(57)【要約】  枠（１６）を有する筐体（１４）と、縁部（２２）を有する透明なカバー板（１８）を有するディスプレイ（６２）とを備える車載機器用操作ユニット（１０）が提供される。カバー板（１８）に屈曲波を導入するための複数のアクチュエータ（２４）は、カバー板（１８）の縁部（２２）に沿って配置される。接触面（３４）は、カバー板（１８）上で各アクチュエータ（２４）に割り当てられ、カバー板（１８）に屈曲波を導入するためにこの接触面を介してアクチュエータ（２４）がカバー板（１８）に作用する。複数のアクチュエータ（２４）によってカバー板（１８）に導入された屈曲波は、カバー板（１８）にて重ねられ、触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造をカバー板（１８）に与える。複数の接触面（３４）はそれぞれ、筐体（１４）の枠（１６）から距離を置いて配置され、これにより、カバー板（１８）への屈曲波の導入、及び／又はカバー板（１８）内の屈曲波の伝播が、上記距離の大きさから生じる波長又は周波数のために減衰される。上記距離は、可聴周波数範囲内の周波数を有する屈曲波が減衰するように選択される。【選択図】図１
2020509482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車載機器用操作ユニット、特に車両用ヒューマンマシンインターフェース（ＭＭＩ又はＨＭＩ）であって、
枠（１６）を有する筐体（１４）と、
上記筐体（１４）内及び／又は上記筐体（１４）に配置されるディスプレイ（６２）であって、上記枠（１６）で囲まれる縁部（２２）を有する透明なカバー板（１８）を含むディスプレイ（６２）と、
上記筐体（１４）内及び／又は上記筐体（１４）に配置されるタッチセンサシステム（４０）と、
上記カバー板（１８）に屈曲波を導入するために、上記カバー板（１８）の縁部（２２）に沿って隣接して配置される複数のアクチュエータ（２４）と
を備え、
上記カバー板（１８）上の上記アクチュエータ（２４）それぞれに１の接触面（３４）が割り当てられ、上記カバー板（１８）に屈曲波を導入するために上記接触面（３４）を介して上記アクチュエータ（２４）が上記カバー板（１８）に作用し、
上記複数のアクチュエータ（２４）によって上記カバー板（１８）に導入された屈曲波が上記カバー板（１８）内で重ねられ、かつ、触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造を上記カバー板（１８）に与え、
上記複数の接触面（３４）が、それぞれ上記筐体（１４）の枠（１６）から距離を空けて配置され、これにより、上記カバー板（１８）への屈曲波の導入及び／又は上記カバー板（１８）内の屈曲波の伝播が、上記距離の大きさから生じる波長又は周波数のために減衰され、
上記距離が、可聴周波数範囲内の周波数を有する屈曲波が減衰されるように選択され、
上記タッチセンサシステム（４０）によって与えられる信号を評価すべく上記タッチセンサシステム（４０）を制御するため、及び上記タッチセンサシステム（４０）によって与えられる信号に応じて上記複数のアクチュエータ（２４）を制御するために、上記タッチセンサシステム（４０）と上記複数のアクチュエータ（２４）とに接続される評価及び制御ユニット（３８）をさらに備える操作ユニット。
【請求項２】
上記距離が、上記枠（１６）と、それに直交する方向におけるそれぞれの上記接触面（３４）との間の空間であ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】
上記距離が、上記枠（１６）と、上記接触面（３４）の幾何学的中心との間の空間であることを特徴とする請求項２に記載の操作ユニット。
【請求項４】
上記各接触面（３４）が円形面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項５】
上記カバー板（１８）が、上記ディスプレイ（６２）に対する空隙を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項６】
上記カバー板（１８）が、透明な弾性接着材料の層によって上記ディスプレイ（６２）又はタッチセンサシステム（４０）に接合されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項７】
上記カバー板（１８）に接着される複数のアーム（４４）が、上記筐体（１４）の枠（１６）から内側に延び、上記枠（１６）に沿って配置される個別の複数のチャンバ（４８）を形成し、上記チャンバ（４８）のそれぞれに接触面（３４）が配置され、上記チャンバ（４８）が、上記カバー板（１８）の中央領域（５０）に対向する内側にて開口していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項８】
上記複数のアーム（４４）が、それらの上記枠（１６）に対向する複数の端部で複数の基部（４６）によって接続され、上記複数のアーム（４４）と上記複数の基部（４６）とが、上記カバー板（１８）に接着される櫛型構造要素（４２）を形成することを特徴とする請求項７に記載の操作ユニット。
【請求項９】
上記複数のアーム（４４）が、一体的に上記枠（１６）に接続されることを特徴とする請求項７に記載の操作ユニット。
【請求項１０】
上記複数のチャンバ（４８）が、それらの上記カバー板（１８）の中央領域（５０）に対向する内側に、上記それぞれのチャンバの周囲の６０°を超えて１２０°まで、特に９０°を超えて延びる１の開口（５２）をそれぞれ含むことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項１１】
上記開口（５２）が、上記枠（１６）に直交して延びる上記チャンバの対称軸に対して対称であることを特徴とする請求項１０に記載の操作ユニット。
【請求項１２】
上記複数のチャンバ（４８）がそれぞれ対称であることを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項１３】
上記各接触面（３４）が円形面であり、上記複数のアーム（４４）と上記枠（１６）とが、上記接触面（３４）ごとに、上記接触面（３４）と同心円状に延びる内周及び上記接触面（３４）と同心円状に延びる底面を有するチャンバ（４８）を形成することを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項１４】
