特許 7045364 特に車載機器である装置用操作ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-23

(45)【発行日】2022-03-31

(54)【発明の名称】特に車載機器である装置用操作ユニット

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/041 20060101AFI20220324BHJP

   B60R 16/02 20060101ALI20220324BHJP

   G06F 3/01 20060101ALI20220324BHJP

【ＦＩ】

G06F3/041 480

B60R16/02 630L

G06F3/01 560

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019507228

(86)(22)【出願日】2017-07-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-11-14

(86)【国際出願番号】 EP2017067229

(87)【国際公開番号】W WO2018028906

(87)【国際公開日】2018-02-15

【審査請求日】2020-06-08

(31)【優先権主張番号】102016114697.8

(32)【優先日】2016-08-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】508066083

【氏名又は名称】ベーア－ヘラー サーモコントロール ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100120329

【弁理士】

【氏名又は名称】天野 一規

(72)【発明者】

【氏名】シュヴァープ，トビアス

(72)【発明者】

【氏名】パンクラッツ，ハリ

【審査官】梅本 章子

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２７６８７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０４－３６８９１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｆ ３／０１

Ｇ０６Ｆ ３／０３ － ３／０４８９５

Ｂ６０Ｒ １６／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車載機器の操作ユニットであって、
車両のダッシュボード又はセンターコンソール、への取り付けのために設けられる筐体（１０）と、
前記筐体（１０）に弾性支持される操作パネル（１２）と、
前記操作パネル（１２）の操作が検出された際に前記操作パネル（１２）を機械的に励振するためのアクチュエータ（１６）と、
釣り合い錘（２０）とを含み、
前記釣り合い錘（２０）は前記操作パネル（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可能であり、前記筐体（１０）の内部に弾性支持され、
前記釣り合い錘（２０）は、前記操作パネル（１２）が機械的に励振された際に前記筐体（１０）に加わる力を相殺するように移動可能であり、
前記操作パネル（１２）は前記筐体（１０）に弾性支持される表示ユニット（３２）の前面として設計され、
前記釣り合い錘（２０）は前記表示ユニット（３２）を背面から照射するバックライトユニット（３４）として設計され、
前記操作パネル（１２）及び前記釣り合い錘（２０）が、前記操作パネル（１２）の表面と平行な方向に移動するように構成されていることを特徴とする操作ユニット。

【請求項2】

前記アクチュエータ（１６）によって励振された際の前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）の移動ストロークが、
前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）のそれぞれの質量の関係、及び／又は
前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）の重心位置の関係、及び／又は
前記筐体における前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）のそれぞれの弾性支持のばねダンパー要素（３６、３８）、及び／又は
前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）のベクトル的に逆方向の移動ストロークの関数として構成又は決定されることを特徴とする請求項１に記載の操作ユニット。

【請求項3】

前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）の両方を移動させるための共通のアクチュエータ（１６）が設けられており、前記アクチュエータ（１６）は長さ可変のアクチュエータ要素を含み、前記アクチュエータ要素において、前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）の機械的励振のために一方の端部が動作可能に前記表示ユニット（３２）に接続され、他方の端部が動作可能に前記バックライトユニット（３４）に接続されることで２つの前記端部が互いを回避し、前記アクチュエータ要素の長さが変化すると前記表示ユニット（３２）及び前記バックライトユニット（３４）が互いに反対方向に移動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の操作ユニット。

【請求項4】

前記アクチュエータ（１６）が電気機械的又は圧電的に動作する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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特には車載機器である装置用の操作ユニットに関する。本発明は具体的には、能動触覚フィードバックを備え、能動触覚フィードバックによって発生する操作ユニットの振動が相殺又は減衰されるよう力相殺を行う操作ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

自動車における表示アセンブリは、しばしば能動触覚フィードバックを備えている。ここで、無視できない質量を有する操作パネル上でフィードバックがトリガーされる際に、車両上で動的な力伝達が発生するべきではない。動的な力伝達は、配置状況によっては、車両において寄生ノイズ又は寄生振動の原因となるからである。

