操作装置，尤其触摸板形式的操作装置的制作方法

这种操作装置可以作为例如(尤其是在机动车辆中的)触摸板使用。这样，这类操作装置可以设置在例如机动车辆的中心控制台中，并用于控制机动车辆中的显示屏。这种操作装置也可以作为显示屏的一部分以触摸屏的形式使用。

这种操作装置具有借助于元件进行手动操作的操作表面。该元件可以是人手的手指，以通过使用者的手指在操作表面上的相应的动作来控制例如显示屏上的光标。然而，该元件也可以是触笔。传感器与操作表面相互作用，使得传感器在该元件接近操作表面时和/或在通过该元件接触操作表面时和/或在通过元件在操作表面上施加压力时产生信号。该信号用于以开关信号的形式切换和/或触发功能。此外，致动器可操作地连接到操作表面，使得操作表面能够通过致动器的驱动而运动，从而产生操作表面的触感。换言之，通过致动器的控制可以产生对操作表面的触感，以便由此为用户在操作表面上的动作提供可感知的反馈。

然而，这只是操作表面的简单运动，其使得现有的可感知的反馈经常被用户批评为不够充分。除此之外，致动器通过例如方波信号或以开/关切换过程的方式的跳跃信号控制，仅为了激发操作表面的振动，该振动会在控制结束后根据其固定的弹簧-质量-阻尼系统自由地衰减和消退。如果需要，可以额外地设置个别机械、液压等减振器用于抑制振动的消退行为，该行为一方面导致灵活性降低，另一方面引起成本增加。

本发明的目的在于通过以下方式进一步改进操作装置，即增加触觉感知的多样性和/或改进触觉感知的功能。

该目的通过具有权利要求1的技术特征的操作装置来实现。

在本发明的操作装置中，致动器是通过电驱动的。致动器可通过脉冲宽度调制pwm-控制信号驱动，使得操作表面可以以预选的方式运动。尤其地，操作表面可以由此在预选的路径内和/或在预选的时间内和/或在预选的形式内运动。有利的是，通过适当选择的脉冲宽度调制pwm-控制信号的形状和/或形式，可以以简单的方法和方式为操作表面产生用户期望的各种触感。由于可产生多种不同的触感，可以根据操作装置的各种操作向用户提供特定的反馈。本发明其他的实施方案是从属权利要求的主题。

在简单的实施方案中，电动致动器可以是电磁铁、电动机、压电元件等。如果电磁铁作为致动器使用，那么可以为此使用起重磁铁，由此可以实现操作装置的特别紧凑的设计方案。

如前所述，致动器用于操作表面适当的运动。如果需要，可以替代地和/或附加地设置致动器来延缓操作表面的运动。在这种情况下，致动器可通过pwm控制信号驱动，以使操作表面以可预先选择的衰减方式运动。例如，可以由此通过一种简单的方法和方式防止在触感输出结束时操作表面的不希望的余振。

对于用户的特别符合人体工程学的人类感觉到的触感，pwm-控制信号的信号形式可以包括具有衰减的信号强度的频率调制信号。为了以简单的方法和方式产生操作表面预选的运动，pwm-控制信号的参数，尤其是其起始频率、终止频率、强度分布、调制信号形式等是可以变化的。为了产生特别明显的触觉，可以至少两个pwm-控制信号(尤其是以频率调制的控制信号的形式)相互叠加。由此可以增强和/或减弱操作表面的部分运动，如初始脉动、振动持续时间、振动衰减等等。

在简单的以及低成本的实施方案中，致动器可通过开关晶体管与用于驱动致动器的电压源电连接。此外，可以设置控制器形式的控制电路，用于通过pwm-控制信号来控制开关晶体管。由此以有利的方式为致动器和/或开关晶体管实现电气简单的、功能可靠的以及成本较低的pwm-控制。