上記複数のアクチュエータ（２４）が、それぞれ１の特に円形のディスク形状の単層又は複層の圧電素子（２６）を有する複数の圧電アクチュエータとして設計され、この圧電素子（２６）が、上記それぞれの接触面（３４）で上記カバー板（１８）に接着されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項１５】
上記タッチセンサシステム（４０）が、上記カバー板（１８）に強固に接合、特に接着される複数の超音波送信機及び超音波受信機であって、物体、特に人の指によってタッチされたカバー板（１８）上のポイント（５６）を局所分解検出すべく上記カバー板（１８）に超音波の屈曲波を印加するための複数の超音波送信機及び超音波受信機を含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【請求項１６】
上記超音波送信機及び超音波受信機が、それぞれ単層又は複層の圧電素子（２６）として形成されることを特徴とする請求項１５に記載の操作ユニット。
【請求項１７】
上記複数のアクチュエータ（２４）のいくつかによって、すなわち上記カバー板（１８）にタッチする第１段階にて、上記複数の超音波送信機及び超音波受信機の機能が実行可能であり、それぞれ予め検出されたタッチポイント（５６）でのタッチでの触覚フィードバックのために上記カバー板（１８）に屈曲波を印加すべくタッチする第２段階にて、対応する複数の第１アクチュエータ（２４）が提供されることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の操作ユニット。
【請求項１８】
上記タッチセンサシステム（４０）が、上記カバー板（１８）とディスプレイ（６２）との間に配置されたタッチパネル（６０）であって、物体、特に人の指によってタッチされた上記カバー板（１８）上のポイント（５６）を局所分解検出するためのタッチパネル（６０）を含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年２月１６日の独国特許出願１０  ２０１７  １０３  １６２．６、２０１７年２月１６日の独国特許出願１０  ２０１７  １０３  １６６．９、及び２０１７年５月１６日の独国特許出願１０  ２０１７  ２０８  ２４３．７の優先権を主張し、その内容が参照により本特許出願に援用される。
【０００２】
本発明は、例えば、手動操作を確認するための局所的に分解された触覚を有するヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）としての車載機器用操作ユニットに関する。本発明は、特に、屈曲波による触覚フィードバックのためのノイズ抑制に関する。上記操作ユニットは、車載機器用に又は車両内で使用されるだけでなく、他のタッチスクリーン入力装置にも使用され得る。
【背景技術】
【０００３】
タッチスクリーン又はタッチパッドによって車載機器を操作するためのコマンドを入力することが、ますます一般的になっている。便宜上、効果的なコマンドの入力、すなわち効果的な手動操作のフィードバックを人間が受け取ることが望ましい。この点に関し、触覚フィードバックを伴ういわゆるハプティックフィードバックの概念が効果的であることが、証明されている。この場合、タッチパネル又はタッチスクリーンが全体として機械的に励振され、ここにおいては、快適さの理由からも振動が最小限に抑えられるべきである。理想的には、タッチパネル又はタッチスクリーンは、その後に静止位置に留まるべく、短時間に一度だけ歪む。
【０００４】
特に、ますます車両に搭載されるより大型のタッチスクリーンにとって、ハプティックフィードバックの従来の概念は、移動されるべき機器の重量が増加するため、不利である。
【０００５】
タッチセンシティブな表面のハプティックフィードバックのために、そこに屈曲波が印加されなければならないことが知られている。これは、例えば欧州特許出願公開第２  ６８４  １１１  Ａ１号明細書、米国特許第９  ４３６  ２８４  Ｂ２号明細書及び米国特許第９  ４４９  ４７６  Ｂ２号明細書に記載されている。その公知の方法では、例えば、タッチスクリーンのカバー板（ｃｏｖｅｒ  ｐａｎｅ）といった板（ｐａｎｅ）に屈曲波を印加するために、アクチュエータが使用される。とりわけ圧電アクチュエータが、単層又は複数層（いわゆる複層圧電素子）のいずれかを有するアクチュエータとして使用される。そのような圧電セラミック素子（以下、圧電素子という）は、一般的に知られており、例えばカバー板に屈曲波を印加するために、それらは例えば接着接合によるせん断抵抗方式でカバー板に接続される。電気的に作動中の圧電素子の伸長により、屈曲波がカバー板内を伝播することができるように圧電素子がカバー板を局所的に変形する。様々な方法及び様々な時間で制御されるアクチュエータ（制御パターン）を重ねることにより、触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造であって、様々な位置にて種々に又は同一に構成され得る表面構造が、カバー板に印加され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２  ６８４  １１１  Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許第９  ４３６  ２８４  Ｂ２号明細書
【特許文献３】米国特許第９  ４４９  ４７６  Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アクチュエータを制御するための理論的基礎は、Ｈｕｄｉｎらの論文「Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｔａｃｔｉｌｅ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｏｎ  ａ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｓｕｒｆａｃｅ  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｉｍｅ−Ｒｅｖｅｒｓａｌ  Ｗａｖｅ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ」に見出される（ＤＯＩ：１０．１１０９／ＴＯＨ．２０１５．２４１１２６７）。
【０００８】
