具有以改进的方式限制于驱动表面的触觉反馈的操作构件

技术领域

本发明涉及一种具有驱动部件的操作构件，该驱动部件具有用于操作者执行操作输入的驱动表面。检测装置分配给驱动部件，以检测触摸或超过触摸的驱动部件的驱动。

背景技术

驱动被理解为驱动部件在操作者施加的、作用于驱动表面的驱动力影响下的位移。为此，驱动部件通常以能够弹性振动的方式支撑在承载件上，以便一方面能够驱动位移，但也能够激励驱动部件的振动。为了引起强迫振动或至少偏转，所谓的主动触觉反馈，用于触觉地确认先前发生的触摸或驱动，提供了一个可施用电控制信号的驱动器。一般来说，存在的问题是，产生的振动激励不限于驱动表面，并且产生的振动进一步传播到驱动部件，例如作为结构噪声。这有几个缺点：一方面，希望将触觉反馈限制到驱动表面，以便为操作者创建与相应驱动表面的唯一关联。这在其中驱动表面仅构成表面的一部分的广泛表面的情况下尤其有利，或者如果提供了多个驱动表面并且对相应区域的触觉反馈的限制用于操作者在表面上的触觉定向。还存在这样一个问题，即以无阻尼方式传播的结构噪声可能有助于产生不需要的噪声，例如，在操作构件外部的紧固结构中，但由结构噪声产生的二次噪声也可能带来问题。

发明内容

在上述背景下，需要一种用于具有能够振动的驱动部件的操作构件的解决方案，以产生主动触觉反馈，其中以改进的方式将主动触觉反馈限制到驱动表面，并且可以以简单的设计和重量节省的方式实现操作构件。该目的通过根据本发明第一方面提供的操作构件实现。同样有利的应用是本发明第二方面的主题。有利的实施方式在每种情况下都是从属权利要求的主题。必须注意，权利要求中单独引用的特征可以以任何技术上有意义的方式彼此组合，并且代表本发明的其他实施方式。说明书，特别是结合附图，附加地表征和规定了本发明。

本发明涉及一种操作构件。术语“操作构件”应作广义解释，并用于通过人机界面上下文中的可移动驱动部件执行操作输入。

根据本发明的操作构件包括承载件。术语“承载件”应作广义解释，并表示例如用于将驱动部件固定至支撑结构或间接或直接固定至例如机动车部件的部件。例如，承载件被配置为外壳。例如，如果操作构件按预期连接，则操作者看不到承载件。例如，承载件由塑料、金属或金属合金(例如ZAMAK)或其组合形成。

根据本发明的操作构件还具有驱动部件，其被支撑在所述承载件上并且形成面向操作者的可见表面，且在所述可见表面内形成至少一个岛状驱动表面；其中，所述驱动表面由所述驱动部件的悬臂驱动部分形成；所述驱动部分被所述驱动部件的绝缘部分包围，所述绝缘部分与所述驱动部分相比更柔软，从而使得所述驱动部分被支撑为能够相对于所述承载件振动，特别是在垂直于所述驱动表面的方向上。在所述可见表面内的驱动表面的“岛状”布置也被理解为这样的布置，其中所述驱动表面的边缘部分地与所述可见表面的外边界重合，即“岛状”布置不一定需要整体地放置在可见表面的内部。然而，优选地，驱动表面与可见表面的外边界隔开。

根据本发明，操作构件具有检测装置，用于检测在所述驱动表面上的接触和/或检测所述驱动部件的驱动。例如，提供用于检测触摸的电容式触摸传感器系统或用于检测驱动部件的驱动的电阻、电容、电感或光学力传感器。优选地，力传感器是非接触式工作传感器，即悬臂驱动表面不经由力传感器支撑在承载件部件上。

根据本发明，还提供了一种驱动器，从操作者的角度来看，该驱动器固定在驱动部件下方的驱动部分上或背向操作者的一侧，在驱动或触摸的肯定检测的情况下，通过检测装置向其施加电激励信号，以激励驱动部分的振动用于触觉反馈。驱动器为主动驱动器，即可由检测装置提供的电激励信号触发的驱动器，且由于施加脉冲(例如冲击)或对驱动部件的驱动部分施加振动，其能够激励驱动部分的偏转或振动，操作者可通过放置在驱动表面上的手指进行触觉感知。例如，该触觉感知用作已执行的触摸或驱动的确认信号，或用作已执行的切换或控制输入的触觉确认。优选地，驱动器是基于惯性、基于电机的驱动器，例如其旋转驱动轴上相对于其重心偏心地安装有质量的电机，或磁线圈驱动器，或压电驱动器，或线性宽带驱动器，例如音圈驱动器或线性谐振驱动器。优选地，驱动器专用地固定在驱动部件上，例如通过螺钉或粘合。

