KR20210135572A - 차량용 조작유닛 - Google Patents
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Abstract
차량용 조작유닛은 하우징과, 하우징에 및/또는 하우징 상에 탄성적으로 장착되는 조작요소를 갖고, 탄성적으로 장착되는 조작요소는 구조에 관련된 공진 주파수를 갖는 스프링-질량 시스템을 형성한다. 조작유닛은 조작요소의 펄스-형태의 기계적인 여기를 위한 액추에이터와, 조작요소를 손으로 작동시킬 때 액추에이터를 제어하기 위한 제어유닛을 더 구비한다. 공진 주파수는 구조에 기인하여 햅틱 피드백 및/또는 인간의 촉각에 대한 수용기에 의해 일반적으로 계속 감지할 수 있는 최대 차단 주파수 보다 높다. 공진 주파수에서 및/또는 공진 주파수의 고조파 중 하나에서 기계적인 펄스의 주파수 스펙트럼은, 차단 주파수 보다 높은 출력밀도 스펙트럼은 에너지가 없거나 실질적으로 에너지가 없다는 점에서 주파수 성분을 갖고 있지 않다.
Description
본 발명은 두 독일특허출원, 2019년3월4일자 독일특허출원 10 2019 106 441.4 및 2019년4월12일자 독일특허출원 10 2019 109 785.1에 대하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 참조로 본 특허출원의 내용에 통합된다.
본 발명은 진동-없는 햅틱 피드백을 갖는 차량용 조작유닛에 관한 것이다.
햅틱 피드백용 시스템은 보통 힘을 인가하는 액추에이터와 힘이 작용하는 기계시스템으로 구성되어 있다. 그에 따른 운동은 사용자가 감지할 수 있다.
이러한 운동이 제1 장소에서 일어나도록, 기계시스템은 보통 스프링이 장착되어 있다. 기계적인 스프링-질량 시스템은 어쩔 수 없이 공진 주파수를 갖고, 공진 주파수에 의해 시스템이 진동할 수 있다.
결과적으로 발생하는 정현파 진동을 느낄 수 있도록 공진 주파수 중 하나를 의도적으로 자극시키는 햅틱 피드백 접근법이 있다. 이 방법의 단점은 보통 그 느낌이 질적으로 떨어지거나 약한 것으로 설명된다는 것이다.
따라서, 기계시스템의 펄스형태의 코스로 이루어진 경로가 선호된다. (도 1의 다이어그램의 실선 참고)
이러한 운동의 프로파일을 달성하기 위해, 시스템의 공진 주파수에 적합하게 된 힘을 여기시킬 필요가 있고, 기본적으로 보통 도 2의 다이어그램처럼 도시된다. 두 개의 최대값들 사이의 거리는 억제되는 진동의 주파수에 정확하게 맞추어져야 한다. 그렇지 않으면, 이러한 진동은 실제 펄스 이후에 추후-진동(post-oscillation)의 형태로 발생할 것이다. (도 1의 다이어그램의 점선 참조) 이러한 추후-진동은 햅틱 피드백의 질을 크게 감소시키며, 따라서 반드시 피해야하는 사항이다.
특정 시점에서 펄스의 형태로 구동부(액추에이터)를 제어하여 진동하는 햅틱 피드백 시스템을 정지상태에 이르게 하려는 시도가 알려져 있다. (예를 들어 DE-A-10 2013 007 962, DE-A-10 2014 019 162, DE-B-10 2007 058 110 및 EP-A-2 348 384 참조).