屈曲波によるハプティックフィードバックの特定の欠点は、不快なノイズの発生である。この理由は、屈曲波によって発生する振動が、数Ｈｚから約１６，０００Ｈｚ〜２０，０００Ｈｚまでの周波数領域内で可聴であるからである。
【０００９】
本発明の目的は、屈曲波によるハプティックフィードバック用であって、ノイズが抑制されたタッチセンシティブ操作面を有する操作ユニットを創作することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、本発明の目的は車載機器、特に車両用ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）用の操作ユニットによって達成され、この操作ユニットは、
枠を有する筐体と、
上記筐体内及び／又は上記筐体に配置されるディスプレイであって、上記枠に強固に囲まれる縁部を有する透明なカバー板を含むディスプレイと、
上記筐体内及び／又は上記筐体に配置されるタッチセンサシステムと、
上記カバー板に屈曲波を導入するために、上記カバー板の縁部に沿って隣接して配置される複数のアクチュエータと
を備え、
上記カバー板上の上記アクチュエータそれぞれに１の接触面が割り当てられ、上記カバー板に屈曲波を導入するために上記接触面を介して上記アクチュエータが上記カバー板に作用し、
上記複数のアクチュエータによって上記カバー板に導入された屈曲波が、上記カバー板内で重ねられ、上記カバー板の様々な位置にて種々又は同一であり得る触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造を、衝動的に上記カバー板に与え、
上記複数の接触面が、それぞれ上記筐体の枠から距離を空けて配置され、これにより、上記カバー板への屈曲波の導入及び／又は上記カバー板内の屈曲波の伝播が、上記距離の大きさから生じる波長又は周波数のために減衰され、
上記距離が、可聴周波数範囲内の周波数を有する屈曲波が減衰されるように選択され、
上記タッチセンサシステムによって与えられる信号を評価すべく上記タッチセンサシステムを制御するため、及び上記タッチセンサシステムによって与えられる信号に応じて上記複数のアクチュエータを制御するために、上記タッチセンサシステムと上記複数のアクチュエータとに接続される評価及び制御ユニットをさらに備える。
【００１１】
本発明のそれぞれの実施形態は、従属請求項の主題である。
【００１２】
従って、本発明の目的は、操作ユニットの操作面キャリア（以下、「カバー板」又は「カバーガラス」ともいう）の縁部に沿ったアクチュエータの配置である。用語「カバー板」及び「カバーガラス」は、本発明の文脈において「操作面」に対して同義的に使用されることが強調されるべきである。本発明によれば、カバー板の縁部まで、従ってカバー板を強固に囲む枠までのアクチュエータの距離は、可聴周波数範囲内（例えば、最大で２０，０００Ｈｚ）の周波数を有する屈曲波の発生ができるだけ抑制されるように、すなわち、そのような屈曲波の伝播が大幅に減衰されるように選択される。これを、以下に説明する。
【００１３】
本発明は、操作面キャリアに屈曲波を印加する概念を利用し、そのため、全てのアクチュエータは、適応され、予め計算され、保存された信号を、局所的に制限された機械的励振に変換する。この機械的励振は、定められた時間及び位置にて屈曲波の形で強め合うように互いを重ね、他の時間及び位置では知覚できるしきい値を下回っている。縁部での反射が、枠にカバー板を強固に拘束することにより、積極的に利用される。複数の位置での同時の強め合う干渉のために、様々な信号を重ねることが可能である。指（複数でもよい）の影響による屈曲波の減衰が考慮された方法が存在する。
【００１４】
ハプティックフィードバックを目的としてタッチスクリーン又はタッチパネルのカバー板内で屈曲波を励振すると、通常、人間の耳に聞こえ易い周波数成分が発生する。カバー板へのアクチュエータの移行の非線形効果により、これらの周波数は、アクチュエータ励振信号のターゲットフィルタリングを用いることでも生じる。
【００１５】
通常、屈曲波はカバーペインの縁部の近くで印加される。この縁部が固定的に拘束されている場合、すなわちどの空間方向にも移動されることができない場合、カバー板の縁部又は枠からアクチュエータまでの距離を調整することにより、「強固な縁部状態」によって特定の波長（及び従って特定の周波数）が強く減衰されることが達成され得る。非常に短い距離（カバー板用の一般的な材料パラメータとしてのミリメートルのオーダー）では、より長い波長が強く減衰されるしきい値がまさに可聴範囲内である。より短い波長、従ってより高い（超音波の）周波数のみが、著しいエネルギーでカバー板に印加される。カバー板は、通常、本発明に特に適した硬化ガラスによって形成される。
【００１６】
アクチュエータと縁部との間の距離は、カバー板に周波数が屈曲波として印加され得ないか、又は減衰された屈曲波としてのみ印加され得るような所定の材料及び形状パラメータを制御するために使用される。特に、耐破壊性、従って比較的厚いカバーガラスに対する自動車産業の要求は、アクチュエータ及び電子機器の特別な高性能設計によって満たされ得る。
【００１７】
以下に、材料及び形状パラメータと、減衰されない印加可能な最小の周波数との関係が、式によって大まかに示される。カバーガラスが厚さｄ、弾性率Ｙ、密度ρ及びポアソン比ｖを有すると仮定する。波長λと周波数ｆとの関係は、以下の結果となる（例えばＫ．Ｆ．Ｇｒａｆｆ、「Ｗａｖｅ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｓｏｌｉｄｓ」，Ｃｏｕｒｉｅｒ  Ｄｏｖｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ、１９７５）。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
強固な枠により、（λ／４）＜αである波のみがほとんど制限なしで伝播することができると仮定すると、以下の最小周波数の大まかな推定が結果として生じ、これは、いかなる制限もなく屈曲波の形でカバーガラス内に含められ得る。
【００２０】
【数２】
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【００２１】
さらにより小さい周波数は、距離ａの４倍を超える波長に対応し、従って、縁部への近接によって機械的に減衰される。極端な場合、枠は１つのポイントでアクチュエータまでの距離ａを含むだけであるため、限界範囲におけるこの減衰が非常に弱くなり得るということが考慮されなければならない。小さい周波数、すなわちより大きな波長によって、枠のより大きな部分が減衰に関与するため、減衰はますます強くなる。
