KR102424077B1 - 차량용 조작유닛 - Google Patents

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알렉산더 베슈니트
하리 판크라츠
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베르-헬라 테르모콘트롤 게엠베하
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Abstract

본 발명은 자동차용 조작유닛(10)에 관한 것으로서, 조작유닛은 정면부를 갖는 하우징(26)과, 하우징(26)의 정면부에 배치된 조작요소를 구비하고, 조작요소는 질량중심(40)과 조작인터페이스(14)를 갖는다. 조작요소(12)는 조작표면(14)에 대하여 거의 직교하는 수직이동축(18)을 따라 그리고 수직이동축에 대하여 거의 횡단하는 측방향 이동축(20)을 따라, 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 스프링-탄성 방식으로 하우징(26) 상에 및/또는 하우징(26) 내에 장착되어 있다. 본 발명은 또한 수직이동축(18)의 방향으로 조작요소(12)의 작동을 감지하는 하나 이상의 센서(28)에 관한 것이다. 또한, 조작유닛(10)은, 조작요소(12)의 작동이 감지되었을 때 적어도 측방향 이동축(20)에서도 조작요소(12)의 피드백 이동을 할 수 있도록 하우징(26) 내에 및/또는 하우징(26) 상에 배치되어 있는 엑추에이터(32)로서, 조작요소(12)에 기계적으로 연결되어 유효이동축(38)을 따라 전후진할 수 있고 전기적으로 작동되는 구동요소(34)를 구비하고 있는 엑추에이터(32)를 갖고 있다. 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)을 따라 조작요소(12)가 피드백 이동을 하는 동안, 조작요소(12)가 추가적으로 회전하거나 기울어지지 않도록, 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 조작요소(12)의 질량중심(40)에 작용하는 토크는 서로 상쇄된다.

Description

차량용 조작유닛
본 특허출원은 2016년7월8일자 독일특허출원 제10 2016 212 524.9에 대하여 우선권을 주장하며, 독일출원의 내용은 참조로 본 특허출원의 내용에 포함된다. 또한, 3개의 PCT출원, 즉 2016년9월6일자 PCT/ EP2016/070989, 2016년9월12일자 PCT/EP2016/071414 및 2017년1월24일자 PCT/EP2017/051416도 참조로 본 특허출원의 내용에 포함된다.
본 발명은 차량용 조작유닛에 관한 것으로서, 예를 들면 다양한 자동차 부품을 제어하는 인포테인먼트 시스템에 관한 것이다.
예를 들어 차량 장치의 기능을 선택하기 위한 여러 기호 필드를 메뉴구동식으로 디스플레이하는 디스플레이 조립체를 포함하는 조작유닛은 점점 지지를 받고 있다. 이러한 조작유닛에서, 사용자는 기능을 선택했다는 것을 촉각으로 확인을 받는 것이 바람직하며, 예를 들어 작동시킨 후에 조작요소를 추가적으로 액티브하게 움직이게 함으로써 그 효과를 얻을 수 있다. 이러한 햅틱 피드백은, 조작요소의 전체 작동표면을 기준으로, 가능한한 균일해야 한다. 이러한 조작유닛에 대한 예가 독일특허 DE-A-10 2008 035 907, 독일특허 DE-A-10 2009 007 243에 설명되어 있다. 또한, 독일특허 DE-A-100 43 805에서는, 전자기 엑추에이터를 포함하는 장치를 설명하고 있다.
본 발명의 목적은, 조작표면을 갖는 하나 이상의 조작요소를 포함하는 차량용 조작유닛으로서, 조작표면을 터치하고 작동하는 지점과 독립적으로 햅틱 감각이 실질적으로 동일하고, 액티브 햅틱 피드백을 갖추고 있는, 조작유닛을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따라, 자동차용 조작유닛이 제공되는데, 조작유닛은,
- 정면부를 갖는 하우징,
- 하우징의 정면부에 배치되고 조작인터페이스를 포함하는 조작요소로서, 상기 조작요소는 조작표면에 대하여 거의 직교하는 수직이동축을 따라 그리고 상기 수직이동축에 대하여 거의 횡단하는 측방향 이동축을 따라, 리턴 스프링에 의해 스프링-탄성 방식으로 하우징 상에 및/또는 하우징 내에 장착되어 있는, 조작요소,
- 수직이동축의 방향에서 조작요소의 작동을 감지하는 하나 이상의 센서,
- 조작요소의 작동이 감지되었을 때 적어도 측방향 이동축에서도 조작요소가 피드백 이동을 할 수 있도록 하우징 내에 및/또는 하우징 상에 배치되어 있는 엑추에이터로서, 조작요소에 기계적으로 연결되어 유효이동축을 따라 전후진할 수 있고 전기적으로 작동되는 구동요소를 구비하고 있는, 엑추에이터, 및
- 상기 센서와 상기 엑추에이터에 연결된 평가 및 제어 유닛을 구비하고,
- 상기 리턴 스프링은 엑추에이터의 유효이동축에 평행하는 스프링 작용축을 구비하고,
- 엑추에이터의 유효이동축이 연장하는 수직평면, 및/또는 조작요소의 질량중심이 놓여 있는 수직평면 또는 특히 조작요소에 연결된 엑추에이터의 구동요소와 조작요소를 포함하는 이동가능한 질량부의 질량중심이 놓여 있는 수직평면에서 보았을 때, 리턴 스프링의 스프링 작용축은, 엑추에이터의 유효이동축의 양측에서 엑추에이터의 유효이동축에 대하여 각각 제1 거리와 제2 거리의 간격을 두고 뻗어나가고,
- 스프링 힘과 관련된 리턴 스프링의 치수와 상기 제1 거리와 제2 거리의 치수는, 조작요소의 질량중심 또는 이동가능한 질량부의 질량중심에서 리턴 스프링의 결과로서 작용하는 회전 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 선택된다.