본 발명의 목적은 실질적으로 진동-없는(oscillation-free) 햅틱 피드백을 갖는 조작유닛을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은,
차량용 조작유닛으로서,
- 하우징과,
- 상기 하우징에 및/또는 상기 하우징 상에 탄성적으로 장착되는 조작요소를 포함하고,
- 상기 탄성적으로 장착되는 조작요소는 구조에 관련된 공진 주파수를 갖는스프링-질량 시스템을 형성하고,
- 상기 조작요소의 펄스-형태의 기계적인 여기를 위한 액추에이터와,
- 상기 조작요소를 손으로 작동시킬 때 상기 액추에이터를 제어하기 위한 제어유닛을 포함하고,
- 상기 공진 주파수는 구조에 기인하여 햅틱 피드백 및/또는 인간의 촉각에 대한 수용기에 의해 계속 감지할 수 있는 최대 차단 주파수 보다 높고,
- 공진 주파수에서 및/또는 공진 주파수의 고조파 중 하나에서 기계적인 펄스의 주파수 스펙트럼은, 상기 차단 주파수 보다 높은 출력밀도 스펙트럼이 에너지가 없거나 실질적으로 에너지가 없다는 점에서 주파수 성분을 갖고 있지 않은 차량용 조작유닛을 제공하는 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 공진주파수가 인간이 촉각을 감지할 수 있는 즉, 기계적인 진동을 "감지"할 수 있는 주파수대역의 바깥에 있도록, 스프링-질량 시스템이 구성된다. 보통, 인간의 햅틱 피드백 및/또는 촉각에 대해 촉각수용기가 감지할 수 있는 차단주파수는 수백 Hz, 예를 들어, 500 Hz 또는 400 Hz 또는 그 정도이다. 본 발명에 따르면, (제1) 공진주파수 (공진 베이스 주파수) 및/또는 공진주파수의 고조파(harmonics) 중 하나에서 기계적인 펄스의 주파수 스펙트럼은 주파수 성분을 갖고 있지 않다. 이것은 예를 들어, 차단주파수 이상의 출력밀도 스펙트럼은 에너지가 없다는 사실 또는 실질적으로 에너지가 거의 없다는 사실이 말해준다. 이것은 공진주파수에서는 스프링-질량 시스템의 여기가 없다는 것을 의미한다.
이미 위에서 설명한 것처럼, 차단주파수는 300 Hz 또는 250 Hz 또는 200 Hz이다.
본 발명의 추가 실시예에서, 아래 공식에 따른 공진주파수는 스프링-질량 시스템의 질량 및/또는 스프링 상수를 선택함으로써 정의할 수 있다:
m은 스프링-질량 시스템의 질량이고, k는 스프링-질량 시스템의 스프링 상수이고, f는 공진주파수를 나타낸다.
조작유닛을 일반적으로 구현하는 경우, 조작유닛은 터치패드나 터치감응표면을 갖는 터치스크린이다.
보통, 조작유닛은 작동압력, 작동력, 연속하는 작동압력 또는 연속하는 작동력에 의하여 유효한 작동인지를 검출하도록 구성되어 있다.
본 발명의 추가 실시예에서, 액추에이터는 텐션 막대자석, 플런저 코일 구동부 또는 압전 구동부로서 디자인될 수 있다.
아래에서, 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 더 설명하도록 한다. 도면에서는 앞에서 이미 설명한 것과 아래에서 설명할 여러가지 다른 다이어그램을 보여준다.
상술한 것처럼, 질량-스프링 시스템은 시스템이 진동하는 공진주파수를 갖고, 그에 따라 여기되면 시스템이 진동한다.
손가락 내의 촉각을 위한 촉각수용기는 약 200 Hz의 차단주파수 아래의 주파수에 대하여 지배적으로 반응한다. 기계시스템의 공진주파수가 모두 이러한 임계값, 예를 들어 200 Hz 이상이 되도록 기계시스템이 디자인될 수 있다면, 촉각적으로 잘 인지할 수 있으면서 전혀 진동할 수 없는 펄스를 생성할 수 있다.
질량-스프링 시스템의 제1 공진주파수는 아래의 공식을 따른다.