【００２２】
従って、距離ａは、可聴スペクトルの一部が減衰されるように調整され得る。
【００２３】
その配置は、（強固な）縁部までのアクチュエータの距離によって周波数応答が調整され得る機械的なフィルターとして理解され得る。実用的な観点からは、電気的ハイパスフィルタでアクチュエータの制御信号をハイパスフィルタ処理するというより簡単な方法は、実用的ではない。その理由は、アクチュエータ（電気的）からカバーガラス（機械的）への移行は、通常、非線形特性を有し、従って、可聴スペクトル内の機械的な波が、それにもかかわらず発生するからである。
【００２４】
可聴範囲内の周波数を有する屈曲波の発生又は伝播を抑制するために本発明によって選択される上述の距離は、枠と、アクチュエータができる限りせん断抵抗としてカバー板に接続される各接触面との間の空間であり、この距離は、枠に直交する方向で考慮されなければならない。上記距離は、特に枠と、好適には円形の面である接触面の幾何学的中心との間の空間であり、それに対応して、圧電素子も単一層または複数層を有する円形の板（ｐａｎｅ）要素として設計される。
【００２５】
本発明のさらなる好適な実施形態では、カバー板が枠に接着され、カバー板の縁部領域が枠の支持面に置かれ、全面接触でカバー板に接着されることが提供され得る。従って、枠はカバー板を強固に囲む。代替的又は追加的に、枠はカバー板の縁部を、締め付けられる方法で囲むこともできる。
【００２６】
さらなる調査により、各アクチュエータ、従って、アクチュエータ又は接触面が配置されるカバー板の縁部に沿って、各接触面にチャンバを割り当てることにより、屈曲波の減衰されるべき周波数範囲が、より正確に調整され、維持され得ることが示されている。本発明の有利な実施形態によれば、複数のアームが、筐体の枠からカバー板の中央領域まで延び、カバー板に耐せん断方式で接着されるか、又は別の方法で接着される。複数のアームが枠から実質的に直角に突き出ているため、個別の複数のチャンバが、枠に沿い、内側で各チャンバが開口を有し、この内側がカバー板の中央領域に面するように形成される。複数のアーム、すなわちチャンバの側壁でさえも、望ましくない周波数を有する屈曲波の発生及び伝播を減衰又は防止する。この場合には、接触面とチャンバ壁との間の距離がそれに応じて選択されることも適用される。円形の接触面では、チャンバも平面図で円形であり、そのチャンバ壁が接触面と同心円状に延びることが有利である。
【００２７】
好適には、アームには基部が設けられ、この基部によって、枠に面する端部でそれらアームが互いに接続される。従って、複数のアーム及びチャンバは、枠に挿入され得る櫛構造要素であって、できる限り耐剪断性を有するようカバー板に接合される櫛構造要素として設計され得る。好適には、チャンバの開口は、それぞれのチャンバの周囲の６０°を超えて１２０°まで、好ましくは９０°を超えて延び、枠に直交して延びるチャンバの中心軸または対称軸に対して対称に配置される。好適には、チャンバ自体もこの軸に対して対称である。
【００２８】
本発明のこの実施形態によって提案される個別のアクチュエータの「囲み」により、可聴周波数範囲内の屈曲波は、チャンバの境界を越えて伝わらないか、又は減衰した形でのみ伝わる。アクチュエータとチャンバ境界との間の選択された距離は、チャンバの直径（丸いチャンバの場合）を選択することによって調整され得るように、減衰された周波数範囲を定め、このチャンバから、周波数としての屈曲波がカバーガラス内を（制限なしで）伝播することができる。一般に、より大きい直径では、印加可能な最小の周波数が減少する、すなわち、印加可能な最大の周波数が増加するといえる。正確な関係を式によって示すことはできないが、それは有限要素シミュレーションを介して推定され得る。
【００２９】
本発明のさらに有利な実施形態は、タッチスクリーン又はタッチパッドのディスプレイへのカバーガラスの「柔軟な」接合に関する。本発明の好適なさらなる実施形態によれば、弾性のある柔軟な接着接合によって全面接触でディスプレイの前面にカバーガラスを接合することが提案される。接着接合のための要求は、色の再現にほとんど又は顕著な影響の無い、可能な限り１００％の透明度、及び低い弾性率である。接着接合に適した材料は、例えば光学的な接合に使用される材料であり、これらの材料は、例えば、柔軟で、弾性があり、柔らかく伸縮可能でなければならない、及び／又は機械的減衰効果が無いか又は弱いだけでなければならない、及び／又はゲル状であり得る。
【００３０】
上述から、本発明はタッチスクリーンに有利に使用され得ると結論付けられ得る。タッチスクリーンは、通常、カバーガラスの真下に配置されるタッチパネルを備える。タッチパネルは、通常、静電容量方式で作動するが、光学方式又は抵抗方式で作動するタッチパネルも使用され得る。
【００３１】
タッチパネルは、従来の方法でカバーガラスに接合され得る。弾性のある柔軟な接着接合は、カバーガラス内での大きく減衰しない屈曲波の形成には必ずしも必要とされない。通常、カバーガラスは、ディスプレイの前面に全面接触でタッチパネルによって連結される。タッチパネル自体は、柔軟で薄い方式で形成され得るため、屈曲波がタッチパネルによって過度に減衰されることなくカバーガラス内を伝播することができる。ディスプレイの前面へのカバーガラスの強固な接合は（タッチパネルが２つの間に任意で配置される場合であっても）、強固なディスプレイによる屈曲波の減衰が強過ぎるため、回避されなければならず、これは、例えば上述したように、エアギャップ又は柔軟な連結によって回避され得る。
【００３２】
本発明によるディスプレイの操作要素におけるハプティックフィードバックのためのアプローチは、上述のように、ハプティックフィードバックを提供するがその表面を平行移動させないカバーガラス内の屈曲波に基づく。しかし、接合物が強固であるほど、すなわちその弾性率が高いほど、屈曲波が強く減衰され、これにより、このアプローチの実装を妨げる。さらに、効果的に移動されるべき物体が顕著に増加する。
【００３３】
従って、記載される本発明のさらなる実施形態は、カバーガラス内の屈曲波の減衰を大幅に弱くするための弾性接合物の特定の使用に関するものであり、そのため、ディスプレイシステムの光学的な品質が依然として保証され、実用的に関連する目的のための屈曲波の伝播が可能になる。
【００３４】