【0003】

さらに、触覚フィードバックは、車両内の設置部の弾性から大きく独立したものとして構成されている。

【0004】

能動触覚フィードバックを備えた装置は、実質的に、ばねシステムによって装置筐体に弾性設置された操作パネル（例：ディスプレイ）と、操作パネルを撓ませるアクチュエータとから構成される。図１はこのような装置構造に働く力を示す図である。

【0005】

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）で撓ませられる。ここで、ディスプレイの加速ａ_１（ｔ）は３０ｍ／ｓ超の値を取り得て、移動されるディスプレイの質量ｍ_１０．５ｋｇ超と、一般的にこれより小さい筐体の質量ｍ_２とを考慮すると、車両内の装置設置部に無視できない動的力Ｆ_２（ｔ）が働くことになる。

【0006】

剛性の支持部又は設置部（剛性ばねシステムｃ_２、ｄ_２）によって、経時的に急速に変化するこの力は、車両内に望ましくないノイズ又は振動を発生させうる。

【0007】

しかしながら、弾性の設置部（弾性ばねシステムｃ_２、ｄ_２）では、車両内における装置の許容誤差への対応が困難である。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）とそれによるより大きな共振周波数が存在することによって、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。

【0008】

請求項１のプリアンブルに記載された操作ユニットは、独国特許出願公開第ＤＥ１１２０１１１０１５５３Ｂ４号及び米国特許出願公開第ＵＳ２０１３／０１２７７６７Ａ１号から公知である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】独国特許出願公開第ＤＥ１１２０１１１０１５５３Ｂ４号明細書

【文献】米国特許出願公開第ＵＳ２０１３／０１２７７６７Ａ１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明の目的は、寄生ノイズと寄生振動とが改善された、能動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。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上述の目的を達成するために、本発明は、例えば車載機器である装置の操作ユニット、特にはマンマシンインターフェース（ＭＭＩ又はＨＭＩ）、を提供し、操作ユニットは操作パネルを有し、装置、特には車両のダッシュボード又はセンターコンソール、への取り付けのために設けられる筐体と、筐体に弾性支持される操作パネルと、操作パネルの操作が検出された際に操作パネルを機械的に励振するためのアクチュエータと、釣り合い錘とを含み、釣り合い錘は操作パネル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可能であり、筐体の内部及び／又は上部に弾性支持され、及び／又は操作パネルに弾性支持され、釣り合い錘は、操作パネルが機械的に励振された際に筐体に加わる力を相殺するように（すなわち、操作パネルを機械的に励振するアクチュエータの作動時の筐体の移動を実質的に相殺するように）移動可能であり、操作パネルは筐体に弾性支持される表示ユニットの前面として設計され、釣り合い錘は表示ユニットを背面から照射するバックライトユニットとして設計されている。

【0012】

本発明の特徴はバックライト方式のディスプレイを用いることであり、特筆すべきは、光源と、必須ではないが慣例としてバックライトの拡散を均等にするディフューザーと、を含むバックライトユニットが、実際の表示ユニットから分離され、互いから独立して移動可能となっている点である。これにより、表示ユニットとバックライトユニットとのベクトル的に逆方向の励振移動によって、振動の相殺を実現できる。バックライトユニットが何らかのディフューザー特性を有するのでない限り、バックライトユニットと表示ユニットとの間（例えば表示ユニットの後側）に、適切な形でディフューザーが固定的に設けられる。

【0013】

特には、釣り合い錘が操作パネルの励振移動に対して略１８０°の位相シフトが可能であり、少なくとも操作パネルの質量と釣り合い錘の質量との関係を考慮して釣り合い錘の移動ストロークが選択されると有利である。

【0014】

このように、本発明では、表示ユニットとはベクトル的に逆方向に、バックライトユニットが励振可能である。更に、アクチュエータによって励振された際の表示ユニット及びバックライトユニットの移動ストロークが、表示ユニット及びバックライトユニットのそれぞれの質量の関係、及び／又は表示ユニット及びバックライトユニットの重心位置の関係、及び／又は筐体における前記表示ユニット及びバックライトユニットのそれぞれの弾性支持のばねダンパー要素、及び／又は表示ユニット及びバックライトユニットのベクトル的に逆方向の移動ストローク要素又は移動ストロークの大きさ、の関数として構成されると有利である。