본 발명에 따르면,
- 리턴 스프링은, 엑추에이터의 유효이동축에 평행하며, 리턴 스프링의 결과로서 작용하는 스프링 작용축을 갖고,
- 엑추에이터의 유효이동축이 뻗어나가고 및/또는 특히 조작요소에 연결된 엑추에이터의 구동요소와 조작요소를 포함하는 이동가능한 질량부의 질량중심 또는 조작요소의 질량중심이 놓여 있는 수직평면에서 보았을 때, 리턴 스프링의 스프링 작용축은, 엑추에이터의 유효이동축의 양측에서 엑추에이터의 유효이동축에 대하여 각각 제1 거리와 제2 거리의 간격을 두고 뻗어나가고,
- 스프링 힘과 관련된 리턴 스프링의 치수와 상기 제1 거리와 제2 거리의 치수는, 조작요소의 질량중심 또는 이동가능한 질량부의 질량중심에서 리턴 스프링의 결과로서 작용하는 회전 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 선택된다.
본 발명에 따르면, 조작요소의 작동에 대한 액티브 햅틱 피드백은 조작요소의 측방향으로의 편향에 의해 실현된다. 작동을 위해, 조작요소가 조작표면에 실질적으로 직교하는 방향으로 수직이동축에서 움직인다. 이러한 작동 움직임이 센서로 감지되면, 측방향 이동방향으로(예를 들어 좌에서 우로, 위로 또는 아래로) 조작요소의 능동적인 이동이 발생한다. 이와 관련하여, 조작요소가 기울어지지 않도록 주의해야 한다. 이와 관련하여, 조작요소는 기울어지지 않지만, 통상적으로 만약 액추에이터가 상기 조작 요소에 연결된 부분이 조작요소의 질량중심이 아닌 경우, 특별한 조치가 없다면, 기울어질 수 있다는 것에 주의해야 한다. 조작요소는 대응하는 디스플레이 기법 및 기술(예를 들어, LCD 디스플레이) 및 백라이트 조명을 갖는 디스플레이를 실질적으로 포함하여, 적지않은 구조적 깊이를 가질 수 있다. 이상적인 경우에 상기 액추에이터는 극단적으로 조작요소 바로 아래에 배열될 수 있기 때문에, 측방향 움직임의 방향으로 능동 햅틱 피드백 움직임을 수행하는 구동 요소는 시스템 또는 조작요소의 질량 중심 밖에서, 이동된 부분 시스템 및 조작요소와 맞물린다. 그 결과, 적절한 조치가 취해지지 아니하면, 조작 요소는 불가피하게 기울어질 것이다. 알려진 해결책은 조작유닛의 하우징 상에 조작요소를 지지하는 스프링 시스템의 대응하는 설계에 따라, 강제적으로 안내하는 것을 목표로 하는 것이다. 이와 관련된 모든 내용은 기계적으로 복잡하다.
따라서, 본 발명에 따르면, (수직 및 측방향) 리턴 스프링의 작용에 의해 조작요소에 작용하는 회전모멘트를 상쇄할 수 있는데, 이는 한편으로는 구동요소의 유효이동축에 대한 리턴 스프링의 위치를 조정하는 것, 및/또는 다른 한편으로는 리턴 스프링의 치수를 설정하는 것, 및/또는 추가적으로 조작요소의 무게분배에 영향을 미쳐서 조작요소의 질량중심을 "재배치(relocation)" 하는 것(중량을 추가로 배치하거나 정조준하여 무게분포에 영향을 미침으로써)에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 설치공간의 상황이 리턴 스프링의 위치를 조정할 수 없는 경우에는, 리턴 스프링의 치수를 결정하는 것 및/또는 조작요소 내에서 무게분포에 변화를 주는 것에 의해 회전 모멘트를 상쇄할 수 있다. 결과적으로, 본 발명은 모든 애플리케이션에 대하여 디자인적으로 자유도를 충분히 허락한다. 좀 더 구체적으로 말하자면, 조작요소의 질량중심 뿐만 아니라 조작유닛의 이동가능한 부분 시스템의 질량중심을 고려해야 하고, 여기서 이동가능한 부분 시스템은, 조작요소, 엑추에이터의 구동요소(조작요소에 결합된 것을 포함), 그리고 리턴 스프링(그러나 무게를 무시할 정도임)을 포함한다. 햅틱 피드백에 대하여 움직이는 총 무게는 질량중심을 정의하게 되는데, 질량중심은 본 발명의 구조에서 회전 모멘트를 상쇄하기 위해 리턴 스프링을 배열하는 것 및/또는 리턴 스프링의 치수를 정하는 것에 매우 결정적이다. 따라서, 아래에서 조작요소의 질량중심에 대해 언급할 때, 이것은 이동가능하고 탄성적으로 지지되며 햅틱 피드백을 위해 기계적으로 활성화되는 부분 시스템의 질량중심을 지칭하는 것을 의미한다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 상기 수직평면에 직각으로 뻗어나가는 경사진 평면으로서, 엑추에이터의 유효이동축이 뻗어나가고 및/또는 조작요소의 질량중심이 놓여 있는 경사진 평면에서 보았을 때, 리턴 스프링의 스프링 작용축은, 엑추에이터의 유효이동축의 양측에서 엑추에이터의 유효이동축에 대하여 거리를 두고 뻗어나가고, 스프링 힘과 관련된 리턴 스프링의 치수와 거리들의 치수를 조작요소의 질량중심에서 리턴 스프링의 결과로서 작용하는 회전 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 선택할 수 있다.