따라서, 질량(m)의 크기와 스프링률(k)의 크기를 선택함으로써, 스펙트럼 내의 제1 공진주파수의 위치가 추정되고 능동적으로 영향을 받을 수 있다.
나아가, 공진주파수가 여기되지 않도록 하면서 그러나 손가락으로 인지할 수 있는 펄스는 계속 유발되도록, 여기 신호의 주파수 스펙트럼을 조정할 수 있다. 예를 들어 여기 신호를 선택한 결과로서 도 3에 도시된 커브를 참고할 수 있는데, 이는 도 4에 도시된 출력밀도 스펙트럼을 갖는다. 도 4의 다이어그램의 로그 눈금은 주파수가 증가하면서 (표준화된) 에너지가 현저하게 감소하는 것을 명확하게 보여주고, 따라서 임계값 이상, 예를 들어 200 Hz를 넘는 꽤 큰 값에 대해 고유진동이 여기되지 않게 되어, 목적을 달성하게 된다.
본 발명에 따른 시스템 거동은 댐핑과 전혀 관련이 없다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 본 발명이 기초로 하는 원리는 오히려 "여기되지 않는 것은 억제할 필요가 없다"는 것이다. 이것이 의미하는 것은, 심지어 소위 브레이킹 펄스는 필요하지 않다는 것이다. 대신에, 편향(deflection)은 여기하는 힘을 직접적으로 따라간다.
본 특허출원의 새로운 내용과 장점은 여기 신호, 특히 스펙트럼 성분과 여기된 주파수 스펙트럼의 바깥에서만 진동이 일어나게 하는 기계적인 디자인을 조합한 것이다.
참고문헌
1. DE-A-10 2013 007 962
2. DE-A-10 2014 019 162
3. DE-B-10 2007 058 110
4. EP-A-2 348 384
Claims (6)
- 차량용 조작유닛으로서,
- 하우징과,
- 상기 하우징에 및/또는 상기 하우징 상에 탄성적으로 장착되는 조작요소를 포함하고,
- 상기 탄성적으로 장착되는 조작요소는 구조에 관련된 공진 주파수를 갖는스프링-질량 시스템을 형성하고,
- 상기 조작요소의 펄스-형태의 기계적인 여기를 위한 액추에이터와,
- 상기 조작요소를 손으로 작동시킬 때 상기 액추에이터를 제어하기 위한 제어유닛을 포함하고,
- 상기 공진 주파수는 구조에 기인하여 햅틱 피드백 및/또는 인간의 촉각에 대한 수용기에 의해 계속 감지할 수 있는 최대 차단 주파수 보다 높고,
- 공진 주파수에서 및/또는 공진 주파수의 고조파 중 하나에서 기계적인 펄스의 주파수 스펙트럼은, 상기 차단 주파수 보다 높은 출력밀도 스펙트럼이 에너지가 없거나 실질적으로 에너지가 없다는 점에서 주파수 성분을 갖고 있지 않은 것을 특징으로 하는 차량용 조작유닛. - 제1항에 있어서,
상기 차단 주파수는 300 Hz, 250 Hz 또는 200 Hz인 것을 특징으로 하는 차량용 조작유닛. - 제2항에 있어서,
스프링-질량 시스템의 질량 및/또는 스프링 상수는 아래의 공식에 따른 공진 주파수르 정의하도록 선택되고:
,
m은 상기 스프링-질량 시스템의 질량이고, k는 상기 스프링-질량 시스템의 스프링 상수이고, f는 공진주파수를 나타내는 것을 특징으로 하는 차량용 조작유닛. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조작유닛은 터치패드 또는 터치감응표면을 구비한 터치스크린을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 조작유닛. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조작유닛은 작동압력, 작동력, 연속하는 작동압력, 또는 연속하는 작동력에 기초하여 유효한 작동이라는 것을 감지하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 조작유닛. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액추에이터는 텐션 막대자석, 플런저 코일구동부, 또는 압전 구동부로서 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 조작유닛.
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