향과 반대 방향으로 이동할 수 있고, 상기 보상 중량체가 이동하는 행정(stroke)은 상기 보상 중량체의 질량에 대한 상기 조작 요소의 질량의 관계를 적어도 고려하여 선택되는 것이 유리하다. 예를 들어, 상기 보상 중량체의 질량이 상기 조작 요소의 질량의 절반인 경우, 상기 보상 중량체가 이동하는 행정은 상기 조작 요소가 이동하는 행정의 두 배이다. 실제로, 상기 조작 요소는 예를 들어, 0.1 mm만큼 또는 수 1/10 mm만큼 편향된다. 상기 조작 요소의 질량이 예를 들어 0.5 kg인 경우, 상기 조작 유닛으로부터 외측으로 작용하는 힘을 본 발명에 따라 보상하기 위해서는, 예를 들어, 50g의 질량, 1 mm 또는 수 mm의 이동 행정을 갖는 보상 중량체를 사용하는 것이 가능할 것이다.
나아가, 가능한 한 최대로 힘을 보상하기 위해 상기 조작 요소를 상기 하우징에 탄성 결합시키는 스프링-질량 댐핑 시스템의 고유 진동수와, 상기 보상 중량체를 상기 하우징 또는 상기 조작 요소에 탄성 결합시키는 상기 스프링-질량 댐핑 시스템의 고유 진동수가 동일하거나 실질적으로 동일한 것이 유리하다. 본 명세서에서, 본 발명의 범위 내에서, "실질적으로 동일"이라는 어구는 고유 진동수로부터 50%, 특히 40%, 바람직하게는 30% 및 가장 바람직하게는 20% 또는 10%의 편차(deviation)를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 조작 유닛은 디스플레이 및 조작 유닛으로서 설계될 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 개별 도면에는 다음이 도시되어 있다.
도 1은 최신 기술에 따른 능동 햅틱 피드백을 갖는 조작 유닛에서 발생하는 힘의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 의해 제공된 방식으로 보상 질량으로서 보상 중량체를 사용할 때 발생하는 힘의 개략도이고,
도 3은 조작 유닛에서 반력이 없는 햅틱 피드백의 설계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
본 발명에 따르면, 하우징(10)에 작용하는 힘을 균형 맞추기 위해 액추에이터(16)와 하우징(10) 사이에 탄성적으로 지지되는 (스프링-질량 댐핑 시스템(22) 참조) 이동 가능한 카운터매스(20)를 사용하는 것이 제안된다. 조작 요소(12)가 작동되는 것은 작동 센서(19)에 의해 검출된다. 작동 센서(19)로부터 신호를 수신하고 제어 신호를 액추에이터(16)로 전달하는 평가 및 제어 유닛(21)을 통해 액추에이터(16)가 제어된다.
이에 대응하여 추가적인 스프링-질량 댐핑 시스템(22)(각각 c 3 , d 3 , m 3 )을 설계하는 경우, 차량에 작용하는 결과적인 힘(F 2 (t))이 제거될 수 있다. (중력에 의해 생성된 정적인 힘은 소음이나 진동이 발생하는데 영향을 주지 않는다).
무작위로 미리 결정된 디스플레이 편향(x 1 (t))을 위해, 장치 하우징의 편향(x 2 (t))/움직임, 및 이에 따라 또한 장치 체결 구조물에 작용하는 힘(F 2 (t))은 다음 조건 하에서 제거될 수 있다:
Figure 112018095863419-pct00001
이로부터, 카운터매스(20)의 편향이 발생한다:
Figure 112018095863419-pct00002
이러한 조건 하에서는 또한 장치 체결 구조물(18)의 탄성이 햅틱 피드백에 영향을 미치지 않는다. 카운터매스(각각 참조 부호 20 및 질량 m 3 )는 통상 설치 공간에 주어지는 요구에 의해 제한되고, 디스플레이 질량(m 1 )보다 더 작다. 이상적인 경우에 이것은 액추에이터(16)의 일부로서 실현될 수 있다.
본 발명은,
- 동적 힘이 환경에 영향을 미치지 않으면서 질량을 지닌 표면에 햅틱 피드백을 생성하고,
- 장치 체결 구조물의 탄성과 독립적으로 조작 유닛에 햅틱 피드백을 생성할 수 있다.
도 3에는 반력이 없는 햅틱 피드백을 갖는 장치가 개략적으로 도시되어 있다.
도시된 예에서, 액추에이터(20)는 타이-로드 전자석으로 설계되고, 이 액추에이터는, 하우징(10)에서 탄성적으로 지지되고 액추에이터 코일을 갖는 고정자 라미네이션(lamination)의 스택, 즉 고정자(26), 및 조작 요소(12)에 단단히 결합된 전기자 코어, 즉 전기자(28)를 포함한다. 고정자(26)는 이동 가능 카운터매스(20)를 형성하거나 또는 이를 포함한다. 타이-로드 전자석에 참조 부호 30으로 도시된 에어 갭을 설정하는 경우, 디스플레이(10)와 카운터매스(20)가 서로에 대해 최대로 편향되는 양이 고려되어야 한다. 고정자(26)는 하우징(10) 상에 탄성적으로 지지되지만(스프링-질량 댐핑 시스템(22)), 대안적으로는 조작 요소(12)에 탄성적으로 결합될 수도 있다. 조작 요소를 안내하는 안내 수단은 참조 부호 32로 개략적으로 표시된다. 하우징(10)은 (예를 들어, 차량의 기기 패널에서) 차량(24)에 체결된다.