수직 평면과 관련하여 위에서 설명한 내용들은, 다른 데에 대응하여 적용시킬 수 있고, 아울러 엑추에이터의 유효이동축의 방향에 의해 정의되는 경사진 평면과 관련하여 적용할 수도 있다. 또한, 엑추에이터의 유효이동축이 놓여 있는 경사진 평면(유효이동축이 걸쳐 있고 수직축에 직교하여 뻗어나감)에서, 햅틱 촉각 피드백을 위해 엑추에이터를 제어할 때 경사진 평면에 대하여 그리고 수평방향의 투영 평면에 대하여 진동이 발생하지 않도록, 다시, 이동가능한 부분 시스템에 작용하며 리턴 스프링으로부터 초래되는 힘을 상쇄시킬 필요가 있다.
또한, 본 발명은 바람직하게는 구동요소의 유효이동축이 조작요소의 질량중심을 교차하는 방향으로 엑추에이터를 기계적으로 배열하는 것을 제공한다. 따라서, 조작요소의 질량중심은 구동요소의 유효이동축의 연장선상에 배치된다. 따라서, 이러한 배열구조에서, 구동요소의 유효이동축은 햅틱 피드백을 위해 원하는 측방향 이동방향에 대하여 예각으로 뻗어나간다. 따라서, 조작요소가 구동요소의 유효이동축을 따라 이동함으로써, 조작요소의 피드백 이동은 측방향 이동의 원하는 성분과 별개로 수직이동 성분을 갖는데, 수직이동 성분은 크게 요동을 유발하지는 않는다. 대신 중요한 것은, 능동적인 햅틱 피드백이 일어나는 동안, 조작요소의 작동표현이 공간상에서 방위를 유지해야 하는 것인데, 다시 말하면 비스듬한 경사진 방향으로 평행하게 이동하는 것으로서 수직 평면 및/또는 수평 평면에서 보았을 때 두드러지게 진동하지 않으면서 이동하는 것을 말한다.
본 발명의 방법을 통해, 순수하게 평행이동하는 방식으로 피드백 움직임을 수행할 수 있는데, 이때 바람직하게 구동요소의 유효방향은 조작요소의 질량중심을 통과한다.
햅틱 피드백 이후에 조작요소를 초기 위치로 돌아가게 하는 리턴 스프링 요소가 조작요소의 질량중심의 공통 평면에 놓여 있게 되면, 구동요소의 액티브 햅틱 피드백이 이루어지는 동안 발생하는 움직임의 회전성분을 추가로 줄일 수 있다. 만약, 그렇지 않다면, 조작요소의 액티브 햅틱 피드백 이동의 패턴은 회전성분을 포함할 것이다.
대안으로, 스프링 작용축은 엑추에이터의 구동요소의 유효이동축과 일치할 수도 있다; 그러면 스프링 작용축과 구동요소의 작용축은 공통 라인 상에 배열된다.
본 발명에 의하면, 바람직하게, 조작요소의 질량중심에서 리턴 스프링 요소의 결과로 작용하는 회전 모벤트가 서로 상쇄되어, 엑추에이터의 구동요소의 유효이동축을 따라 피드백 이동하는 동안 조작요소가 추가로 비틀리거나 기울어지는 것을 막을 수 있다.
또한, 나가는(outbound) 경로와 복귀 경로에서 햅틱을 제어하거나 피드백 제어하는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 또한 조작요소의 이동은 가능한 한 멀리 순수한 평행이동이 되는 것이 매우 결정적인 사항인데, 이는 본 발명에 따른 접근법을 통해서 실현될 수 있다. 나아가, 본 발명의 접근법에 의해, 사용자 표면 상에서 작동 지점에 상관없이 항상 동일한 햅틱 느낌을 느끼게 하는 것을 실질적으로 보장할 수 있다. 본 발명에 의하면, 조작요소의 탄성지지부에 대하여 구조적으로 복잡한 해결책을 요구할 필요없이, 조작요소들을 순수하게 평행이동시킬 수 있다.
조작요소의 측방향 이동축과 엑추에이터의 구동요소의 유효이동축이, 조작표면에 실질적으로 직교하는 공통 수직 평면에 걸쳐 있으면, 유용하다.
본 발명의 추가 실시예에 의하면, 조작요소의 아래에 있는 하우징은 설치 공간을 포함할 수 있고, 엑추에이터의 구동요소의 유효이동축과 조작요소의 측방향 이동축 사이에 가능한 한 제일 작은 각도가 형성되도록, 엑추에이터가 설치공간에 대하여 조작요소의 밑에 가능한 한 가깝게 배열되고 및/또는 설치공간에 대하여 조작요소의 질량중심으로부터 가능한 한 멀리 배열되어 있을 수 있다. 엑추에이터의 유효이동축과 조작요소의 측방향 이동축 사이의 각도가 작으면 작을수록, 피드백 이동에서 측방향 이동부분과 관련하여 조작요소의 축방향 이동부분은 커진다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 조작유닛은 조작요소용 리턴 스프링 요소를 포함할 수 있고, 리턴 스프링 요소는 조작요소의 양측에 배열되어 있고 축을 갖고 있는데, 리턴 스프링 요소의 축은, 측방향 이동축 상에 배열되어 있거나 엑추에이터의 구동요소의 유효이동축과 조작요소의 측면방향 이동축이 걸쳐 있는 평면에 실질적으로 직교하는 평면에 배열되어 있고, 측면방향 이동축에 대칭이다.