【0015】

より有利な実施形態において、表示ユニット及びバックライトユニットの両方を移動させるための共通のアクチュエータが設けられており、アクチュエータは長さ可変のアクチュエータ要素を含み、アクチュエータ要素において２つの端部が互いを回避し逆方向への移動によって端部間の距離が可変であり、表示ユニット及びバックライトユニットの機械的励振のために一方の端部が動作可能に表示ユニットに接続され、他方の端部が動作可能にバックライトユニットに接続されている。

【0016】

本発明によれば、アクチュエータは電気機械的又は圧電的に動作してよい。

【0017】

以下、複数の実施形態と図面を参照し、本発明を更に詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】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。

【図2】本発明において釣り合い錘を補償質量として用いた際に発生する力の模式図である。

【図3】操作ユニットにおける、無反力触覚フィードバックの構造の模式図である。

【図4】機械的設置部に合力又はトータルインパルスを発生させることなく操作面にインパルスを伝達する機械的構造の模式図である。

【図5】圧電的に動作するアクチュエータを備えた、図４の機械的構造の模式図である。

【図6】操作力を検出する装置によって図４の構造の概念を拡張した図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１から３を参照して、触覚フィードバックを備えた操作ユニットの質量補償の概念について一般的なアプローチを行う。
本発明によれば、筐体１０に加えられる力を相殺するために、アクチュエータ１６と筐体１０との間に、ばねダンパー要素２２と、このばねダンパー要素２２に弾性支持され移動可能な釣り合い錘２０を使用することが提案される（図１及び図２）。

【0020】

追加したばねダンパー要素２２のばね定数ｃ_３、釣り合い錘２０の質量ｍ_３、及びばねダンパー要素２２の減衰ｄ_３の設計により、車両に働く力Ｆ_２（ｔ）を除去可能である（重力により発生する静的力はノイズ又は振動の発生に影響しない）。

【0021】

任意に決定された操作パネル１２の移動ストロークｘ_１（ｔ）に関し、装置の筐体１０の移動ストロークｘ_２（ｔ）／ｍｏｖｅｍｅｎｔならびに車両への筐体連結部１８に加わる力Ｆ_２（ｔ）は、以下の条件で除去できる。

【0022】

これにより釣り合い錘２０が撓み、その移動ストロークｘ_３（ｔ）は以下となる。

【0023】

これらの条件下では、装置固設置部１８の弾性も、触覚フィードバックには影響しない。釣り合い錘２０の質量ｍ_３は、通常、設置スペースの仕様によって制限を受け、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。

【0024】

本発明は以下のことを可能にする。
周囲に動的な力を加えることなく、質量を有する面に触覚フィードバックを生成すること。
操作装置において、装置設置部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。

【0025】

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。

【0026】

図示された実施形態において、アクチュエータ１６はプルマグネットとして構成され、筐体１０にばねダンパー要素２２を介して連結されている固定子コア２６と、操作パネル１２に固定的に連結されている電機子コア２８とを有する。固定子コア２６は移動可能な釣り合い錘２０を構成する。固定子コア２６と電機子コア２８との空隙を調整する際、操作パネル１２及び固定子コア２６（釣り合い錘２０）の互いに対する最大移動ストロークを考慮する必要がある。固定子コア２６は筐体１０においてばねダンパー要素２２によって弾性的に支持されているが、操作パネル１２に弾性的に連結されてもよい。

【0027】

以下、図４～６を参照し、ディスプレイ及びバックライト方式の操作要素を有する操作ユニットの考えうる機械的構造を詳述する。これらの図面で用いられている図１～３と同じ参照符号は、構造又は機能の上で図１～３と同じ要素を指している。