屈曲波の現行技術によれば、カバーガラスは、このカバーガラスが自由に振動することができるよう、ディスプレイの直前にエアギャップによって孤立して配置される。従って、例えば汚れや湿気がエアギャップに入り込み得る。さらに、エアギャップは、界面での光反射及び関連する「二重」画像の形成によって、光学特性に悪影響を与え得るが、これは、ディスプレイ構造に組み込まれた適切な箔によって回避／削減され得る。
【００３５】
一方、エアギャップドの光学的な欠点は、弾性接合物によって回避され得る。その一方で、これにより、大幅に減衰の無い屈曲波の伝播が可能になる。
【００３６】
ハプティックフィードバックを発生させるための屈曲波の活用に加え、屈曲波と柔軟な接合物との組み合わせが、タッチ認識及び力測定（力覚）にも使用されることができ、カバー板とタッチパネル又はディスプレイとの間の機械的な分離、すなわちカバー板の下方に配置される機器が、屈曲波の伝播性能の改善を確実にするということが強調されるべきである。
【００３７】
本発明は、また、タッチセンシティブ操作面上でのタッチポイントの検出と組み合わせられる超音波によって、有利に組み合わせられ得る。そのようなタッチ検出の概念は、一般的に知られており、例えば、米国特許第９  ４４９  ４７６  Ｂ２号明細書及び米国特許第９  ４７７  ３５０  Ｂ２号明細書に記載されている。超音波による局所分解タッチ検出のために、超音波の屈曲波が、カバー板、すなわちタッチセンシティブ操作面に、例えば圧電超音波送信機によって印加され、屈曲波の伝播は、特に圧電超音波受信機によって認識される。タッチセンシティブ操作面が物体、例えば指によってタッチされる瞬間に、超音波の検出屈曲波の伝播が減衰される。そして、複数の超音波送信機及び複数の超音波受信機の使用により、受信信号と送信機及び受信機の位置とからタッチポイントを推測することができる。
【００３８】
この概念では、上述のように、検出屈曲波の特定の周波数を抑制することも有利といえる。特に、ハプティック屈曲波の印加のためのいくつかのアクチュエータが、検出屈曲波を印加及び受信するために予め使用されるということが、利点として提供され得る。本発明によれば、アクチュエータはカバー板の境界全体に有利に沿って隣接して配置されるため、アクチュエータは、操作面上のタッチポイントを決定すべく検出屈曲波を送信及び受信するのに適した位置にも配置される。従って、本発明によれば、カバー板の縁部に沿って配置されるいくつかのアクチュエータは、複数回使用され得る。本発明によれば、アクチュエータ、すなわちタッチセンサシステムはそれぞれ、本発明の操作ユニットに関連して既に上述したように、評価及び制御ユニットによって制御及び評価される。
【００３９】
評価及び制御ユニットは、例えば、屈曲波によるハプティックフィードバックの目的でアクチュエータを制御するための信号を決定するために活用されることもできる。以下、これらの信号が予め決定され得る例示的な手順について説明する。
【００４０】
フィードバックが発生すべきポイントにレーザー振動計を合わせる。
１又は複数のノイズ信号で単一の圧電素子を励振する。
レーザー振動計で測定された屈曲から、それぞれの圧電素子の励振信号と、選択されたポイントでの屈曲との間の伝達関数を決定する。
この目的のために、励振及び測定信号を周波数領域にフーリエ変換し、双方のスペクトルを分割する。
それから、伝達関数を時間領域に再変換する（パルス応答を与える）。
最初の、特に２ｍｓのパルス応答を切り取り、時間軸を逆にする。
シグナム関数を適用することにより、決定された信号を２つの個別の電圧レベルに制限する。
まず第１に、全ての他の圧電素子について上記の手順を繰り返す。
カバーガラス上の所望数量のポイントについて上述のプロセス全体を繰り返す。
【００４１】
信号（キャリブレーション目的のためのホワイトノイズと、決定された励振信号との双方）は保存され、必要に応じて（例えば、タッチフォイルによって又は周期的な繰り返しにおいて指が認識される）、さらなる使用のために取得される。
【００４２】
マイクロコントローラの出力の電圧レベルを、電圧レベル±ＶＰｉｅｚｏに変換するために、それ自体が公知の電子増幅回路が使用され得る。
【００４３】
以下、本発明の例示的な実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。それぞれの図は以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】タッチセンシティブ操作面を有する操作ユニットの斜視図である。
【図２】操作ユニット、すなわちそのタッチセンシティブ操作面を下方から見た底面図である。
【図３】屈曲波の印加及びそれらの重畳の結果として、操作面の触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造を示すための（概略）斜視図である。
【図４】図２の底面図と同様の下方からの斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】タッチセンシティブ操作面の屈曲波によるハプティックフィードバック用のノイズ抑制のために与えられる本発明の様々な動作の効果を説明するためのシミュレーション曲線である。
【図７】タッチセンシティブ操作面の屈曲波によるハプティックフィードバック用のノイズ抑制のために与えられる本発明の様々な動作の効果を説明するためのシミュレーション曲線である。
【図８】タッチセンシティブ操作面の屈曲波によるハプティックフィードバック用のノイズ抑制のために与えられる本発明の様々な動作の効果を説明するためのシミュレーション曲線である。
【図９】タッチセンシティブ操作面の屈曲波によるハプティックフィードバック用のノイズ抑制のために与えられる本発明の様々な動作の効果を説明するためのシミュレーション曲線である。
【図１０】タッチセンシティブ操作面の屈曲波によるハプティックフィードバック用のノイズ抑制のために与えられる本発明の様々な動作の効果を説明するためのシミュレーション曲線である。
【図１１】タッチセンシティブ操作面の屈曲波によるハプティックフィードバック用のノイズ抑制のために与えられる本発明の様々な動作の効果を説明するためのシミュレーション曲線である。
【図１２】タッチパネルに対して距離を空けて配置されるカバーガラスを備えるタッチスクリーンの概略図である。