또한, 엑추에이터는 전기자(armature) 솔레노이드로 형성되어 있는데, 이 솔레노이드는 제1 여자 코일을 갖는 제1 고정자를 포함하고, 구동요소로서 전기자(armature)를 포함하며, 전기자는 측정 코일을 갖고 있는데, 제1 여자 코일에 의해 생성된 자속이 전기자를 투과할 때 측정 코일에는 측정 전압이 인가되고, 제1 여자 코일과 측정 코일은 평가 및 제어 유닛에 연결되어 있고, 평가 및 제어 유닛에 의해, 제1 고정자의 방향으로 엑추에이터의 구동 요소를 움직이는 힘을 제어하거나 피드백 제어할 수 있고, 구동요소를 휴지 위치로부터 편향시키는 움직임과 구동요소를 휴지 윈치로 복귀시키는 움직임을 제어하거나 피드백 제어할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 실시예에 의하면, 조작요소의 햅틱 피드백을 위해, 솔레노이드로 디자인된 엑추에이터로, 상대적으로 정확하게 그리고 저렴한 비용으로 힘을 측정할 수 있다. 여기에서 솔레노이드는 단일-타이-로드 타입 또는 이중-전기자 타입일 수 있다. 또는, 엑추에이터는 하나 이상의 압전 요소를 포함할 수 있는데, 즉 엑추에이터는 압전성 기능을 발휘할 수 있다.
햅틱 피드백을 위해, 설치 공간 및 비용상의 이유로, 영구자석이 없는 솔레노이드(전기자 자석(armature magnet))가 상기 액추에이터로서 종종 사용된다. 따라서, 이러한 전기자 자석(armature magnet)의 고정자는 전자기적으로 동작되어야 한다. 조작요소의 조작표면의 움직임을 원하는 방식으로 설정하기 위해, 상기 액추에이터에서 시간에 따른 힘의 전개는 정확히 설정할 수 있어야 한다. 또한, 조작요소를 전방으로 및 후방으로 이동시키는 힘을 매번 능동적으로 생성하는 것이 필요할 수 있다. 이것은 2개의 전자기 고정자 사이에 공통 전기자를 갖는 이중 전기자 타입의 솔레노이드에 의해 실현될 수 있다.
자기장이 천천히 변하는 경우, 솔레노이드의 힘은 실질적으로 전기자와 고정자 사이의 에어 갭(air gap) 및 전기자의 전류에 따라 달라진다. 그러나 햅틱 피드백의 경우 힘의 전개는 매우 역동적이어서 1 kHz를 넘는 주파수 성분을 포함한다. 이와 관련하여, 자속(magnetic flux)을 가이드 하기 위해 보통 사용되는 기계 가공용 강(machining steel) 또는 전기 강판(electrical sheet)에서 전류와 힘 사이의 상호 관계는 간단치 않아서, 매우 복잡한 모델링에 의해서만 설명될 수 있다. 또 다른 문제는 조작 표면의 움직임 및 기계적 공차로 인해 에어 갭을 정확히 알수 없고, 따라서 전기자 자석에 발생하는 힘을 대략적으로만 추정할 수 있다는 것이다.
측정 코일에 의해 전기자를 통과하는 자속을 측정하고 측정 코일에서 유도된 전압이 감소하는 것을 측정하는 본 명세서에 설명된 접근법을 사용하여, 이제 전기자의 움직임 및 힘을 제어하거나 피드백 제어할 수 있다. 또한, 전기자의 움직임을 의도하는 방식으로 감쇠시킬 수 있어서, 전기자의 전방 및 후방으로의 움직임이 각각의 단부 위치에서 오버슈트(overshoot)되는 것을 피할 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 전기자가 2개의 전자기적으로 동작되는 고정자 사이에 배열되는 경우 추가적인 장점이 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 이 실시예에서, 전기자는 제2 여자 코일을 갖는 제2 고정자를 포함하고, 2개의 고정자는 상기 전기자의 양측 상에 배열되고, 또한 제2 여자 코일은 평가 및 제어 유닛에 연결되고, 평가 및 제어 유닛에 의해, 구동요소를 제1 고정자 및 제2 고정자의 방향으로 각각 이동시키는 각각의 힘을 제어하거나 피드백 제어하고, 구동요소를 휴지 위치로부터 편향시키는 편향 움직임뿐만 아니라 구동요소를 휴지 위치로 복귀시키는 복위 움직임을 제어하거나 피드백 제어할 수 있다.
