專利名稱：用于提供觸摸反饋的觸覺顯示器的制作方法
用于提供觸摸反饋的觸覺顯示器
背景技術(shù)：
用于電信和計(jì)算機(jī)化設(shè)備的用戶接口傳統(tǒng)上已集中于視覺和聽覺人類感覺。許多電視、計(jì)算機(jī)和游戲站具有高分辨率視覺顯示器和用于立體或多聲道音頻輸出的能力。然而，其他人類感覺被大大地忽視且未在用戶接口中利用。特別地，作為人們?nèi)绾误w驗(yàn)世界的關(guān)鍵部分的觸覺在用戶接口設(shè)計(jì)中通常被忽視。在以相對(duì)粗糙的方式向用戶接口添加“觸摸”方面已存在一些有限努力。例如，為了增強(qiáng)計(jì)算機(jī)游戲的真實(shí)性，一些游戲控制器將電動(dòng)機(jī)與使玩游戲者的手震動(dòng)以指示碰撞或爆炸的旋轉(zhuǎn)不平衡載荷相結(jié)合。并且，已證明的是玻璃板的超聲波振動(dòng)能夠改變由于由超聲波振動(dòng)所引起的空氣夾帶(entrainment ofair)所致的手指與玻璃表面之間的摩擦力。已經(jīng)進(jìn)行了使用此類摩擦力改變的時(shí)間變化來(lái)模擬通過觸摸來(lái)感受對(duì)象的紋理的感覺的嘗試。


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關(guān)于以下附圖以示例的方式來(lái)描述本發(fā)明的一些實(shí)施例
圖I是用于向用戶的手提供觸摸反饋的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例構(gòu)造的觸覺顯示器(tactile display)的不意 圖2是圖I的觸覺顯示器的接觸表面的像素的示意性頂視 圖3是觸覺顯示器的一個(gè)實(shí)施例中的像素的振動(dòng)元件的示意性橫截面 圖4是觸覺顯示器的另一實(shí)施例中的像素的振動(dòng)元件的示意性橫截面 圖5是觸覺顯示器的另一實(shí)施例中的像素的振動(dòng)元件的示意性橫截面 圖6是觸覺顯示器的又另一實(shí)施例中的像素的振動(dòng)元件的示意性橫截面 圖7是將觸覺顯示器與視覺顯示器集成的用戶接口設(shè)備的示意性橫截面圖；以及 圖8是被用來(lái)提供所顯示對(duì)象的視覺和觸覺信息兩者的圖7的用戶接口設(shè)備的圖示。
具體實(shí)施例方式圖I示出用于通過觸摸向用戶提供觸覺信息的依照本發(fā)明的觸覺顯示設(shè)備100的實(shí)施例。如本文所使用的詞語(yǔ)“顯示器”概括地用來(lái)意指呈現(xiàn)用于由用戶感知的信息的輸出設(shè)備，并且此類信息是視覺、觸覺或聽覺的。如下文更詳細(xì)地描述的，觸覺顯示器100具有觸覺接觸表面102，其能夠向觸摸該表面的用戶的手110提供在空間和時(shí)間上變化的觸摸感覺。由接觸表面102提供的觸覺信息的空間變化不僅允許用戶的不同手指接收不同觸覺反饋，而且允許每個(gè)手指與接觸表面102的接觸區(qū)域的不同部分產(chǎn)生各種觸摸感覺，非常像人類手指通過觸摸來(lái)感覺真實(shí)對(duì)象的表面的方式。由接觸表面102提供的觸覺反饋使得在用戶接口中集成觸摸感覺以用于各種應(yīng)用的許多新方式能夠豐富用戶體驗(yàn)。例如，當(dāng)用戶在互聯(lián)網(wǎng)上購(gòu)買衣服時(shí)，關(guān)于用來(lái)制造衣服的織物的信息可以被傳送到用戶的計(jì)算機(jī)，其操作觸覺顯示器100的接觸表面102，使得用戶能夠觸摸織物的表面并感受其紋理。作為另一示例，針對(duì)太空或深海探索，可以將由機(jī)器人設(shè)備收集的遠(yuǎn)程對(duì)象的視覺和觸覺信息傳送給觀察者以允許觀察者不僅看到對(duì)象，而且通過使用觸覺顯示器100來(lái)觸摸對(duì)象。圖2示出圖I的觸覺設(shè)備100的實(shí)施方式。