【図１３】図１２と同様の模式図であるが、屈曲波によって励振されるカバーガラスとタッチスクリーンのタッチパネルとの間の光学的な接合物で満たされた空隙が備えられている。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１〜５は、タッチセンシティブ操作面１２を有する操作ユニット１０の様々な図を示す。操作ユニット１０は、例えば金属で形成された枠１６を有する筐体１４を備える。枠１６は、例えば硬化ガラスで形成されるカバー板１８を包含し、これは、例えば接着層２０によって枠１６に接着され、これにより、枠１６に強固に接合される（図４及び５も参照）。
【００４６】
図１及び２に示すように、複数のアクチュエータ２４がカバー板１８の縁部２２に沿って、従って枠１６に沿って、カバー板１８に屈曲波を印加するために配置される。これらのアクチュエータ２４はそれぞれ、図４及び５に示すように、円形のディスクの形状に設計される。各アクチュエータ２４は、両側に電極２８、３０が設けられる単層又は複層の円形の圧電素子２６を備え、複層圧電素子の場合、電極もそれぞれの圧電セラミック材料層の間に設けられる。このサンドイッチ構造は、カバー板１８の底面３６の接触面３４内に、接着接合３２によって耐せん断方式で比較的固定される。アクチュエータ２４の接触は、図示されていない。図１は、操作ユニット１０が、タッチセンサシステム（４０で示される）から信号を受信し、制御信号をアクチュエータ２４に出力する評価及び制御ユニット３８をさらに備えることのみを概略的に示し、これは、複数のアクチュエータ２４のうちの１つのみのために図１に図示される。
【００４７】
加えて、操作ユニット１０は、好ましくは金属で形成される枠状の櫛型構造要素４２を備える。この櫛型構造要素４２は、円周枠として形成されており、枠１６又は縁部２２に直交して延びる複数のアーム４４によって形成される櫛型構造であって、複数のアームアーム４４を連結する複数のアーム基部４６を有する櫛型構造を備える。この櫛型構造により、それぞれのチャンバ４８が形成され、このそれぞれに１つのアクチュエータ２４が配置される。チャンバ４８は中央領域５０に開口しており、これらの開口は、約６０°を超えて１２０°まで、特に９０°を超えて延びている。この例示的な実施形態では、チャンバ４８は円形に形成され、それらのチャンバ壁は、その内側でアクチュエータ２４と同心に延びている。櫛型構造要素４２は、枠１６から分離した要素として設計されることができ、又は枠１６を有する櫛構造要素４２は、１つの部品として一体に形成される（双方の変形では、例えば機械加工又は鋳造による）。
【００４８】
アクチュエータ２４とそれらのそれぞれのチャンバ壁との間の距離ａ（図４及び５を参照）を選択することにより、アクチュエータ２４によってカバー板１８に印加された屈曲波が減衰される周波数範囲が影響を与えられ得る。この周波数範囲は、好適には可聴範囲を含むため、この動作、すなわちチャンバによるアクチュエータ２４の包含により、可聴周波数は放出されないか、又は可聴周波数は減衰された形でのみ放出される。
【００４９】
図１及び２において、カバー板１８の黒く示される境界領域は、参照符号５４で表され、縁部及び櫛型構造要素４２に沿ってアクチュエータ２４の配置を覆うものとする。
【００５０】
図３は、複数のアクチュエータ２４の様々な信号を用い、可能性がある時間シフトされた制御がカバー板１８に屈曲波を印加するために使用され得る方法を、概略的に示す。ここにおいて、特定のポイント５６での屈曲波の重畳によって、短い、すなわちパルス状に存在する顕著な「バンプ」が生じ、これは、ユーザーによって触覚で知覚され得る。このユーザーの指は手動操作に起因してカバー板１８のポイント５６に（まだ）静止している。これは、タッチポイント５６でのカバー板１８内の短い「衝撃」によるものである。
【００５１】
タッチポイントは、タッチ操作面１２の第１段階にて、いくつかのアクチュエータ２４によって発生及び感知される超音波の屈曲波によって検出され得るため、感知された信号によってタッチポイントを推測することができる。超音波によってタッチポイントを検出する技術は、一般的に知られている。あるいは、タッチパネルが、タッチセンサシステムとして使用され得る。通常、本有利な発明が使用されるタッチスクリーンは、カバー板１８の下方に配置される静電容量方式、抵抗方式又は光学方式のタッチパネルで作動する。これを、図１２及び１３に示す。ディスプレイ自体もこれらの図に示す。
【００５２】
アクチュエータによってカバー板１８に印加される可聴スペクトル内の周波数（例えば、最大２０，０００Ｈｚ）を有する屈曲波がカバー板１８内で減衰形式でのみ伝播するか、又は伝播しないように距離ａがほぼ決定される方法については、既に上記で説明している。図６〜１０は、さまざまな距離と、その結果である周波数応答とのシミュレーション曲線を示す。図６の参照曲線は、縁部までの大きな距離（２０．０ｍｍ）を有するアクチュエータに基づく。ほぼ同じ量のエネルギーが、周波数範囲全体にわたってカバー板に加えられる。図７〜１０に示される曲線は、アクチュエータが縁部に非常に近く、すなわち図７では０．５ｍｍの距離、図８では１．０ｍｍの距離、図９では１．５ｍｍの距離、図１０では２．０ｍｍの距離で配置されるシステムに属する。可聴範囲（最大２０，０００Ｈｚ）内の減衰と、スペクトル分布への距離の影響とが、明確に認識され得る。
【００５３】
上述のシミュレーション曲線は、櫛型構造を有する櫛型構造要素４２を追加で使用することなく作成された。
【００５４】
図１１は、シミュレーションの結果、チャンバを形成する櫛型構造を有する櫛型構造要素４２の使用により、チャンバが無い場合よりも遥かに良好な結果が達成され得るという事実が生じることを示す。
【００５５】
図１１は、種々のシナリオの減衰プロファイルを示す。破線は、縁部からの選択された準最適な距離にアクチュエータが配置される場合の減衰プロファイルを示す。点線は、可聴範囲内に周波数を有する屈曲波を減衰させるために、特別に選択された距離にアクチュエータが配置される場合の減衰プロファイルを示す。最後に、実線は、縁部からの最適化された距離にアクチュエータが配置され、追加で櫛型構造とそれぞれのチャンバとを有する櫛型構造要素４２が使用される場合の減衰プロファイルを示す。全ての減衰プロファイル曲線は、強化ガラスによって形成されるカバー板１８を想定したシミュレーションである。実線によれば、可聴周波数（最大約２０，０００Ｈｚ）が、超音波の周波数よりも約３０ｄＢ減衰される。櫛型構造要素４２を使用することにより、特定の距離の選択という概念と比較して顕著に改善されることが示される。これは、可聴範囲の周波数を有する屈曲波の減衰に正の影響を与えることを既に示す。しかし、これらの屈曲波は、まだ完全に抑制されないが（図１１の点線を参照）、これは櫛構造要素４２を使用する場合には可能である。