본 발명은 차량에 사용하기 위한 조작 유닛으로 앞서 설명되었지만, 초기에 언급된 바와 같이, 또한 모든 유형의 장치 또는 시스템의 조작 유닛에 매우 일반적으로 적용 가능하다. 햅틱 피드백을 갖는 둘 이상의 조작 표면을 포함하는 장치에서, 각각의 조작 표면은 본 발명에 의해 제공된 방식으로 적어도 하나의 다른 조작 표면과 독립적으로 기계적으로 여기될 수 있다. 따라서, 각각의 조작 표면은, 조작 표면들 중 임의의 조작 표면을 기계적으로 여기시키는 것에 의해 발생되는, 외측으로 작용하는 장치 힘 및 움직임을 보상할 수 있도록 자체 전용 균형 질량을 포함한다.
10: 하우징
12: 조작 요소
14: 조작 요소를 하우징에 탄성 결합시키는 스프링 댐핑 시스템
16: 액추에이터
18: 하우징을 차량에 (탄성) 결합시키는 스프링 댐핑 시스템
19: 작동 센서
20: 카운터매스
21: 평가 및 제어 장치
22: 카운터매스를 하우징 및/또는 조작 요소에 탄성 결합시키는 스프링 댐핑 시스템
24: 차량 또는 차량의 조작 패널
26: 액추에이터로 설계된 타이-로드 전자석의 고정자
28: 타이-로드 전자석의 전기자
30: 타이-로드 전자석의 에어 갭
32: 햅틱 피드백 시에 움직이는 조작 패널을 안내하는 안내 수단
m1: 조작 패널의 질량
x1(t): 조작 패널의 편향량
FAkt(t): 액추에이터에서 발생되는 힘
F1(t): 조작 패널의 여기 시 하우징(10)에 작용하는 조작 패널의 힘(F1(t) = FAkt - m1 x a1)
c1: 하우징에 조작 패널을 탄성 결합시키는 스프링 상수
d1: 하우징에 조작 패널을 탄성 결합시키는 감쇠량
m2: 하우징의 질량
x2(t): 기계적으로 여기되는 조작 패널에 의해 가해지는 힘으로 인해 발생되는 하우징의 편향량
F 2 (t): 하우징 체결 구조물에 작용하는 힘
m 3 : 카운터웨이트의 질량
x 3 (t): 카운터웨이트의 편향량
F 3 : 카운터웨이트에 의해 하우징에 작용하는 힘
c 3 : 카운터웨이트를 하우징에 탄성 결합시키는 스프링 상수
d 3 : 카운터웨이트를 하우징에 탄성 결합시키는 감쇠량

Claims (7)

  1. 장치를 위한 조작 유닛으로서,
    - 조작 패널을 갖는 조작 요소(12)를 포함하는 하우징(10)으로서, 장치에 부착하기 위해 제공되고, 상기 조작 요소(12)가 탄성적으로 장착되는, 하우징(10);
    - 상기 조작 요소(12)가 작동되는 것을 검출하기 위한 센서(19);
    - 상기 조작 요소(12)가 조작되는 것을 검출할 때 상기 조작 패널을 기계적으로 여기시키기 위한 액추에이터(16); 및
    - 보상 중량체(20)를 포함하고,
    - 상기 보상 중량체(20)는 상기 조작 요소(12)가 조작되는 것을 검출할 때 상기 액추에이터(16) 또는 별개의 액추에이터에 의해 기계적으로 여기되도록 마련되고, 상기 보상 중량체는 상기 하우징(10) 내에 또는 상기 하우징 상에 탄성적으로 장착되거나 상기 조작 요소(12)에 탄성적으로 장착되고,
    - 상기 보상 중량체(20)는, 상기 조작 요소(12)를 기계적으로 여기시키는 상기 액추에이터(16)의 활성화 시에 상기 하우징(10)이 움직이는 것을 보상하여 상기 조작 유닛으로부터 외측으로 작용하는 힘을 상쇄하도록 상기 액추에이터(16) 또는 상기 별개의 액추에이터에 의해 이동 가능한 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상 중량체(20)는 상기 액추에이터(16) 또는 상기 별개의 액추에이터와는 별개의 요소로서 설계되거나, 또는 상기 조작 패널을 기계적으로 여기시키는 상기 액추에이터(16)의 일부로서 설계된 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보상 중량체(20)는 상기 조작 요소(12)가 여기되는 움직임 방향에 반대 방향으로 이동하도록 실질적으로 180°의 위상 시프트로 이동 가능하고, 상기 보상 중량체(20)가 이동하는 행정은 적어도 상기 보상 중량체(20)의 질량에 대한 상기 조작 요소(12)의 질량의 관계를 고려하여 선택되는 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하우징(10)에 탄성적으로 장착되는 부분을 포함하는 상기 조작 요소(12)와, 상기 하우징(10)에 또는 상기 조작 요소(12)에 탄성적으로 장착되는 부분을 포함하는 상기 보상 중량체(20)는 각각 고유 진동수를 갖고, 두 고유 진동수는 동일하거나 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액추에이터(16)는 고정자(26) 및 전기자(28)를 포함하는 타이-로드 또는 플런저-코일 전자석으로 설계되고, 상기 전기자(28) 또는 대안적으로 상기 고정자(26)는 상기 조작 요소(12)에 운동학적으로 결합되고, 상기 고정자(26) 또는 대안적으로 상기 전기자(28)는 상기 보상 중량체(20)에 운동학적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정자(26)는 또는 대안적으로 상기 전기자(28)는 상기 보상 중량체(20)에 운동학적으로 결합되어, 상기 보상 중량체(20)를 형성하거나 상기 보상 중량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조작 유닛은, 디스플레이 및 조작 유닛으로서 설계되고, 상기 조작 요소(12)는 조작 기능과는 별도로 디스플레이 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조작 유닛.
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