如圖2所示，可以大體上為平面的觸覺接觸表面102被劃分成多個(gè)像素120。如本文所使用的詞語(yǔ)“像素”用來(lái)意指接觸表面的觸覺顯示元件。如下文更詳細(xì)地描述的，每個(gè)像素120具有振動(dòng)元件，其能夠?qū)崿F(xiàn)變化頻率和振幅的時(shí)變位移，并且振動(dòng)元件的頂面的位移能夠在平面內(nèi)移動(dòng)以提供剪切位移或正交于顯示表面移動(dòng)以提供正交位移。可以與其他像素的振動(dòng)分開地調(diào)制每個(gè)像素的振動(dòng)。為此，可以使用與在對(duì)視覺顯示器諸如IXD顯示器的像素進(jìn)行尋址中所使用的類似的矩陣尋址來(lái)對(duì)像素120的陣列進(jìn)行尋址。如圖2所示，可以將像素120布置成二維陣列并用尋址線或電極的行和列來(lái)連接。通過選擇被連接到該像素的行尋址線126和列尋址線128來(lái)對(duì)每個(gè)像素進(jìn)行尋址。在有源矩陣配置中，可以在振動(dòng)元件下面制造晶體管和用于激勵(lì)像素120的振動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)電路132的其他部分。在無(wú)源矩陣配置中，用于激勵(lì)像素的振動(dòng)元件的電路可以遠(yuǎn)離像素設(shè)置，并且經(jīng)由像素的行和列尋址線126和128向像素提供用于對(duì)像素的振動(dòng)元件進(jìn)行致動(dòng)的能量。
可以根據(jù)觸覺接觸表面102的期望空間分辨率來(lái)選擇像素120的大小。在一些實(shí)施例中，可以將像素尺寸選擇為類似于或小于人類手指上的軀體感受器的最小空間分辨率。此類分辨率約為O. 5_。例如，在圖2的實(shí)施例中，像素的尺寸可以約為O. 3_。由小像素尺寸提供的高空間分辨率允許接觸表面102的像素提供足夠詳細(xì)的觸覺信息以模擬真實(shí)對(duì)象的表面特性。如圖2所示，用戶手指的接觸區(qū)域136可以覆蓋多個(gè)像素120。由于可以單獨(dú)地對(duì)像素進(jìn)行尋址，每個(gè)像素可以以不同的頻率和振幅振動(dòng)以產(chǎn)生其自己的觸摸“感受”。接觸區(qū)域120中的多個(gè)像素的集合因此可以提供豐富范圍的觸摸感覺。此外，隨著用戶跨越接觸表面120移動(dòng)手指，由表面的像素提供的不同觸摸感覺可以提供觸摸真實(shí)對(duì)象的表面的感受的真實(shí)呈現(xiàn)。特別地，如果跟蹤手指的位置，則可以向手指和/或手給予適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和空間變化的位移以模擬在手指實(shí)際上移動(dòng)跨越給定對(duì)象表面的情況下將發(fā)生的那些位移。如上所述，每個(gè)像素120具有被結(jié)構(gòu)化成產(chǎn)生期望的振動(dòng)頻率范圍和振幅的振動(dòng)元件，所述期望的振動(dòng)頻率范圍和振幅取決于旨在由像素的振動(dòng)激發(fā)的感受器細(xì)胞(cell)的類型。例如，被用于檢測(cè)外形和紋理的人類手指中的Merkel細(xì)胞具有約O. 5mm的空間分辨率、在5Hz下具有峰值敏感度的O - IOOHz的感測(cè)頻率范圍，以及30Mm的激活振幅的平均閾值。作為對(duì)比，被用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和抓握控制的人類手指中的Meissner細(xì)胞具有3mm的空間分辨率、在50Hz下具有峰值敏感度的I - 300Hz的檢測(cè)頻率范圍以及6Mm的平均閾值，其小于Merkel細(xì)胞的平均閾值。諸如Pacinian和Ruffini細(xì)胞的其他類型的軀體感受器具有其自己的相應(yīng)空間分辨率、頻率范圍以及激活閾值。