改善触感的数据输入装置 |
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| 申请号 | CN200911000160.1 | 申请日 | 2009-11-30 | 公开(公告)号 | CN101876857B | 公开(公告)日 | 2013-05-29 |
| 申请人 | 塔莱斯公司; | 发明人 | J-L·比冈; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及数据输入装置，它由触杆(21)所操作的 开关 组成。回动 弹簧 (29)允许触杆(21)回到平衡 位置 。按照本发明，该装置包括：圆形零件(22)，其可沿着基本上垂直于触杆(21)的移动方向移动； 凸轮 (20，40)，其与该触杆(21)连成一体；弹性装置(24)，其使圆形零件(22)保持压靠该凸轮(20，40)；该凸轮(20)包括斜坡(25)、高点(26)和反向斜坡(27)，当该触杆(21)从它的平衡位置向操作该开关的位置操作时，该圆形零件(22)依次支持在这些斜坡和高点上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种数据输入装置，包括： |
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| 说明书全文 | 改善触感的数据输入装置技术领域背景技术[0002] 本发明尤其适用于能够绕平衡位置拉或推的触杆。该触杆的这两种移动，拉和推，每一种都允许输入数据。对于该触杆的每个移动方向，该开关一般都处于该触杆的一端。操作人员拉或推触杆，引发开关对应的操作。该触杆同样可以用于操作绕该触杆的平移轴旋转的编码器。旋转编码器输出的数据可以在装置的电子部件中进行光学编码。 [0003] 在这样的装置中，力求产生触感，其主要功能是，保证在通过力峰值之后保证该开关的电触发。为了产生良好的触感，需要轮轴游间行程能够大，例如，超过一毫米。人们在航空工业中，更具体地说，在飞行器的仪表板中找到这种装置。飞行器的飞行安全可能取决于用该装置进行的数据输入。这就是为什么大量的设计者对操作该装置时飞行员应该感到的触感回馈提出严格的约束。 [0004] 为此，本申请人力图借助于与触杆协作的圆珠实现该功能。更准确地说，在该触杆上形成凸轮，该凸轮包含斜面，后跟平行于触杆移动轴的平面。该圆珠通过借助于弹簧支持在凸轮上而可以在垂直于触杆的移动轴的方向上移动。静止时，该触杆处于平衡位置。该位置用能够沿着触杆的移动轴被压缩的回动弹簧维持。在该平衡状态下，该圆珠在斜面的底部与凸轮接触。当操作人员使触杆动作时，该圆珠骑跨在斜面上同时压缩它的弹簧，直至达到该平行平面。该圆珠施加在凸轮上的力加在触杆回动弹簧所施加的力上。当该圆珠与该平行平面接触时，由该圆珠加上的力，换算到该触杆的移动轴上实际上为零，除摩擦力外，操作人员要克服的唯一的力是由触杆的回动弹簧产生的力。然而，当圆珠与该斜面接触时，它向该触杆施加轴向分力。该轴向分力，加上该回动弹簧所产生的力，形成操作人员使触杆动作时要克服的力峰值。 [0005] 这些系统的精度尤其取决于圆珠的直径和它在该平衡位置上在斜面上的位置，这使制造公差减少。该力峰值取决于该圆珠的直径、该圆珠弹簧所施加的力和该斜面的斜率。在给出施加在该触杆的力是其位移的函数的曲线中，该触杆恢复曲线的斜率取决于回动弹簧的刚度和该圆珠在该凸轮上的摩擦力。 [0006] 这些系统要求具有相当大的圆珠直径、圆珠压缩力、搭扣的斜面长度和高度，以便具有足够的机械行程和力波高，从而产生具有可察觉触感的大轮轴游间行程。圆珠的较大压缩力要求材料表面坚硬，以便承受反复操作的磨损。 [0007] 另外，大量操作之后凸轮和圆珠的磨损通过增大峰值时最大力和随后的最小力之间的位移深度而改变了触感。 发明内容[0008] 本发明旨在通过提供一种具有触感的数据输入装置来全部或者部分地克服上述问题，该装置减轻施加在该圆珠上的力，因而减轻装置的磨损。 [0009] 为此，本发明提出一种数据输入装置，包括： [0010] *开关，其允许输入数据； [0011] *触杆，其可相对于外壳移动，该触杆允许操作开关； [0012] *回动弹簧，其使该触杆能够回到触杆不操作时的平衡位置；和[0013] *调整回动弹簧所施加的力的装置，用以定义在触杆行程点上的力峰值，超过该力峰值时操作该开关， [0014] 其特征在于，调整力的装置包括： [0015] *圆形零件，其能够在基本上垂直于该触杆的移动方向上移动； [0016] *凸轮，其与该触杆连成一体； [0017] *弹性装置，其保持圆形零件压在凸轮上； [0018] 凸轮包含斜面、高点和反向斜面，当该触杆从它的平衡位置向操作开关的位置操作时，该圆形零件依次支持在这些斜面和高点上。 [0019] 习惯上，该斜面定义为相对于触杆移动方向有角度地偏移的面。角度的取向是这样的，使得圆形零件施加在该触杆的力对抗该触杆从它的平衡位置移动。该反向斜面同样定义为相对于触杆移动方向有角度地偏移的面。然而，反向斜面的角度取向与该斜面的角度相反，使得圆形零件施加在该触杆的力趋向于使该触杆易于从其平衡位置移动。 [0021] 阅读用附图举例说明、作为示例给出的实施模式的详细描述，能更好地理解本发明，并显现其他优点，附图中： [0022] 图1简明地表示定义施加在触杆上的力是其行程的函数的曲线； [0023] 图2和3示意地表示在触杆行程的两个位置上施加在触杆上的力； [0024] 图4更详细地表示在双开关的示例性实施例中定义施加在触杆上的力是其行程的函数的曲线； [0025] 图4a至4f表示与图4的曲线有关的几个触杆位置； [0026] 图5和图1一样表示是触杆行程的函数的施加在触杆上的力以及回动弹簧所施加的力； [0027] 图6表示两个回动弹簧不对抗地运行的示例性实施例； [0028] 图7和图1一样，表示包括在图6定义的示例性实施例中的不同的力的轴向分力。 具体实施方式[0029] 为清晰起见，在不同的图中，同样的部件采用同样的附图标记。 [0030] 以下的描述涉及数据输入装置，它包含允许输入数据的开关；可相对于外壳平移的触杆；和回动弹簧，回动弹簧使触杆能够回到该触杆不操作时的平衡位置。触杆的平移允许操作开关。显而易见，本发明可以用于旋转编码开关，其中触杆的旋转移动用于操作开关。换句话说，触杆可相对于外壳作旋转移动，而触杆的旋转允许输入以触杆的角度位置表示的数据。 [0031] 在后文中将不描述开关。通过移动部分的运动操作的所有开关类型均可采用。触杆充当操作人员和开关移动部分之间的中介。该开关例如，是平移操作的按钮。开关同样可以是光学编码器，光学编码器包含与触杆连成一体的屏蔽件并能在发射器和检测光电元件之间移动，发射器和检测光电元件联结外壳。利用光学编码器的好处是对触杆不产生力。外壳和触杆之间的仅有力来自本发明的不同构成部件。 [0032] 触杆与按钮的移动部分连成一体，而操作人员向触杆施加力。该力传输到该移动部分。本发明使该移动部分能够发生净运动，并因而能够改善由开关操作实现的数据输入的可靠性。 [0033] 该装置包括调整回动弹簧所施加的力的装置，以便定义触杆行程的点的力峰值，越过该力峰值即操作该开关。图1举例说明该力峰值。更准确地说，图1表示定义施加在触杆上的力FO(在Y轴上)与触杆位移或者行程D(在X轴上)的关系的示例曲线10。 [0034] 在坐标原点上对触杆不施加任何力，而触杆处于平衡位置。从该位置出发，触杆开始移动，该力应迅速地增大到最大值11，下称峰值。