根据本发明，动态刚度(被理解为局部动态弹性模量和驱动部件的局部厚度的局部熵)沿最大长度为1cm的测量段变化，该测量段从驱动部分引入或穿过绝缘部分并且位于可见表面上，使得对于30Hz和1000Hz之间的连续频率范围，在位于驱动表面内的测量段的开始处确定的第一传递函数与在相同频率范围内位于驱动表面外的测量段的末端处确定的第二传递函数至少相差5dB，优选至少10dB。例如，末端处位于与所述绝缘部分相关联的绝缘表面内，例如位于其最远离驱动表面的外边缘处。例如，确定电激励信号的传递函数，该电激励信号在每种情况下都相同，带宽限制为10Hz至4000Hz，并且配置为白噪声、粉红噪声或多重正弦波。

由于根据本发明的绝缘部分的配置，对于典型用于触觉激励的激励信号的激励频谱，获得了位于驱动部分外的驱动部件区域的振动传递的显著阻尼，因此，在最大频谱范围内将触觉反馈限制到具有驱动表面的驱动部分，且在驱动表面外进行相应的阻尼，使得操作者成功地在位于可见表面的实际驱动表面中触觉地定位触觉反馈。此外，这导致将噪声传递到驱动部分外的区域被最小化。因此，触觉反馈不仅以改进的方式连接到驱动表面的位置，而且从整体上改进。

优选地，旨在用于触觉激励的电激励信号以这样的方式被带宽限制：其激励频谱，即激励信号的幅度频谱，在30Hz和1000Hz之间，优选在40Hz和600Hz之间，并且部分或完全包括至少上述频率范围。优选地，激励信号的整个激励频谱或其80％或其至少大部分位于上述频率范围内。在本发明的意义上，带宽限制意味着激励频谱在最大值附近具有3dB带宽。极限频率设置为最大值的一半，对应于降低到3dB左右。

优选地，动态刚度的变化由垂直于可见表面确定的驱动部件的厚度的变化和/或驱动部件的材料组成的局部变化引起。优选地，这是一种突然变化。如果所产生的动态刚度在沿测量段1mm的距离内至少加倍或最多减半，则认为过渡是突然的或不连续的。例如，突然变化提供波阻抗中的突变，使得发生到驱动部分的反射，从而在噪声从驱动部分转移期间阻尼(衰减)。例如，材料成分和/或驱动部件厚度的突然变化定义了驱动表面的外边界，从而定义了驱动部分。例如，驱动部分的厚度基本恒定，除了可能提供的厚度波动，例如用于连接驱动器的腹板或孔。

优选地，厚度变化由设置在驱动部件朝向远离操作者的一侧的凹槽形成，其中更靠近驱动表面的凹槽的内壁在厚度上突然变化。

优选地，电激励信号的持续时间被限制为小于100ms，优选小于25ms，以便减少激励频谱中的低频分量。

优选地，所述绝缘部分形成为完全围绕所述驱动部分延伸。

优选地，所述驱动部件，至少驱动部分，由由至少两层组成的层结构形成，其中至少两层的弹性模量不同。

在这种情况下，层结构的一层优选为具有层结构的最大弹性模量的材料的高强度层，其基本上平行于驱动表面延伸，例如在驱动器和驱动表面之间。

优选地，在绝缘部分中减小高强度层的层厚度以提供厚度变化。

优选地，高强度层由热塑性塑料形成，例如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯，特别是纤维增强热塑性塑料，以便提供具有相对高刚性的驱动部分。

根据优选实施方式，层结构具有具有层结构的最小弹性模量的材料的高弹性层，其在绝缘部分内具有绝缘部分中涉及的所有层中的最大层厚度，以便提供其柔性。

优选地，高弹性层由热塑性弹性体形成。

优选地，层结构具有用于在绝缘部分中提供材料变化和厚度变化的附加层。例如，该层包括具有比驱动部分中的驱动部件的任何材料更大的声学阻尼效应的材料。

优选地，驱动表面构成驱动部件面向操作者的可见表面的不到一半、优选小于1/5、更优选小于1/10。优选地，驱动表面不超过2cm的最大直径。

根据优选实施方式，提供具有相关联的驱动器和周围绝缘部分的若干驱动部分。因此，根据本发明的实施方式使得即使对于多个驱动表面，由于触觉反馈的局部限制效应，也能够在不需要目视检查的情况下对其进行触觉定位，这在机动车中的应用中尤其有利，因为驾驶员缺乏对大多数连接位置进行目视检查的时间。因此，例如，通过单独配置具有特定激励频谱的触觉反馈，可以向操作者提供基于触觉反馈在可见表面上触觉定位特定驱动表面的可能性。