【００５６】
以下、本発明の例示的な１つの実施形態によるさらなる特別な特徴を、図１２及び１３を参照して説明する。図１２は、エアギャップ５８がカバー板１８の下方に位置することを示し、これにより、アクチュエータ２４によって屈曲波が印加されると、カバー板１８が自由に「振動」することが可能になる。タッチパネル６０への連結、又はタッチセンサシステムがタッチパネルとしてではなく他の方法で設計される場合には、ディスプレイ６２（任意にバックライトユニットを有する。不図示）への連結は逆効果となり、屈曲波の伝播を過度に減衰させ得る。しかし、エアギャップ５８の欠点は、不純物及び特に湿度がそこに蓄積する可能性があるということである。
【００５７】
従って、カバー板１８がタッチパネル６０に、又はそのようなタッチパネル６０が設けられていない場合にはディスプレイ６２に光学的な接合によって接合されていると、より有利である。ディスプレイのための光学的な接合は、一般的に知られている。好適には、カバー板１８内を伝播する屈曲波を減衰させないか、又は著しく減衰させない接合物６４として、可撓性材料が使用される。
【００５８】
図１２及び１３に示す例示的な実施形態では、図１〜５に示す例示的な実施形態の櫛型構造要素４２が、必要に応じて追加で使用され得る。
【００５９】
操作ユニットにおける操作面の下方に配置される隣接する機器に対する、カバー板、又は一般には操作面の上述の弾性接合は、本明細書に記載された本発明の屈曲波の印加を必ずしも必要することなく実現され得る物体に関する。
【００６０】
本発明は、ディスプレイのカバー板への屈曲波のノイズのない印加の例に基づいて上述のように説明される。しかし、本発明は、「固定された」操作領域を有する操作パネルであって、変化できない操作パネルを備える操作ユニットにも使用され得る。刻印（押印）／刻印（彫印）、又は埋め込まれたグラフィック若しくは英数字の情報は、デバイス（装置）の種々の操作可能な機能を定めるが、それは操作パネルに設置される。操作パネルは、例えば、金属又は硬化材料といった非透明の「硬い」材料によって形成される。好ましくは、少なくとも４０から５０ＧＰａの弾性率を有する金属又は材料が使用される。そのような操作ユニットでは、操作パネル及び枠、並びに櫛型構造要素が一体に形成されることができ、これは、例えば、金属（又は硬化ガラスも）といった基本材料の機械加工、又は鋳造によって達成され得る。タッチ表面、屈曲波を反射するための枠、及び圧電チャンバ（すなわち、櫛型構造要素）といった本発明に不可欠な全ての要素が、共通の要素を形成する。これにより、櫛型構造要素を含むタッチ表面と枠との間における製造するのに間違いが生じ易く難しい接着接合が、完全に省略され得る。
【００６１】
そのような代替的な構造システムは、以下に説明する特徴グループの少なくとも１つを備える。
【００６２】
１．車載機器用操作ユニット、特に車両用ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）であって、
枠１６を有する筐体１４と、
筐体１４内及び／又は筐体１４に配置される操作パネルであって、操作領域を有する操作面を含む操作パネルと、
筐体１４内及び／又は筐体１４に配置されるタッチセンサシステム４０と、
上記操作パネルに屈曲波を導入するために上記操作パネルの縁部２２に沿って隣接して配置される複数のアクチュエータ２４と
を備え、
上記操作パネル上のアクチュエータ２４それぞれに１の接触面３４が割り当てられ、この接触面３４を介して、上記操作パネルに屈曲波を導入するために上記操作パネルにアクチュエータ２４が作用し、
複数のアクチュエータ２４によって上記操作パネルに導入された屈曲波が、上記操作パネル内で重ねられ、触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造を上記操作パネルに与え、
複数の接触面３４が、それぞれ筐体１４の枠１６から距離を空けて配置され、これにより、上記操作パネルへの屈曲波の導入及び／又は上記操作パネル内の屈曲波の伝播が、上記距離の大きさから生じる波長又は周波数のために減衰され、
上記距離が、可聴周波数範囲内の周波数を有する屈曲波が減衰するように選択され、
タッチセンサシステム４０によって与えられる信号を評価すべくタッチセンサシステム４０を制御するため、及びタッチセンサシステム４０によって与えられる信号に応じて複数のアクチュエータ２４を制御するために、タッチセンサシステム４０と複数のアクチュエータ２４とに接続される評価及び制御ユニット３８をさらに備える操作ユニット。
【００６３】
２．上記距離が、枠１６と、それに直交する方向におけるそれぞれの接触面３４との間の空間であることを特徴とする項１に記載の操作ユニット。
【００６４】
３．上記距離が、枠１６と、接触面３４の幾何学的中心との間の空間であることを特徴とする項２に記載の操作ユニット。
【００６５】
４．各接触面３４が円形面であることを特徴とする項１から３のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００６６】
５．上記操作パネルに接着される複数のアーム４４が、筐体１４の枠１６から内側に延び、枠１６に沿って配置される個別の複数のチャンバ４８を形成し、チャンバ４８のそれぞれに接触面３４が配置され、チャンバ４８が、上記操作パネルの中央領域５０に対向する内側にて開口していることを特徴とする項１から４のいずれか１項に記載の操作ユニット。  
【００６７】
６．上記複数のアームが、それらの枠１６に対向する複数の端部で複数の基部４６によって接続され、複数のアーム４４と複数の基部４６とが、上記操作パネルに接着される櫛型構造要素を形成することを特徴とする項５に記載の操作ユニット。
【００６８】
７．複数のアーム４４が一体的に枠１６に接続されることを特徴とする項７に記載の操作ユニット。
【００６９】
８．複数のチャンバ４８が、それらの上記操作パネルの中央領域５０に対向する内側に、上記それぞれのチャンバの周囲の６０°を超えて１２０°まで、特に９０°を超えて延びる１の開口５２をそれぞれ含むことを特徴とする項５から７のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７０】
９．開口５２が、枠１６に直交して延びる上記チャンバの対称軸に対して対称であることを特徴とする項８に記載の操作ユニット。
【００７１】