触杆的该第一位移部分标记为12。越过峰值11之后，随着触杆移动，该力逐渐下降到最小值13。在峰值11和最小值13之间形成的移动部分称为位移深度14。峰值和最小值之间的差值称为该力的波高15。越过位移深度14，曲线10进入线性部分16并增大，达到触杆行程终点，获得的力值17。可以设置撞块来停止该触杆。该触杆的整个行程用尺寸18表示。 [0035] 开关的电触点应该设置在力的峰值11之后和行程终点之前。操作开关的行程部分用尺寸19表示。当操作人员操作触杆时为了保证开关确实进行了操作，重要的是，使力值17小于力的峰值11。下面将讨论本发明如何能够调节力值17。 [0036] 图2示意地表示处于平衡位置时施加在触杆上的力。该装置包括与触杆21连成一体的凸轮20和能够基本上垂直于该触杆21移动的圆形零件22。触杆21的移动实现沿着轴23平移。圆形零件22靠弹簧24保持顶住凸轮20。 [0037] 凸轮20包括斜面25、高点26和反向斜面27，当触杆21离开其平衡位置向操作开关的位置操作时，圆形零件22依次支持于这些斜面和高点上。圆形零件22可以是刚性的：一颗球状圆珠或者其轴垂直于图2平面的圆柱体。圆柱形允许把顶在凸轮20上的圆形零件 22所施加的力较好地分散开，并因而减少凸轮20和圆形零件22的磨损。作为替代方案，可以把圆形零件和保持该圆形零件压靠凸轮20的弹性装置制成单一机件，例如，弹性环。该环的圆形外部形状与凸轮20接触，而环的弹性允许在触杆21的整个位移长度上维持顶住凸轮20。 [0038] 该装置同样包括回动弹簧29，回动弹簧29对抗触杆21的移动并因而可以沿着轴23被压缩。在平衡位置上，该触杆顶住外壳28，回动弹簧29被压缩，以便使触杆21维持顶住外壳28且圆形零件22支持在斜面25上。 [0039] 为了使触杆21脱离外壳28，操作人员对触杆21施加指向图2左侧的力FO。该力的变化示于图1。在该状态下，触杆21在其他两个力的作用下处于平衡状态：回动弹簧29所施加的力FR和圆形零件22施加在触杆21上的轴向分力FC。为了不使描述复杂化，不考虑圆形零件22施加在触杆21上的力的径向分力。该径向分力被未示出的轴承吸收，并保证引导触杆21沿着轴23平移。该径向分力同样可以被由凸轮、圆形零件和弹簧组成的第二组合件吸收。该第二组合件与由图2所示的凸轮20、圆形零件22和弹簧24组成的第一组合件对称地装配在该数据输入装置中。两个组合件的对称是相对于轴23而实现的。圆形零件22施加在触杆21上的轴向分力和径向分力的合力基本上垂直于凸轮20在圆形零件22和凸轮20之间接触点的切平面。在该分解中，不考虑在更精细的建模中可能考虑的摩擦力。 [0040] 该力FR和FC均指向同一方向图2的右侧。当圆形零件22顶住斜面25时，触杆21处于其位移的第一部分12，而操作人员所施加的力FO迅速增大，因为一方面力FC和FR朝着同一方向，而另一方面因为力FC由于使圆形零件22顶住凸轮20的弹簧24的压缩增大而增大。 [0041] 在触杆21向图2左侧移动的第一部分12的终点上，圆形零件22达到高点26。该高点构成斜面25和反向斜面27之间的连接点。当通过高点26周围时，力FC改变方向，而指向图2的右侧。图3表示在触杆21通过高点26周围之后触杆21的位置。位移深度14对应于圆形零件在高点26附近的路径。力FC改变取向获得力的波高15。凹处可以出现在曲线10中力的11和最小值13之间。该凹处对应于圆形零件22通过高点26的水平。 [0042] 当圆形零件22顶住反向斜面27时，该力FC和FR与弹簧24和29各自的压缩相关呈线性变化，这对应于曲线10的线性部分16。线性部分16的斜率可以通过改变反向斜面27的倾斜角而适当修改，从而保证力值17低于、甚至明显低于力的峰值11，但仍旧是正的，以便若操作人员所施加的力FO松开，则允许触杆21回到它的平衡位置。 [0043] 更一般地说，凸轮20的尺寸这样定义，使得施加在触杆21上的在触杆21的整个行程部分19(操作开关的部分中)的力FO都低于力的峰值11。 [0044] 没有反向斜面27时，就是说当该斜面后跟平行于轴23的平表面时，位移深度14基本上等于圆形零件22的半径乘以斜面25与轴23夹角的正弦。实施本发明时，位移深度加长为圆形零件22的半径乘以反向斜面27与轴23夹角正弦。于是，对于同样的位移深度14，可以减少圆形零件22的半径，这允许减少装置的外廓尺寸。 [0045] 另外，反向斜面27的存在，由于力FC方向反转而允许产生更大的力波高15。若没有反向斜面27，则当圆形零件22到达平行于轴23的平表面时，可以简单地取消力FC。于是，实施本发明时，对于给定的力波高15，可以减少弹簧24所施加的力。该力的降低允许减少凸轮20和圆形零件22的磨损。同样可以利用硬度不那么高，不那么昂贵的材料。在本发明的一个实施例中，例如，可以用塑料凸轮20代替金属凸轮20，但仍保持同样的装置使用寿命，例如，按操作次数测量的使用寿命。 [0046] 当触杆21处于它的平衡位置时，圆形零件22最好支持在凸轮20上位于斜面25和高点26之间连接点30的水平上。于是，在该平衡位置上，力FC指向与FO的方向相反，或者为了使触杆21脱离邻接外壳28操作人员要克服更大的力。接着，从触杆21的行程起点起，力FC减小。这允许大大缩短甚至取消触杆21位移的第一部分12。于是，操作人员为了感到触杆21的移动，往往必须施加几乎等于力峰值11的力。这导致触杆21的凹处(depression)几乎与它的移动起点重合，并因而改善开关操作的可靠性。 [0047] 该装置可以包括第二开关。调整力用的装置允许在触杆的行程上建立第二力峰值，越过此第二力峰值时操作第二开关。该方案参照图4至4f进行说明。该装置只包括单个圆形零件22，它可以沿着凸轮40移动，凸轮包含两个斜面25a和25b、两个高点26a和26b和两个反向斜面27a和27b，当触杆21离开它的平衡位置进行操作时，圆形零件22依次支持在这些斜面和高点上。凸轮40的区域25a，26a和27a与已经描述的区域25，26和27相似，而当触杆21向操作第二开关的位置移动时，区域25b，26b和27b支持圆形零件22。图4f表示只有凸轮40的放大视图。 [0048] 两个斜面25a和25b，两个高点26a和26b和两个反向斜面27a和27b最好分别对于凸轮40的同一点是对称的，该点位于两个斜面25a和25b之间。该触杆21的平衡位置是当圆形零件22同时支持在两个斜面25a和25b上时获得的。为了使触杆21维持在它的平衡位置上，不一定要设置顶着外壳28的撞块。 [0049] 图4表示在Y轴上操作人员施加在触杆21上的力FO(以牛顿表示)与在X轴上触杆21的位移(以毫米表示)的关系的曲线图。该曲线只举例说明触杆21从平衡位置出发向单一方向的移动。 [0050] 在图4a所示的触杆21的位置上，圆形零件22支持在斜面25a上，并略微脱离斜面25b。在该状态下，力FO具有对应于力峰值11的9.5N数量级的值。 [0051] 在图4b的位置上，圆形零件22支持在凸轮40上位于斜面25a和高点26a之间的连接点30a的水平上。在触杆21相应的移动过程中，图4的曲线逐渐下降，在圆形零件22完全离开斜面25a接着到达高点26a时，达到7.5N数量级的值。凸轮40的该区域由高点26a形成，例如，该区域是基本上平行于触杆21移动轴23的小表面。当圆形零件22沿着高点26a移动时，如图4c所示，力FO变得增大。若假定没有摩擦力，则力FO随着触杆21的移动而增大是由于回动弹簧29的动作，回动弹簧29刚度假定是常数。圆形零件22造成的力FC为零。 [0052] 在图4d的位置上，圆形零件22支持在凸轮40上位于高点26a和反向斜面27a之间连接点41a的水平上。在该状态下，力FC的绝对值从零值(此时圆形零件22支持在高点26a上)增大达到最大值(此时圆形零件22完全离开该点26a接着走向反向斜面27a)。那时力FO具有6.5N数量级的值。越过该点，圆形零件22顺着反向斜面27a走，图4的曲线是线性的，而且在曲线10的该部分16增大。 [0053] 在图4上，触杆21移动的原点是触杆21的平衡位置，而当触杆21被操作人员推动在X轴负方向上移动时，当圆形零件22顺着斜坡的区域25b，26b和27b走时，图4所示的曲线用于推导出一条对称的曲线。 [0054] 在这里从该平衡位置获得力峰值11，因为圆形零件22顶住连接点30a。通过修改凸轮40和圆形零件22的形状，使得在平衡位置上，圆形零件22同时顶住连接点30a和斜面25b和高点26b之间的连接点30b，在触杆21行程的同一点上，就是说在该平衡位置上，获得力峰值的重合。 [0055] 图5表示针对具有两个开关的装置获得的曲线图，这些开关可以通过在由单个回动弹簧(可以压缩和拉伸)定义的平衡位置周围平移进行操作。同样可以用两个预加荷或对抗性弹簧定义该平衡位置。这两个弹簧同时支持在外壳28和触杆21上。在该平衡位置上，每个弹簧所施加的力绝对值相等而方向相反。该曲线图定义曲线10，与图1和4相同，X轴表示触杆21的行程，而Y轴表示施加在触杆21上以使其移动的力FO。曲线10对于该曲线图的坐标原点是对称的。还表示代表恢复力FR与触杆21行程的关系的曲线50。曲线50是一条通过坐标原点的直线。该曲线不是用回动弹簧就是用两个对抗性弹簧获得的，其刚度是恒定的。 [0056] 该实施模式允许定义两个力峰值11，一个是负的，而另一个是正的，与图4相同，两个都位于竖直轴上，但有几个缺点。第一和第三象限的最小值13接近曲线图的水平轴。装置的磨损可能损害曲线10的形状，而且若最小值13通过水平轴的另一侧，则触杆21不再回到它的平衡位置。另外，若在圆形零件22同时支持在两个斜面25a和25b上时定义平衡位置，则需要调整回动弹簧的加载，使得在该平衡位置上曲线50刚好通过坐标原点。换句话说，在该平衡位置上，这一个或多个弹簧不应向触杆21施加任何力。 [0057] 图6举例说明这些缺点的解决办法。该装置包括两个回动弹簧60和61。这两个回动弹簧60和61这样放置，使得当触杆21离开它的平衡位置时只有一个回动弹簧60或者61被压缩，另一个回动弹簧60或61仍旧处于平衡位置的状态。于是，这两个弹簧60和61彼此独立运行。在该独立性的示例性实施例中，该装置包括支持件62，支持件62可以相对于触杆21和外壳28移动。在该平衡位置上，该支持件62支持在外壳28和触杆21上。 第一回动弹簧60支持在外壳28和支持件62之间，而第二回动弹簧61支持在触杆21和支持件62之间。这两个弹簧60和61在同一方向上向支持件62施加力。 [0058] 该平衡位置不取决于回动弹簧60和61的张力。该平衡位置由几个刚性的机械件的彼此支持定义，就是说，支持件62同时顶住触杆21和外壳28。 [0059] 在所示示例中，触杆21的移动通过沿着轴23的平移实现，以便操作两个开关。支持件62是具有由触杆21穿过的垫圈形状的旋转件，而且可以在外壳28的轴23的镗孔63中沿着触杆21平移而移动。在该平衡位置上，该支持件62支持在镗孔63的底部64。在这同一个位置上，支持件62支持触杆21的凸肩65。 [0060] 这两个弹簧60和61呈螺旋形，绕轴23同心地安装。镗孔63部分地由端盖66封闭，弹簧60以其第一端60a支持在端盖66上，必要时借助于垫圈67。弹簧60的第二端60b支持支持件62。触杆21穿过垫圈67和端盖66。