본 발명은 도면 및 실시예에 기초하여 아래에서 더 구체적으로 설명할 것이다. 도면들은 아래와 같다:
도 1은 자동차 부품용 조작요소의 개략적인 측면도로서, 조작요소가 디스플레이 요소로 구성되어 있고, 탄성 지지부가 제공되어 있고, 조작요소를 작동시키기 위한 액티브 햅틱 피드백이 제공되어 있는, 도면이며,
도 2는 고정자와 전기자를 구비한 전기자 자석으로 구성된 솔레노이드의 도면으로서, 솔레노이드의 전자기적 특성을 일반적으로 나타내는 도면이고,
도 3은 액티브 햅틱 피드백을 위한, 이중 솔레노이드로 구성된 엑추에이터의 사시도이고,
도 4는 도 3의 솔레노이드에 대하여 있을 수 있는 회로도를 나타내는 도면이고,
도 5 내지 도 8은, 액티브 피드백을 갖는 조작요소의 리턴 움직임에 대하여 리턴 스프링의 배열구조와 디자인(수직면, 수평면 또는 경사면)에 대한 여러 실시예를 나타내는 도면으로서, 질량중심에 대하여 조작요소의 진동을 일으킬 수 있도록 조작요소의 질량중심에 작용하는 회전 모멘트를 서로 상쇄시키기 위한 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1에는, 조작요소(12)를 포함하는 조작유닛(10)에 대한 측면도가 개략적으로 도시되어 있다. 이 실시예에서, 조작요소(12)는 디스플레이 조립체로서 구성되어 있고, 디스플레이 조립체는 다양한 기호필드(16)를 표시하는 조작표면(14)을 구비하고 있다. 보통, 조작요소(12)는 백라이트이다.
수직이동방향으로 작동하면서 움직이도록(양방향 화살표(18)를 참고) 그리고 측면방향으로 작동하면서 움직이도록(도 1에서 양방향 화살표(20)를 참고), 조작요소(12)는 제1 리턴 스프링(22)와 제2 리턴 스프링(24, 24')에 의해 하우징(26)에 탄성적으로 지지된다. 센서(28)에 의해, 조작요소가 수직이동축을 따라 움직였다는 것을 검출할 수 있다. 이는 평가제어유닛(30)에서 검출하며, 이와 관련하여 평가제어유닛은 엑추에이터(32)를 제어할 것이며, 엑추에이터는 구동요소(34)를 포함하며 솔레노이드로 구성되어 있다. 엑추에이터(32)의 정지된 고정자 부분(36)은 하우징(26) 상에 지지되며, 엑추에이터(32)의 구동요소(34)는 조작요소(12)에 기계적으로 결합되어 있다. 구동요소(34)의 유효이동축은 양방향 화살표(38)로 표시되어 있다.
조작요소(12)가 더 크고 더 복잡하게 구성될수록, 더 무거워지고 차지하는 설치공간이 더 커진다. 만약, 조작표면(14) 전체에 대해서 햅틱 피드백이 동일해야만 하는 경우, 조작요소(12)는 햅틱 피드백이 진행되는 동안 평행이동(translation movement)을 독자적으로 수행해야만 한다. 이론적으로, 이러한 것을 가장 간단하게 달성하는 것은, 조작요소(12)의 질량중심(40) 또는 더 정확히 말하면 이동가능하고 탄성적으로 지지되는 부분 시스템의 질량중심에 엑추에이터(32)의 구동요소(34)를 결합시키는 것이다. 하지만, 이는 설치공간상의 조건 때문에 불가능하다.
그럼에도 불구하고, 액티브 햅틱 피드백이 실행되는 동안 조작요소(12)가 독작적으로 평행이동을 할 수 있도록 하고 싶다면, 구성적으로 비교적 간단하게 해결할 수 있는 방법으로서, 조작요소(12)를 포함하는 이동가능한 부분 시스템(41)의 질량중심(40)과, 엑추에이터(32)의 구동요소(34)와, 모든 리턴 스프링(22, 24, 24')의 질량들이 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38) 상에 위치하도록, 엑추에이터(32)를 배열하는 것이 있다. 이러한 내용은 도 1에 도시되어 있고, 도 1은 또한, 작동되기 시작하는 움직임이 검출되고 조작요소(12)의 작동(actuation)이 액티브 피드백에 의해 확인되었을 때 조작요소(12)가 어떻게 능동적으로 움직이는지를 보여준다.
평면(44)에 실질적으로 직교하도록, 조작요소(12)의 측방향 이동축(20)과 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)이 걸쳐 이어지는 평면이 뻗어나간다. 이 평면은, 도 1에서, 도면의 평평한 면에 해당한다.
따라서, 액티브 햅틱 피드백이 일어나는 동안 조작요소(12)의 순수한 평행이동은, 측방향 성분과 수직 성분을 둘 다 포함한다. 피드백 이동이 순수하게 측방향이 아니라는 것은, 햅틱 느낌이 조작요소(12)의 조작표면(14) 전체에 대해 동일해야 한다는 요구사항과 관련하여 중요한 역할을 하지 않는다.
액티브 햅틱 피드백 동안, 중요한 것은, 조작요소(12)가 어떤 회전이동 성분에 영향을 받지 않도록 하여, 공간상에서 조작요소(12)가 평행하게 이동하는 변위가 발생하게 되도록 하는 것이다.
위에서 이미 설명한 것처럼, 특히 설치공간상의 문제와 비용상의 문제로 인해, 조작요소의 햅틱 피드백에 대하여 엑추에이터가 솔레노이드의 형태로 종종 제공된다. 솔레노이드에 의해 생성된 힘은 늘어난 작동력에 의해서만 추정될 수 있고, 실질적으로 솔레노이드의 에어갭과 전류에 의존한다. 솔레노이드에 유효한 관련 조건들에 대해서는 도 2를 참고하여 설명하도록 한다.
