[发明专利]具有旋转单元的触觉操作装置和方法

说明书

本发明涉及具有磁流变传动设备的触觉操作装置，具体地，涉及一种磁流变力或转矩传递设备，第一组件与相对于第一组件静止或移动的至少一个第二组件之间的传动能够通过组件之间的流体的磁流变性质而改变。根据本发明的触觉操作装置可用于各种技术领域，例如用于操作诸如车辆或工业设施的技术设备或者用于操作洗衣机、厨房电器、收音机、高保真音响系统或其他设备。

例如，磁流变流体具有非常细的铁磁颗粒，例如分布在油中的羰基铁粉。在磁流变流体中使用具有1至10微米的生产相关直径的球形颗粒，在这种情况下，颗粒尺寸不均匀。如果对这种磁流变流体施加磁场，则磁流变流体的羰基铁颗粒沿着磁场线联结，结果是磁流变流体(MRF)的流变性质根据磁场的形式和强度而被显著影响。

WO2012/034697A1公开了一种具有两个组件的磁流变传动设备，这两个组件可耦合并且其耦合强度可被影响。为了影响耦合强度，提供包含磁流变介质的通道。经由磁场影响通道中的磁流变介质。在通道中设置旋转体，在旋转体上设置容纳磁流变介质的锐角区域。来自磁场生成装置的磁场可被施加到通道或通道的至少一部分，以便选择性地使颗粒联结并将其楔入旋转体或释放它们。该磁流变传动设备也可用在操作技术装置的旋钮上。这种磁流变传动设备起作用并允许传递非常高的力或转矩，同时具有相对小的设计。

EP 1 168 622 A2在图1中公开了作为触觉操作元件的填充有电控流体的旋钮，在旋转固定的软磁轭环与同样旋转固定的软磁环之间设置填充有磁流变流体的薄剪切间隙。在剪切间隙中布置薄壁可旋转调节轮。对应制动转矩基于作用在剪切间隙上的磁场来作用。这样做的缺点是在外侧和内侧包围静止的外软磁环的极其宽广的薄剪切间隙，结果是基础摩擦由于所包括的流体而非常高(磁流变流体＝与蜂蜜类似的粘度)。另外，调节轮根据作为磁路的一部分的旋转固定的软磁环的形状来预定义。结果，无法由任何期望的材料制造调节轮。EP 1 168 622 A2的图2公开了另一示例性实施方式，其中调节轮用作回流铁并且是磁路的可旋转部分。调节轮完全包围轭铁、线圈和多个轭环的固定结构。磁场径向地穿过剪切间隙延伸。缺点是薄剪切间隙同样非常宽广并且实际上与调节轮的内表面一样大。另外，调节轮是磁路的一部分，因此仅可由具有所需磁性质的特定材料制造。EP 1 168 622 A2的图3公开了具有旋转致动器的另一示例性实施方式，并且由软磁材料构成的层压定子部分具有电枢绕组并且在径向内定子部分与径向外定子部分之间的磁活性间隙中生成径向延伸的磁场。两个定子部分彼此连接并由软磁材料构成。该间隙包含经由轴连接到钟形操作体的环形非磁性转子。间隙还包含磁流变流体。在轴周围，转子具有钟形转子体，其环形壁啮合在径向内定子部分与径向外定子部分之间的间隙中。同样在此示例性实施方式中，转子体与定子部分之间的剪切区域非常大，因此生成非常高的基础转矩。使用手指的操作在日常操作中不可能。因此，根据EP 1 168 622 A2的触觉操作元件不适合用作灵敏的触觉操作元件。

在许多测试中已发现，事实上仅在基础转矩(磁场关闭时的空转转矩；关闭状态转矩)小于0.1牛顿米(Nm)时，触觉操作元件可在商业上用作汽车中的信息娱乐标准产品、用于智能装置上的旋转致动器或者用作装置(例如：示波器)上的致动器。这适用于30、40或50mm的典型旋钮直径。如果使用特别小的旋钮直径(例如<5或10mm)，则显著低于0.2Nm的基础转矩是非常有利和必要的。

在基于磁流变的标准产品中，无法容易地实现小于0.2Nm的基础转矩。具有磁流变流体(MRF)的制动器或离合器可用于线控转向(大方向盘或大力引入距离)或用于机器中的制动操作。在市售的产品中，基础转矩为0.4至0.6Nm，也就是说，比纯机械旋转致动器的现有技术高10至-40倍。这些单元的最大转矩介于5和12Nm之间。因此，基础转矩与最大转矩之间的重要因素(操作范围因素)在现有技术的12至20倍的范围内。因此，迄今为止还没有根据MRF剪切原理的MRF操作旋钮被实现为汽车中的标准部件。