【0028】

図４を参照すると、アクチュエータ１６は作動されると力を生成し、これに連結された２つの別々の部品（（例えばＬＣＤ）表示ユニット３２と、表示ユニット３２用のバックライトユニット３４）を加速及び移動する。表示ユニット３２及びバックライトユニット３４の移動ストロークは、ｘ_１及びｘ_２で示されている。アクチュエータ１６の実質的な特徴は、表示ユニット３２とバックライトユニット３４を移動させ、互いに対して１８０°の位相シフトを行うことである。この目的のために、アクチュエータ１６は例えばソレノイド、圧電素子等として設計されてよい。図４に示されたアクチュエータ１６の配置は考えうる実現の一形態である。一般に、アクチュエータ１６の統合は、結果としての表示ユニット３２とバックライトユニット３４の移動ストロークｘ_１及びｘ_２のトリガーによってのみ決定され、これは例えばバックライトユニット３４の下にアクチュエータ１６を配置することによって行われうる。

【0029】

図５は圧電アクチュエータ１６を含む実施形態を図示する。アクチュエータ１６は、電圧が加えられると機械的に変形する圧電材料３５を含む。表示ユニット３２とバックライトユニット３４とは、アクチュエータ１６の圧電材料３５の別の側に機械的に連結されている。

【0030】

表示ユニット３２は、ユーザによって接触されるよう構成された面（操作パネル１２）を有する。バックライトユニット３４はユーザによって接触されることはなく、表示ユニット３２の接触可能な面と表示ユニット３２自体とから分離される。アクチュエータ１６による励振の後、それぞれの入力手段（例えば指）への力（例えばインパルス）の伝達を通じて、ユーザは表示ユニット３２のフィードバック移動を感知する。このように、操作ユニットの有効な操作に続いて触覚フィードバックが実現される。

【0031】

トータルインパルス及び合力のない筐体１０内の機械的固定は、以下の場合に達成される。
表示ユニット３２が、バックライトユニット３４とはベクトル的に逆方向に移動する。例えば、表示ユニット３２は正のＸ方向に移動し、バックライトユニット３４は同時に負のＸ方向に移動する。
表示ユニット３２とバックライトユニット３４とをそれぞれ筐体１０に弾性固定するばねダンパー要素３６及び３８が、表示ユニット３２の局所的インパルスとバックライトユニット３４の局所的インパルスとが、総合すると互いに打ち消し合うように設計されている。

【0032】

一般に、このアプローチでは以下は必須ではないが、除外もされない。
表示ユニット３２の質量とバックライトユニット３４の質量が等しいこと。
表示ユニット３２とバックライトユニット３４とが同一の経路（ｘ_１、ｘ_３の絶対値による）であること。
ばねダンパー要素３６と３８とが同一であること。

【0033】

具体的には、操作要素は以下の構造を有する。
２つの直線偏光子、ＴＦＴ、カラーフィルターガラス、ＬＣ、及びその機能に関連する全ての部品を含むユーザ面、例えばタッチセンサー及びＬＣＤ表示ユニット３２のＬＣディスプレイのＬＣセルが接着されたカバーガラス。
光学ディフューザー層、ＬＥＤ、及び全ての関連部品を有するＬＣディスプレイのバックライトユニット３４（バックライト）。

【0034】

表示ユニット３２及びバックライトユニット３４が互いに対して相対移動できない従来技術のＬＣディスプレイと比較して、本発明は両部品間の自由な移動を可能にしている。両部品が、バックライトディスプレイとして知られるそれぞれの機能を完全に果たす。更に、表示ユニット３２及びバックライトユニット３４の相対移動は、光の漏洩や光の封止といった光学的悪影響が見られない程度に小さいものである必要がある（それぞれ１ｍｍ未満の移動）。弾性ベゼル（例えば軟質ゴムの裏張り）により、ディスプレイへの埃及び／又は水分の侵入が防止される。弾性ベゼルは更に、バックライトユニット３４からの光の漏洩を防止する。