도 2에 솔레노이드가 도시되어 있는데, 이 솔레노이드의 고정자(stator)와 액터(actor)는 높은 투과성 물질(보통 기계가공용 강(free cutting steel) 또는 전기 강판(electrical sheet))로 이루어지고, 솔레노이드의 자기장은 전력이 공급된 여자 코일에 의해 형성된다.
이러한 솔레노이드의 힘은 일반적으로 여자 전류 및 에어 갭의 크기로부터 계산된다. 그러나 햅틱 피드백의 경우 힘의 진행은 매우 역동적이며 1 kHz를 초과하는 주파수 성분을 포함한다. 여기서, 자속을 안내하기 위해 보통 사용되는 기계 가공용 강 또는 전기 강판의 경우 전류와 힘 사이의 연관은 간단치 않으며 매우 복잡한 모델링에 의해서만 설명될 수 있다. 또한, 에어 갭은 기계적 공차 및 조작 표면의 움직임으로 인해 정확하게 알려지지 않아서 전기자 자석의 힘의 작용은 대략적으로만 추정될 수 있다. 에어 갭에서의 자속 밀도를 검출하기 위해 측정 코일 및 "맥스웰 인장 강도 식"을 사용함으로써 이 문제를 회피할 수 있는데, 여기서 대체로 전압을 측정하는 것이 전류를 측정하는 것보다 더 저렴하다:
Figure 112019012920895-pct00001
(F - 액추에이터 힘,
Figure 112019012920895-pct00002
- 공기의 투자율, AL - 에어 갭 표면, BL - 에어 갭에서의 자속 밀도)
실제 적용시 에어 갭에서의 자속 밀도의 불균일성이 비교적 낮은 것은 보정 계수(correction factor)에 의해 설명될 수 있으며, 이 보정 계수를 통해서, 간단하게 측정 코일로 힘을 측정할 수 있게 된다:
Figure 112019012920895-pct00003
(t - 시간, C - 에어 갭 보정 계수, NMS - 측정 코일의 권선 수, u(t) - 측정 코일에서 유도된 전압)
유도된 전압을 적분하는 것은 보통 시스템에 존재하는 마이크로제어기에 의해 디지털 방식으로 수행될 수 있다. 따라서 힘은 제어 과정 동안 언제든지 알수 있다.
도 3은 액추에이터(32)의 사시도를 도시한다. 이 액추에이터(32)는 이중 솔레노이드로 구성되며, 제1 고정자(48)와 제2 고정자(50) 사이에 배열된 전기자(46)로서 구현되는 이중 솔레노이드의 구동 요소(34)가 구동 요소(34)가 유효이동축(38)을 따라 2개의 반대 방향으로 힘을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 고정자(48, 50)는 하우징(26)에 고정된 반면, 전기자(46)는 조작 요소(12)에 고정적으로 연결된다. 제1 고정자(48)는 제1 여자 코일(52)을 포함하는 반면, 제2 고정자(50)에는 제2 여자 코일(54)이 제공된다. 전기자(46)는 측정 코일(56)에 의해 둘러싸인다. 전기자(46)의 양측에는 제1 및 제2 에어 갭(58, 60)이 각각 위치된다. 전기자(46)에 작용하는 힘은 매번 일 방향으로 향하여야 하기 때문에, 여자 코일(52, 54)은 동시에 통전되지 않고 번갈아 통전된다. 유효이동축(38)을 따라 두 유효 방향으로 정확하고 저렴하게 힘을 측정할 수 있다.
일례로서, 측정 코일(56)에 유도된 전압을 제어하고 분석하는 것은 분석 및 제어 유닛(30)의 일부를 형성할 수 있는 마이크로제어기(62)에 의해 수행될 수 있다. 마이크로제어기(62)의 회로구성에 대한 일례는 도 4에서 볼 수 있다. 측정 코일(56)에 유도된 전압은 간단히 저역통과부(64)에 의해 먼저 평활화(smooth)되어, 2개의 여자 코일(52, 54)을 교대로 제어하기 위한 PWM 클록(보통 20 kHz보다 더 큰 주파수)을 측정된 신호로부터 제거한다. 이후, 마이크로제어기(62)는 유도된 전압을 검출하고 이 검출된 유도된 전압을 디지털 방식으로 적분한다. 저역 통과부(64)의 제한 주파수는, 힘의 진행(develpoment)의 최고 주파수 성분들보다 충분히 더 높아야 한다.
또한, 각각의 스프링 유효 축(42, 42')이, 질량중심(40)을 통과하는 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 평행하게 뻗어나가도록, 리턴 스프링(22, 24, 24')이 배열된 것을, 도 1과 관련하여 이미 설명하였다. 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 조작요소가 움직이는 동안에, 조작요소(12)의 회전(즉, 조작요소(12)의 질량중심(40)을 통과하여 수평으로 뻗어나가는 축과 수직으로 통과하여 뻗아나가는 축을 중심으로 하는 두 개의 회전)을 방지하도록, 질량중심(40)에서 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 유발되는 회전 모멘트의 합은 0이 되어야만 한다. 이를 위해, 스프링 작용축(42, 42')은 서로 평행하게 뻗어나가야 하고, 유효이동축(38)에 대해서도 평행하게 뻗어나가야한다(도 1의 리턴 스프링(22, 24, 24')의 스프링 힘의 삼각형을 참고).