弹簧61以其第一端61a支持与触杆21连成一体的垫圈68，弹簧61的第二端61b支持在支持件62上。垫圈68借助于配备在触杆21凹槽70中的锁圈69变得与触杆21连成一体。 [0061] 当操作人员沿着轴23按压触杆21时，触杆21的移动方向用箭头P表示，只有弹簧60受压缩。触杆21相对于外壳28移动，致使支持件62相对于外壳28移动，这使弹簧60受压缩。支持件62可以具有管状的延长部分71，延长部分71允许限制支持件62在镗孔63中的移动。延长部分71会顶住垫圈67，以限制触杆21在“推”的P方向上的移动，然而，支持件62仍顶住凸肩65。垫圈62和68都跟着触杆21移动。于是，当操作人员推触杆 21时，弹簧61不变形。 [0062] 反之，当操作人员沿着轴23拉触杆21时，触杆21的移动方向用箭头T表示，只有弹簧61受压缩。支持件62保持顶住镗孔63的底部64。因而，弹簧60不变形。同样可以设置机械撞块，该机械撞块限制触杆21在“拉”T方向上的移动。该撞块可以由外壳28的表面72形成，触杆21的凸肩73支持于表面72上。然而，垫圈69跟随触杆21运动，并使弹簧61压缩顶住支持件62。 [0063] 在图6上，同样示出与触杆21连成一体的凸轮40，圆形零件22和弹簧24两个都可以在端盖66径向凹槽75中滑动。在弹性环与凸轮20接触的方案中，弹簧24消失，只有弹性环位于该凹槽75中。在图6所示示例中，借助于两个回动弹簧60和61实现的平衡位置的准确定义对回动弹簧60和61力的调整装置进行补充，该装置包括凸轮40和圆形零件22。显而易见，没有回动弹簧60和61力的调整装置也可以准确定义该平衡位置。 [0064] 图7表示在图6定义的实施例中起作用的不同的力的轴向分力。曲线50表示恢复力FR与触杆21行程的关系，在它出现的每个象限中都是线性的。线性是由于每个弹簧60和61的刚度。在这里，这两个弹簧60和61具有同样的刚度，而曲线50的斜率对于该两个象限也是相同的。显而易见，弹簧60和61可以具有不同的刚度，这将导致在曲线50出现的每个象限中斜率不同。与图5的差异在于，图7包括的曲线50包括在竖直轴的水平上有突变。对于正的X轴和Y轴的第一象限，Y轴在原点有正值80。对于负的X轴和Y轴的第三象限，Y轴在原点有负值81。两个Y轴在原点为80和81则代表相应回动弹簧60或者 61的加载或者预加应力。它指的是当该装置处于它的平衡位置时，回动弹簧60和61所施加的力。对于这两个恢复弹簧60和61，该加载可以相等或不等。该加载允许增大每个象限的力峰值11和最小值13的值，更一般地说，可以使曲线10偏移。 [0065] 在图7上，同样表示表现力FC的变化与行程的关系的曲线82。在第一象限中，曲线82对应于用图2和3说明的力FC的演变。当圆形零件22与连接点30接触时，力FC的值为正。当圆形零件22与高点26接触时，力FC为零，而当圆形零件22与反向斜坡27接触时，力FC的值为负。 [0066] 为了细化该装置的建模，用曲线83表示当圆形零件22沿着凸轮40离开平衡位置移动时，圆形零件22的摩擦力FF的演变。当凸轮40离开平衡位置时，力FF的值与力FR具有同样的符号。当凸轮回归平衡位置时，力FF值的符号变号。为了不使图7过分繁琐，只表示正摩擦力FF。 [0067] 操作人员应该施加在触杆21上以便使之移动的力FO等于力FR、FC和FF之和。在图7上，当触杆离开平衡位置时，曲线10示出为力FO。由于摩擦力FF的符号为负，当触杆21回归平衡位置时，在这里未示出的曲线10趋近水平轴。回动弹簧60和61的加载可以把摩擦力FF考虑在内，以便避免最小值13太小，这可能导致触杆无法回到平衡位置。 |
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