圖3示出觸覺接觸表面102的一個(gè)實(shí)施例中的像素120的振動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，像素120被結(jié)構(gòu)化成在諸如O - IOOOHz的相對(duì)低的頻率范圍內(nèi)提供相對(duì)大的位移振幅，諸如幾微米至幾十微米，以促進(jìn)由人類手指中的Merkel和/或Meissner細(xì)胞進(jìn)行的檢測(cè)。每個(gè)像素的振動(dòng)元件160包括布置在兩個(gè)電極166和168之間的致動(dòng)器材料162，諸如聚氟乙烯(PVF2)或另一類型的電活性聚合物。該電活性聚合物(EAP )可以是介電彈性體或離子聚合物金屬?gòu)?fù)合物。電極166、168可以是無(wú)源矩陣尋址配置中的尋址線，或者在使用有源矩陣尋址配置時(shí)與尋址線分離。
圖4示出了使用振動(dòng)元件的不同構(gòu)造的觸覺接觸表面102的像素120的另一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，振動(dòng)元件170將以相對(duì)高的振動(dòng)頻率操作,諸如超聲波頻率。已經(jīng)示出了當(dāng)手指觸摸以超聲波頻率振動(dòng)的表面時(shí)，在振動(dòng)表面與手指之間可能夾帶(entrain)空氣層，從而降低手指與表面之間的摩擦力。在本實(shí)施例中，像素可以被致動(dòng)而在不同的頻率和振幅下振動(dòng)或被獨(dú)立地開啟和關(guān)閉。因此，從一個(gè)像素至相鄰像素，摩擦力可以是不同的?？梢詫⒛Σ亮υ谟脩羰种缚缭较袼匾苿?dòng)時(shí)的空間和/或時(shí)間變化解釋為表面紋理。通過改變像素的超聲波振動(dòng)的頻率和持續(xù)時(shí)間，接觸表面可以模擬真實(shí)對(duì)象的紋理的感受。為了在超聲波頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)，每個(gè)像素120的振動(dòng)元件170可以使用極化壓電材料。壓電材料層172被布置在兩個(gè)電極176和178之間以便施加AC電壓以將壓電材料致動(dòng)成振動(dòng)。可以用來(lái)形成層172的壓電材料包括氧化鋅(ZnO)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BaTi03)、鈮酸鈉鉀(NaKNb)等。壓電材料還可以是聚合物材料，諸如聚偏二氟乙烯(PVDF)。在如圖5所示的另一實(shí)施例中，將在圖3和4的實(shí)施例中所使用的兩個(gè)類型的致動(dòng)材料組合。在本實(shí)施例中，每個(gè)像素120的振動(dòng)元件180具有兩個(gè)層。下層182用于較 低振動(dòng)頻率，并使用布置在電極186和187之間的適當(dāng)致動(dòng)材料，諸如PVF2或另一電活性聚合物。上層184用于超聲波振動(dòng)頻率并使用布置在電極187和188之間的壓電材料，諸如ZnO或PZT。當(dāng)兩個(gè)層182和184被激活時(shí)，像素120的振動(dòng)狀態(tài)是較低頻率振動(dòng)與超聲波振動(dòng)的組合?？梢酝ㄟ^手指中的軀體感受器來(lái)感測(cè)具有相對(duì)高振幅的像素的較低頻率振動(dòng)，同時(shí)超聲波振動(dòng)改變手指與像素120之間的摩擦力。通過將軀體感測(cè)與摩擦力調(diào)制組合，圖5的像素能夠向用戶的手指提供豐富的一組觸摸感覺。圖6示出了使用彎曲致動(dòng)器作為觸覺像素中的振動(dòng)元件的另一實(shí)施例。如圖6所示，每個(gè)像素120的振動(dòng)元件190具有被接合在一起以形成彎曲致動(dòng)器的兩個(gè)壓電層191和192。兩個(gè)壓電層191和192被布置成使得當(dāng)向電極195和196施加電壓時(shí)，一個(gè)層沿著平面方向擴(kuò)展而另一層沿著平面方向收縮。