此外，本发明提供了一种用于驱动(尤其适合于机动车辆的)操作装置的方法。该操作装置具有通过元件进行手动操作的操作表面，其中，该元件尤其是指人手的手指，以及与操作表面共同作用的传感器，使得该传感器在该元件接近操作表面时和/或在通过该元件接触操作表面时和/或在通过该元件在操作表面上施加压力作用时，产生用于切换和/或触发功能的(尤其呈开关信号形式的)信号。电动致动器可操作地连接到操作表面，使得操作表面通过致动器的驱动而运动，以便产生操作表面的触觉感觉。换句话说，通过致动器的控制产生操作表面的触觉感觉。根据本发明，致动器借助于控制信号驱动，该控制信号不同于开和/或关过程形式的跳跃信号。优选地，不同于跳跃信号的控制信号是脉冲宽度调制pwm信号，使得致动器通过脉冲宽度调制pwm信号驱动。如此，操作界面以可预选的方式，尤其是在可预选的路径内和/或在可预选的时间内和/或在可预选的形式内运动。

在其他用于驱动操作装置的方法的实施方案中，可以通过pwm-控制信号如此驱动致动器，即，操作表面以可预选的衰减方式运动。这样可以有效地防止在操作表面的触感反馈之后操作表面所不需要的余振。此外，可以调节pwm-控制信号的参数，尤其是其起始频率、终止频率、强度分布、调制信号形式等，以产生操作表面预选的运动。最后，至少两个pwm-控制信号(尤其是以频率调制的控制信号的形式)可以相互叠加。由此可以以简单的方法和方式增强和/或减弱操作表面的部分运动，如初始脉动、振动持续时间、振动衰减等。

以下是本发明的操作装置的尤其优选的实施方案。

操作组件的(例如与计算机鼠标垫的功能相对应的)操作表面可以设置有主动触感，以便能够向用户传达不同种类的触感事件。这种具有主动触感反馈的系统应当尽可能脉冲控制地再现触感的反馈，其应当近似于例如机械开关。这种主动触感通过其偏差可以电控的电动致动器产生，例如在具体案例中的起重磁铁。由此控制电动致动器用于产生触感事件。

此外，不同种类的触感事件的目的是为操作者提供触感的反馈。例如，用户在反馈中可以获得他好像操作机械的操作元件的印象，例如操作传统的短行程按键或者转动具有钩合台阶的计算机鼠标滚轮。

根据所需效果，操作表面必须为此以完全确定的方式，在特定时间内和/或在特定路径内运动。在这种情况下的挑战在于，操作表面作为机械结构上预先设定的组件具有作为弹簧-质量-阻尼系统的特殊性质，在较短的时间内迅速加速并且再次静止。其中，为了表现不同的运动形式，应当可以有变化。

为了以最佳的方式在同一装置中产生不同要求的运动形式，使用机械的和/或其他个别的用于振动衰减的阻尼器，简单电控信号是不够的。因此也可以利用控制致动器来产生衰减，以通过最佳的方式产生操作表面的相应的运动形式。尤其地，可以通过相应的用于反相控制致动器的控制信号形式来有效地衰减机械振动。这样，可以针对每种运动模式形成各自最佳的衰减。

致动器通过不同的pwm-信号驱动。在扩展中，根据本发明的方案可以有特殊形式的pwm-信号，尤其地，其中致动器控制信号的信号形式具有信号强度衰减的频率调制。通过具有与固有频率振动相匹配的频率调制的振动和/或阻尼谐波振动的激发，可以实现触感系统质量的迅速加速和/或随后迅速衰减。控制信号的所有参数，尤其是起始频率、终止频率、强度分布、调制信号形式等，可以为了展现操作表面所期望的运动形式而改变或变化。尤其地，为了以最佳方式和/或根据需要设计触觉效果，控制信号可以因此具有以下优化参数：

-强度

-阻尼

-起始频率

-目标频率

-频率分布

为了有目的地加强部分特性，例如起始脉冲、驱动系统的振动持续时间、，振动衰减等，可以将这些频率调制信号中的两个和/或更多彼此叠加。

本发明的优点尤其在以下方面：

-操作表面无需机械阻尼。

-可以通过少数参数产生多种触感效果。

-可以对触感效果进行良好的控制。

-可以通过使用开关晶体管来实施使用电气简单且高效的pwm-控制。

-本发明的频率调制的致动器控制信号可以由于其频率调制的控制信号形式直接作为可调节的主动振动阻尼器。

-通过本发明的控制信号，为设计操作表面的运动模式提供了新的机会，这是以前不可能的。

-不同的触觉效果，例如从游戏控制台中已知的那样，用于模拟所谓的“力反馈”，可以利用控制信号形式单独在单个操作装置中产生，其方式比使用目前为止可能的控制信号更加多样化。