따라서, (수직) 리턴 스프링(22)의 특성 라인과 (측면) 리턴 스프링(24, 24')의 특성 라인이 일치하고, 질량중심(40)과 리턴 스프링(22, 24, 24')(및 조작요소(12) 상에서의 리턴 스프링(24, 24')의 결합지점)이 완전히 대칭적인 배열구조를 갖는 경우, 질량중심(40)에서, 모든 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 유발되는 회전 모멘트는 조작요소(12)에 작용하지 않는다(도 1 참고, 거리 L1과 거리 L2가 동일함). 그러나, 이러한 설치조건 또는 배열조건에 항상 도달할 수는 없다.
예를 들어, 리턴 스프링(24, 24')이 (즉, 수평면 및/또는 수직면에서) 비대칭으로 배열되는 경우, 레버 아암 때문에 질량중심(40)에서 회전 모멘트가 유발될 것이며, 즉, 질량중심(40)(및 유효이동축(38))에 대한 리턴 스프링(22, 24; 22, 24')의 스프링 작용축(42, 42')(-엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 평행함-)의 거리 때문에, 회전 모멘트가 유발될 것이다. 이러한 회전 모멘트들은, 햅틱 피드백 움직임 중에 질량중심(40)의 주위에서 조작요소(12)의 회전 진동이 일어나는 것을 피하기 위해, 서로 상쇄되어야만 한다.
도 5 내지 도 8은 질량중심(40)의 위치에 따른 다양한 시나리오를 보여주고 있는데, 리턴 스프링(22, 24, 24')의 배열구조(조작요소(12) 상의 리턴 스프링(22, 24, 24')의 결합 지점의 위치) 및/또는 그 탄성력(권선 밀도로 개략적으로 표시됨, 권선의 밀도가 높으면 탄성이 약하고, 다시말해서 밀도가 낮은 권선보다 더 경직된 스프링임)에 의해, 수직면(도 5 및 도 6 참고)과 수평면(도 7 및 도 8 참고)에서, 질량중심(40)을 중심으로 하여 이동가능한 부분 시스템(41)이 진동(oscillation)하는 것을 방지하고 감소시킬 수 있다. 부분 시스템(41)의 양측에 배열된 리턴 스프링(22, 24, 24')의 회전 모멘트는, 수직 및 수평 위치를 선택(도 6 및 도 7 참고) 및/또는 탄성력을 선택(도 5 및 도 8 참고)함으로써, 상쇄시킬 수 있다. 마지막으로, 회전 모멘트는 또한 기계적으로 여기된 이동가능한 부분 시스템(41)의 질량중심에 영향을 미침으로써(예를 들어, 중량을 증가시키거나, 중량 배분에 영향을 미치거나, 등등) 상쇄시킬 수 있다.
부분 시스템(41)의 질량중심(40)에 작용하는 모든 회전 모멘트가 서로 제거될 수 있는 효과에 대해 앞서 언급한 경계 조건은, 2차원적인 문제(수직면 및 수평면)로 인식될 수 있다.
질량중심(40)을 통해 서로 수직으로 서 있는 두 개의 회전축(수평 및 수직)을 중심으로 조작요소(12)가 원치않게 회전하는 것을 막거나 줄이기 위해, 두 쌍의 리턴 스프링(24, 24')을 제공할 필요가 있을 수 있다. 바람직하게는, 이미 앞부분에서 언급한 2017년 1월 24일자 PCT출원 PCT/EP2017/051416에서 설명한 홀딩 프레임에 의해, 조작요소(12)를 하우징(26)에 탄성적으로 결합시킬 수 있다. 이 경우, 예를 들어 PCT출원 PCT/EP2017/051416에서 설명한 두 개의 측면 스프링 아암(리턴 스프링(22, 24, 24')의 기능을 실현함)의 두께, 및/또는 단면 모양 및/또는 길이 및/또는 높이 위치에 의해, 조작요소(12)에 작용하는 회전 모멘트에 영향을 미칠 수 있다.