１０．複数のチャンバ４８がそれぞれ対称であることを特徴とする項５から９のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７２】
１１．各接触面３４が円形面であり、複数のアーム４４と枠１６とが、接触面３４ごとに、接触面３４と同心円状に延びる内周及び接触面３４と同心円状に延びる底面を有するチャンバ４８を形成することを特徴とする項１から１０のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７３】
１２．複数のアクチュエータ２４が、それぞれ１の特に円形のディスク形状の単層又は複層の圧電素子２６を有する複数の圧電アクチュエータとして設計され、この圧電素子２６が、それぞれの接触面３４で上記操作パネルに接着されることを特徴とする項１から１１のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７４】
１３．タッチセンサシステム４０が、上記操作パネルに強固に接合、特に接着される複数の超音波送信機及び超音波受信機であって、物体、特に人の指によってタッチされた上記操作パネル上のポイント５６を局所分解検出すべく上記操作パネルに超音波の屈曲波を印加するための複数の超音波送信機及び超音波受信機を含むことを特徴とする項１〜１２のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７５】
１４．上記複数の超音波送信機及び超音波受信機が、それぞれ単層又は複層の圧電素子２６として形成されることを特徴とする項１３に記載の操作ユニット。
【００７６】
１５．複数のアクチュエータ２４のいくつかによって、すなわち上記操作パネルにタッチする第１段階にて、上記複数の超音波送信機及び超音波受信機の機能が実行可能であり、それぞれ予め検出されたタッチポイント５６でのタッチでの触覚フィードバックのために上記操作パネルに屈曲波を印加すべくタッチする第２段階にて、対応する複数の第１アクチュエータ２４が提供されることを特徴とする項１３又１４のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７７】
１６．タッチセンサシステム４０が、物体、特に人の指によってタッチされた上記操作パネル上のポイント５６を局所分解検出するためのタッチパネル６０を含むことを特徴とする項１から１２のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００７８】
１７．上記タッチパネルが、上記操作パネルに対して距離を空けて配置されることを特徴とする項１６に記載の操作ユニット。
【００７９】
１８．上記距離が、空気又は接着材料で満たされることを特徴とする項１７に記載の操作ユニット。
【００８０】
１９．上記操作パネル、上記枠及び上記櫛型構造要素が一体型ユニットとして設計され（例えば、鋳造又は機械加工、例えばフライス加工により）、上記ユニットが金属、任意に硬化金属を含むことを特徴とする上記項のいずれか１項に記載の操作ユニット。
【００８１】
上述の項目及び従属請求項に含まれる特徴は、１若しくは複数の他の項目、又は１若しくは複数の他の請求項を引用することなく、本発明の独立した変形とみなされるべきであり、それぞれの項目に含まれる特徴及び／又はそれぞれの従属請求項に含まれる特徴は、車載機器用操作ユニット、特に車両用ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）を引用し、それは、以下の通りである。
車載機器用操作ユニット、特に車両用ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）であって、
枠を有する筐体と、
上記筐体内及び／又は上記筐体に配置されるディスプレイであって、上記枠で囲まれる縁部を有する透明なカバー板を含むディスプレイと、
上記筐体内及び／又は上記筐体に配置されるタッチセンサシステムと、
上記カバー板に屈曲波を導入するために、上記カバー板の縁部に沿って隣接して配置される複数のアクチュエータと
を備え、
上記カバー板上の上記アクチュエータそれぞれに１の接触面が割り当てられ、上記カバー板に屈曲波を導入するために上記接触面を介して上記アクチュエータが上記カバー板に作用し、
上記複数のアクチュエータによって上記カバー板に導入された屈曲波が、上記カバー板内で重ねられ、触覚的に知覚可能な局所的に分解された表面構造を上記カバー板に与え、
上記タッチセンサシステムによって与えられる信号を評価すべく上記タッチセンサシステムを制御するため、及び上記タッチセンサシステムによって与えられる信号に応じて上記複数のアクチュエータを制御するために、上記タッチセンサシステムと上記複数のアクチュエータとに接続される評価及び制御ユニットをさらに備える操作ユニット。
【符号の説明】
【００８２】
１０  操作ユニット
１２  操作面
１４  筐体
１６  枠
１８  カバー板
２０  接着層
２２  縁部
２４  アクチュエータ
２６  圧電素子
２８  圧電素子の電極
３０  圧電素子の電極
３２  接着接合
３４  接触面
３６  底面
３８  制御ユニット
４０  タッチセンサシステム
４２  櫛型構造要素
４４  アーム
４６  基部
４８  チャンバ
５０  カバー板の中央領域
５２  チャンバの開口
５４  暗く／黒く示された境界領域
５６  タッチポイント
５８  カバー板とタッチパネルとの間の空隙
６０  タッチパネル
６２  ディスプレイ
６４  接合物
【図１】
2020509482.tif 000005
【図２】
2020509482.tif 000006
【図３】
2020509482.tif 000007
【図４】
2020509482.tif 000008
【図５】
2020509482.tif 000009
【図６】
2020509482.tif 000010
【図７】
2020509482.tif 000011
【図８】
2020509482.tif 000012
【図９】
2020509482.tif 000013
【図１０】
2020509482.tif 000014
【図１１】
2020509482.tif 000015
【図１２】
2020509482.tif 000016
【図１３】
2020509482.tif 000017
【国際調査報告】
2020509482.tif 000018
2020509482.tif 000019
2020509482.tif 000020
2020509482.tif 000021