-本发明的方案成本低，尤其是因为其可以通过纯电子软件-方案来实现。

具有不同的改进和实施方式的本发明的实施案例体现在附图中并且在下方详细描述。附图显示：

图1包括操作表面和致动器的操作装置的透视图，

图2示出了沿着图1中的线2-2的剖面图，

图3示意性地示出了用于控制致动器的电路图，

图4a示出了(现有技术)致动器的传统控制，

图4b示出了在控制图4a的致动器时操作表面的时间-路径-图，

图5a示出了通过pwm-控制信号为致动器产生的控制信号，

图5b示出了当使用图5a的控制信号驱动致动器时操作表面的时间-路径-图，

图6-8示出了致动器的控制信号，其选择具有不同的参数，

图9示出了具有恒定的直流分量的pwm控制信号，和

图10示出了具有余弦函数形式的直流分量的pwm控制信号。

如图1所示，可以看到(尤其用于机动车辆的)触摸板式的操作装置1。该操作装置1具有壳体13，在其的可手动接触的表面14上具有操作表面2。用户可以通过借助于元件5在操作表面2上按照规定手动操作操作装置1。元件5可以是人手6的手指5，使得通过手指5的相应的运动可以实现特定的操作。例如，操作装置1可以安装在机动车辆的中央控制台中并且用于操作机动车辆中的导航系统、显示屏等。操作装置1可以通过插接件15连接在例如机动车辆中的总线系统上。

操作装置1设置有与操作表面2相互作用的传感器7(如图2所示)。图2中示例性地和仅图解地绘制的传感器7是电容式传感器。当然，传感器7也可以通过红外射线，通过霍尔效应或者通过其他的传感器原理工作。在元件5(这里例如用户的手6的手指5)接近操作表面2时和/或在通过元件5接触操作表面2时和/或在通过元件5在操作表面2上施加压力时，传感器7产生信号4，其通过插接件15传递给机动车辆中的控制器。之后信号4(例如以开关信号的形式)用于切换和/或触发和/或选择机动车辆中的功能。

操作装置1的操作表面2以可沿方向3运动的方式安装在壳体13中。为此，根据图1，操作表面2设计成与壳体13的四周边缘区域8具有微小缝隙8’。如在图2中进一步看到的，电动致动器9可操作地连接到操作表面2，使得操作表面2可通过致动器9按着方向箭头3运动。通过适当地控制致动器9，可以随后产生操作表面2的触感，其中通过致动器9的驱动操作表面2因此而运动。上述电动致动器9为电磁体，特别是起重磁铁，其具有设置有复位弹簧11的，在操作表面2上作用的电枢10。电机、压电元件或者类似物也可以代替电磁铁9，作为致动器使用。

致动器9可通过不同于跳跃信号的控制信号驱动，其中控制信号以有利的方式或者优选的方式是电的脉冲宽度调制pwm-控制信号18(请参见图10)。为此，致动器9通过开关晶体管16与为了驱动致动器9而设置的电压源12电连接(如图3所示)。此外，设置控制器的形式的控制电路17，用于通过pwm-控制信号18控制开关晶体管16，使得与pwm-控制信号18相应的控制信号18’(请参见例如图5a)在致动器9以及电磁铁9的线圈上起作用。电枢10由此反过来运动，并且利用后者，操作表面2对应于pwm-控制信号18或由pwm-控制信号18引起的控制信号18’运动(例如请参见图5b，其中展现了操作表面2的最终加速)。具体地，操作表面2可借助于适当选择的pwm控制信号18以可预选的方式运动，尤其是在可预选的路径内和/或在可预选的时间内和/或在可预选的形式内。此外，致动器9也可以通过pwm-控制信号18如此驱动，使得操作表面2可以以相应的可预选的衰减方式运动。

在图5a中示范性地展现了控制信号18’，其信号波形包括具有信号强度衰减的频率调制。具体地，例如控制信号18’展示了从100hz下降到90hz的频率调制fm-控制，即从起始频率到目标频率的线性调制。如进一步地在图5b中所看到的，其中展现了操作表面2的最终加速，在这种情况下，操作表面2相应地移动两个运动脉冲19a、19b。在这种情况下，如从其他运动曲线21可以看出的那样，随后不会出现操作表面2的余振。