【0035】

表示要素（ディスプレイ）を有する装置における、バックライトユニットを含む表示要素全体が移動する触覚フィードバックの従来技術と比較すると、本発明は、ユーザ面、バックライトユニット、及びこれに機械的に連結される部品の重量に関連する、移動される質量が少なくて済む。更に、バックライトユニット３４は、表示ユニット３２の釣り合い錘２０として、またそれにより、トータルインパルスを受けることがないような装置全体の設計のために不可欠な部品として、機能する。特に、トータルインパルスを除去するための追加の釣り合い錘が必要ないため、システム全体の重量が軽減される。

【0036】

ユーザ面に接続される部品の質量が小さいため、同じアクチュエータ１６を用いても、ユーザに対してより強力な触覚フィードバックを行うこと、もしくは、感覚的に同じフィードバックを行うことが可能なより小型のアクチュエータ１６を設計することが可能になる。

【0037】

要約すると、上述の本発明は、操作パネル表示ユニット３２から装置環境にインパルス又は力を伝達させることなく、ユーザ面に触覚フィードバックを提供する。これは、ＬＣディスプレイを分割すること、ならびに、ユーザ操作面を有する表示ユニット３２に対する釣り合い錘２０としてもバックライトユニット３４（バックライト）が機能することによって実現される。

【0038】

図６は、ユーザが表示ユニット３２を操作した際の操作力の検出によって、図４及び５の概念を拡張したものを図示している。

【0039】

操作力を検出するには、例えば複数対の光学トランスミッター４２とレシーバー４４とからなり、例えば容量的、抵抗的、誘導的、又は光学的に動作する距離センサーシステム４０を用いることができる。ユーザ側の行動によって、操作パネルの手動操作に際して表示ユニット３２とバックライトユニット３４との間の相対距離ｚが変化し、観察可能な一又は複数のトランスミッター４２及びレシーバー４４のシステムを用いてこの変化を検出することができる。

【0040】

上述の特殊なＬＣディスプレイへの距離センサーシステム４０の統合は、例えば表示ユニット３２とバックライトユニット３４のそれぞれのベゼル（枠）において行われる。

【符号の説明】

【0041】

１０ 筐体
１２ 操作パネル
１４ 操作パネルと筐体とを弾性連結するばねダンパー要素
１６ アクチュエータ
１８ 車両への筐体連結部
２０ 釣り合い錘
２２ ばねダンパー要素
２４ 車両または車両のダッシュボード
２６ アクチュエータとして構成されたプルマグネットの固定子コア
２８ プルマグネットの電機子コア
３０ 触覚フィードバック時の移動のための操作パネルガイド
３２ 表示ユニット
３４ バックライトユニット
３５ 圧電材料
３６ ばねダンパー要素
３８ ばねダンパー要素
４０ 距離センサーシステム
４２ 距離センサーシステムのトランスミッター
４４ 距離センサーシステムのレシーバー
ｍ_１ 操作パネル１２の質量
ｘ_１（ｔ） 操作パネル１２の移動ストローク
Ｆ_Ａｋｔ（ｔ） アクチュエータ１６の力進行
Ｆ_１（ｔ） 励振時に筐体１０に加わる操作パネル１２の力（Ｆ_１（ｔ）＝Ｆ_Ａｋｔ－ｍ_１ｘａ_１）
ｃ_１ ばねダンパー要素２２のばね定数
ｄ_１ 操作パネル１２の筐体１０へのばねダンパー要素の減衰
ｍ_２ 筐体１０の質量
ｘ_２（ｔ） 機械的に励振された操作パネル１２によって発生した力による筐体１０の移動ストローク
Ｆ_２（ｔ） 筐体連結部１８に加わる力
ｍ_３ 釣り合い錘２０の質量
ｘ_３（ｔ） 釣り合い錘２０の移動ストローク
Ｆ_３ 釣り合い錘２０から筐体１０に加わる力
ｃ_３ 釣り合い錘２０の筐体１０へのばねダンパー要素２２のばね定数
ｄ_３ 釣り合い錘２０の筐体１０へのばねダンパー要素２２の減衰
ｚ 表示ユニット３２とバックライトユニット３４との間の距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】