"조정이 안된(out of tune)" 시스템은 아래의 조치들 중 하나에 의해 최적화될 수 있다:
- 엑추에이터의 작용축에 대한 리턴 스프링의 작용축과 관련하여, 리턴 스프링을 이동(shift)시킴
- 질량중심을 이동시킴(중량을 늘리거나 조작요소의 기하학적 형상을 변화시킴으로써)
- 리턴 스프링으로부터 리턴 스프링으로, 직각방향으로 작용하는 리턴 스프링의 탄성력을 다르게 함
10 조작유닛
12 조작요소
14 조작요소의 조작표면
16 기호 필드
18 조작요소의 수직이동축
20 조작요소의 수평이동축
22 (수직) 리턴 스프링
24 (측방향) 리턴 스프링
24' (측방향) 리턴 스프링
26 하우징
28 센서
30 제어유닛
32 엑추에이터
34 엑추에이터의 구동요소
36 엑추에이터의 고정자 부분
38 엑추에이터의 유효이동축
40 이동가능한 부분 시스템의 질량중심
41 이동가능한 부분 시스템
42 리턴 스프링(24, 22)의 발생되는 스프링 작용축
42' 리턴 스프링(24', 22')의 발생되는 스프링 작용축
44 평면
46 앵커
48 고정자
50 고정자
52 여기 코일
54 여기 코일
56 측정 코일
58 에어 갭
60 에어 갭
62 마이크로컨트롤러
64 저역통과부
L1 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 대한 리턴스프링(22, 24)의 작용축의 (제1) 거리(수직평면에서 본 경우)
L2 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 대한 리턴스프링(22, 24')의 작용축의 (제2) 거리(수직평면에서 본 경우)
L3 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 대한 리턴스프링(22, 24)의 작용축의 (제3) 거리(유효이동축이 걸쳐진 경사진 평면에서 본 경우)
L4 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 대한 리턴스프링(22, 24')의 작용축의 (제4) 거리(유효이동축이 걸쳐진 경사진 평면에서 본 경우)

Claims (8)

  1. 자동차용 조작유닛으로서,
    - 정면부를 갖는 하우징(26),
    - 하우징(26)의 정면부에 배치되고 조작인터페이스(14)를 포함하는 조작요소(12)로서, 상기 조작요소(12)는 조작표면(14)에 대하여 거의 직교하는 수직이동축(18)을 따라 그리고 상기 수직이동축에 대하여 거의 횡단하는 측방향 이동축(20)을 따라, 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 스프링-탄성 방식으로 하우징(26) 상에 또는 하우징(26) 내에 장착되어 있는, 조작요소(12),
    - 수직이동축(18)의 방향에서 조작요소(12)의 작동을 감지하는 하나 이상의 센서(28),
    - 조작요소(12)의 작동이 감지되었을 때 적어도 측방향 이동축(20)에서도 조작요소(12)가 피드백 이동을 할 수 있도록 하우징(26) 내에 또는 하우징(26) 상에 배치되어 있는 엑추에이터(32)로서, 조작요소(12)에 기계적으로 연결되어 유효이동축(38)을 따라 전후진할 수 있고 전기적으로 작동되는 구동요소(34)를 구비하고 있는, 엑추에이터(32), 및
    - 상기 센서(28)와 상기 엑추에이터(32)에 연결된 평가 및 제어 유닛(30)을 포함하고,
    - 상기 리턴 스프링(22, 24, 24')은 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 평행하는 스프링 작용축(42, 42')을 구비하고,
    - 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)이 연장하는 수직평면에서 보았을 때, 또는 조작요소(12)의 질량중심(40) 또는 조작요소(12)에 연결된 엑추에이터(32)의 구동 요소(34)와 조작요소(12)를 포함하는 이동가능한 부분 시스템(41)의 질량중심(40)이 놓여 있는 수직평면에서 보았을 때, 리턴 스프링(24, 24')의 스프링 작용축(42, 42')은, 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)의 양측에서 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 대하여 각각 제1 거리(L1)와 제2 거리(L2)의 간격을 두고 뻗어나가고,
    - 스프링 힘과 관련된 리턴 스프링(22, 24, 24')의 치수와 상기 제1 거리(L1)와 제2 거리(L2)의 치수는, 조작요소(12)의 질량중심(40) 또는 이동가능한 부분 시스템(41)의 질량중심(40)에서 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 작용하는 회전 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수직평면에 직각으로 연장하는 경사진 평면으로서, 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)이 연장되거나 이동가능한 부분 시스템(41) 또는 조작요소(12)의 질량중심(40)이 놓여 있는 경사진 평면에서 보았을 때, 리턴 스프링(22, 24, 24')의 스프링 작용축(42, 42')은, 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)의 양측에서 엑추에이터(32)의 유효이동축(38)에 대하여 각각 제3 거리(L3) 및 제4 거리(L4)의 간격으로 뻗어나가고,
    스프링 힘과 관련된 리턴 스프링(22, 24, 24')의 치수와 상기 제3 거리(L3)와 제4 거리(L4)의 치수는, 조작요소(12)의 질량중심(40) 또는 이동가능한 부분 시스템(41)의 질량중심(40)에서 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 작용하는 회전 모멘트를 실질적으로 상쇄하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조작요소(12)의 질량중심(40) 또는 상기 이동가능한 부분 시스템(41)의 질량중심(40)은, 상기 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조작요소(12)의 측방향이동축(20)과 상기 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)은 상기 조작표면(14)에 실질적으로 직교하는 공통수직평면에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조작요소(12) 아래에 있는 상기 하우징(26)은 설치공간을 포함하며, 상기 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)과 상기 조작요소(12)의 측방향 이동축(20) 사이에 최소각도가 형성되도록, 상기 엑추에이터(32)가 상기 설치공간에 대하여 상기 조작요소(12)의 밑에 가능한 한 가깝게 배열되거나 상기 설치공간에 대하여 상기 조작요소(12)의 질량중심(40)으로부터 가능한 한 멀리 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스프링 작용축(42, 42')은, 상기 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38) 상에 또는 측방향 이동축(20) 상에 배열되거나,
    상기 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)과 상기 조작요소(12)의 측방향 이동축(20)이 위치되어 있는 평면(44)에 배열되며 측방향 이동축(20)에 대하여 대칭인 있는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 엑추에이터(32)의 구동요소(34)의 유효이동축(38)을 따라 피드백 이동중에 상기 조작요소(12)가 추가로 비틀리거나 기울어지지 않도록, 상기 부분 시스템의 질량중심(40) 또는 조작요소(12)의 질량중심(40)에서 리턴 스프링(22, 24, 24')에 의해 작용하는 회전 모멘트가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 조작유닛.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자동차용 조작유닛은 자동차 부품을 제어하는 인포테인먼트 시스템인 것을 특징으로 하는 조작유닛.
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