相反，现有的致动器9的控制，由于其电源电压或电磁体9的线圈电流的简单接通和断开，也就是说根据跳跃信号23或如图4a所示的方波信号23，其中最大的能量可能被提供给致动器9，在两个运动脉冲19a，19b之后会出现长的余振20(如图4b所示)。在这种情况下，缺点是激发了包括操作表面2和致动器9的触觉系统的不受控制的宽的频谱和不受控制的瞬态响应(频率和阻尼)。该触觉系统不受控制的振动，这是不需要的，并且在最坏的情况下，会导致振动和背景噪声。因此，这种传统的触觉系统的阻尼完全基于其机械设计。

为了产生操作表面2的各种预选运动，可以相应地改变控制信号18’以及pwm-控制信号18的参数。这些参数尤其涉及到控制信号18’以及pwm-控制信号18的起始频率、终止频率、强度分布或调制信号形式等。例如，在图6到8中看到的控制信号18’。如此，图6示出了具有频率调制(即具有从起始频率到目标频率的线性调制)的控制信号18’。图7展示了具有非调频控制的控制以及指数衰减的衰减振动形式的控制信号18’。在这种情况下，选择比图6中所示的更高的输出频率。在图8中，可以看到具有阻尼频率调制形式的控制信号18’，其中控制信号18’由调频控制和指数衰减的组合而成。在这种情况下，输出频率和目标频率与图6中的参数一致。

通过适当地组合和优化参数可以使得包括操作表面2和致动器9的触觉系统的质量以最佳方式加速并且随后再次快速静止，同时抑制振动和余振。例如，这样的控制信号18’可以由衰减和调频的控制组成。最后，两个和/或多个控制信号18’或者pwm-控制信号18(尤其是调频控制信号)也可以相互叠加。由此可以有目的地增强和/或减弱操作表面2的部分运动，如其起始脉冲、振动持续时间、振动衰减等。

用于产生控制信号18’的pwm-控制信号18起到对于电磁铁9的线圈的可变强度的控制，其中该强度通过pwm-信号18的占空比控制。电磁铁9的线圈形成使得pwm-信号18变平滑的低通滤波器，从而获得相应的直流分量22，其中直流分量22又用作用于驱动电磁体9的控制信号18’。在图9中示出了在低通滤波之后具有直流分量22的pwm-信号18的案例。这里涉及到具有16.6％占空比的pwm-信号18，由此产生具有16.6％的强度用于控制致动器9的随时间恒定的直流分量22。在图10中，作为其他的案例，可以看到pwm-信号18具有余弦函数形式的占空比分布。由此产生作为控制致动器9的控制信号18’的直流分量22，其强度在时间上是余弦函数的形式。与致动器9关联的操作表面2的运动的时间顺序又与直流分量22的强度分布和/或频率调制相对应。

总之，由此可以确定，操作装置1可以通过以下方式驱动，即电驱动与操作表面2可操作连接的致动器9。此外，通过不同于跳跃信号以及矩形信号23的控制信号，尤其是通过脉冲宽度调制pwm-控制信号18驱动致动器9，使得操作表面2以可预选的方式，尤其是在可预选的路径内和/或在可预选的时间内和/或在可预选的运动形式内运动，以便产生操作表面2的触感。

本发明不限于所描述和描绘的示例性实施例。相反，它还包括在由专利权利要求限定的本发明的框架内本领域技术人员熟悉的所有改进。这样，本发明的操作装置1不仅可以用作机动车辆的触摸板，还可以用作计算机中的面板和/或显示屏，也可以用于家用电器、音频设备、视频设备、电信设备、游戏机等。

附图标记列表：

1：操作装置

2：操作表面

3：方向/方向箭头

4：信号

5：元件/手指

6：手

7：传感器

8：边缘区域

8’：缝隙

9：致动器/电磁铁

10：(电磁铁的)电枢

11：(电磁铁的)复位弹簧

12：电压源

13：(操作装置的)壳体

14：(壳体的)表面

15：(在壳体上)插接件

16：开关晶体管

17：主控制器

18：pwm-控制信号/pwm-信号

18’：控制信号

19a，b：运动脉冲

20：(现有技术)余振

21：运动曲线

22：(pwm-信号的)直流分量

23：(现有技术)跳跃信号/矩形信号