此外，出于上述原因，本发明涉及在上述实施方式之一中的根据本发明的操作构件在机动车中的应用。

附图说明

参照下图进一步说明本发明。附图仅应理解为示例，并且每个附图仅表示优选实施例。图中：

图1示出了根据本发明的操作构件1的实施例的截面图；

图2示出了第一和第二传递函数的谱表示；

图3示出了基于时间的表示中的电激励信号。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的操作构件1的第一实施例。它用于在人机界面的上下文中通过可移动驱动部件3执行操作输入。

根据本发明的操作构件1包括承载件2。术语“承载件”应作广义解释，并表示例如用于将驱动部件固定至支撑结构或间接或直接固定至例如机动车部件的部件。此处，承载件2被配置为外壳，并且，如果操作构件1按预期连接，则操作者看不到承载件2。承载件2由塑料、金属或金属合金(例如ZAMAK)或其组合形成，并进一步用于固定电路板7，其承载用于触摸或驱动检测的检测装置8、9，例如电容式力传感器8和微处理器9。

根据本发明的操作构件1还具有驱动部件3，该驱动部件3被支撑在承载件2上，并形成面向操作者的可见表面10，并且在可见表面10内形成至少一个岛状驱动表面11，其中驱动表面11由驱动部件3的悬臂驱动部分6形成；并且驱动部分6被驱动部件3的绝缘部分5包围，绝缘部分5与驱动部分6相比更柔软，从而使得驱动部分6被支撑为能够相对于承载件2振动，特别是在垂直于驱动表面11的方向上振动。

根据本发明，还提供了一种驱动器4，从操作者的角度来看，该驱动器4固定在驱动部件3下方的驱动部分6上或背向操作者的一侧，在驱动或触摸的肯定检测的情况下，通过检测装置8、9向其施加电激励信号I(t)，以激励驱动部分6的振动用于触觉反馈。驱动器4为主动驱动器，即可由检测装置8、9提供的电激励信号触发的驱动器，且由于施加脉冲(例如冲击)或对驱动部件3的驱动部分6施加振动，其能够在驱动部分6中激发偏转或振动，操作者可通过放置在驱动表面11上的手指进行触觉感知。例如，该触觉感知用作已执行的触摸或驱动的确认信号，或用作已执行的切换或控制输入的触觉确认。优选地，驱动器4是音圈驱动器或线性谐振驱动器。在所示的实施例中，驱动器4专用地固定到驱动部件3，例如通过螺钉或粘合。优选地，驱动表面11构成驱动部件3面向操作者的可见表面10的不到一半、优选小于1/5、更优选小于1/10。优选地，驱动表面11不超过2cm的最大直径。

由于驱动部件3的结构，动态刚度(被理解为驱动部件的局部动态弹性模量和局部厚度的局部熵)沿最大长度为1cm的测量段变化，该测量段从驱动部分6引入或穿过绝缘部分5并且位于可见表面10上，使得对于30Hz和1000Hz之间的连续频率范围，在位于驱动表面11内的测量段的开始X

由于根据本发明的绝缘部分5的配置，对于典型用于触觉激励的激励频谱，获得了位于驱动部分6外的驱动部件3区域的振动传递的显著阻尼，例如，如图2中标记为X

在这种情况下，旨在用于触觉激励的电激励信号以这样的方式被带宽限制：其激励频谱在30Hz和1000Hz之间、优选在40Hz和600Hz之间并且部分或完全包括至少上述频率范围X

上述动态刚度的变化由垂直于可见表面确定的驱动部件3的厚度的变化和/或驱动部件3的材料组成的局部变化引起。这是突然变化。如果所产生的动态刚度在沿测量段的长度为1mm的距离内至少加倍或至多减半，则认为过渡是突然的或不连续的。在所示实施例中，厚度变化由设置在驱动部件3背向操作者一侧的凹槽12形成，其中，更靠近驱动表面11的凹槽12的内壁在厚度上突然变化。

如图3所示，电激励信号的持续时间被限制为小于100ms，优选小于25ms，以便减少激励频谱中的低频分量。

如图1所示，驱动部件3，至少驱动部分，由由若干层3a、3b、3c的层结构形成，其中至少两层3a、3b的弹性模量不同。

在这种情况下，层结构的一层为具有层结构的最大弹性模量的材料的高强度层3b，其基本上平行于驱动表面11延伸，此处在驱动器4和驱动表面11之间。

此外，在绝缘部分中将高强度层3b的层厚度减小到零，以便提供上述厚度的变化。

高强度层3b由热塑性塑料，例如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯，特别是纤维增强热塑性塑料形成，以提供具有相对高刚性的驱动部分6。

层结构还具有具有该层结构的最小弹性模量的材料的高弹性层4a，该层4a在绝缘部分内具有绝缘部分5中涉及的所有层3b、3c中的最大层厚度，以便提供其柔性。覆盖可见表面10的整个表面区域的层3c仅仅是相对薄的覆盖层，例如透明膜。

在这种情况下，高弹性层3a由热塑性弹性体形成。