一個(gè)層中的擴(kuò)展和另一層中的收縮促使雙層結(jié)構(gòu)起皺或彎曲。通過使所施加電壓的極性交替，振動(dòng)元件190沿著觸覺接觸表面102的法線方向向上和向下彎曲。與圖4的實(shí)施例中的壓電層172相比，彎曲致動(dòng)器能夠?qū)崿F(xiàn)明顯更大的位移。因此，可以操作振動(dòng)元件190以在用戶的手指觸摸接觸表面102時(shí)可被Merkel和Meissner細(xì)胞檢測(cè)的頻率和振幅振動(dòng)。返回圖2，在一些實(shí)施例中，可以將觸覺接觸表面102的像素120去激活，使得當(dāng)其未被觸摸時(shí)，其不振動(dòng)。通過不對(duì)未被觸摸的像素進(jìn)行致動(dòng)，可以顯著地減少觸覺顯示設(shè)備100的音頻噪聲和能量消耗。圖2示出了當(dāng)使用有源矩陣尋址布置來(lái)啟用像素的單獨(dú)尋址時(shí)的此類控制的一個(gè)實(shí)施方式。每個(gè)像素120的驅(qū)動(dòng)電路132包括光敏開關(guān)202，其可以采取光敏晶體管或光敏晶體管與晶體管的組合的形式。當(dāng)像素120被手指覆蓋時(shí)，到像素的環(huán)境光被手指切斷。結(jié)果，光敏開關(guān)202被接通，允許驅(qū)動(dòng)電路132進(jìn)行操作以激勵(lì)像素的振動(dòng)元件。當(dāng)像素未被手指覆蓋時(shí)，光敏開關(guān)202被暴露于環(huán)境光且因此被關(guān)斷。結(jié)果，驅(qū)動(dòng)電路132未激活，并且像素不振動(dòng)。還可以使用像素120的光敏開關(guān)202的開關(guān)狀態(tài)來(lái)確定用戶手指的當(dāng)前位置。然后可以使用此信息來(lái)確定作為時(shí)間的函數(shù)的手指移動(dòng)，使得能夠?qū)⑦m當(dāng)?shù)恼駝?dòng)模式發(fā)送到像素以產(chǎn)生期望的觸覺反饋。在上述實(shí)施例中，用于觸摸反饋的觸覺接觸表面102可以位于與用戶接口裝置的視覺顯示器分離的設(shè)備100上。圖7示出了其中將觸覺顯示器與視覺顯示器集成以形成能夠同時(shí)提供視覺和觸覺信息的一個(gè)用戶接口設(shè)備220的實(shí)施例。如圖7所示，觸覺接觸表面222被覆蓋在視覺顯示器226之上。例如，視覺顯示器可以是IXD顯示器，但是還可以使用其他類型的顯示器。由視覺顯示器226產(chǎn)生的光被透射通過觸覺接觸表面222以供用戶觀看。同時(shí)，可以對(duì)接觸表面222的像素進(jìn)行致動(dòng)以向用戶的手指提供觸覺反饋。為了允許由視覺顯示器226產(chǎn)生的光通過接觸表面222，接觸表面的像素的振動(dòng)元件的致動(dòng)材料可以由透明材料形成。如果使用有源矩陣尋址，則用于驅(qū)動(dòng)像素的晶體管可以是由諸如ZnO或ZnSnO的透明材料形成的透明薄膜晶體管。針對(duì)有源矩陣或無(wú)源矩陣尋址配置，行和列尋址線可以具有小寬度以使光阻擋最小化，或者由諸如ZnO或InSnO的透明導(dǎo)電氧化物制成。圖8圖示可以有利地使用用戶接口設(shè)備220的方式。當(dāng)設(shè)備220的視覺顯示器生成對(duì)象的圖像232時(shí)，可以操作覆蓋在視覺顯示器之上的接觸表面222以提供關(guān)于直接對(duì)應(yīng)于所顯示的圖像的對(duì)象的觸覺信息。這樣，用戶可以觸摸所顯示的對(duì)象圖像232并獲得關(guān)于對(duì)象的觸覺反饋。例如，當(dāng)在互聯(lián)網(wǎng)上購(gòu)物的用戶使用設(shè)備220來(lái)顯示皮革手提包的圖像時(shí)，可以將用于該手提包的觸覺信息下載到用戶的計(jì)算機(jī)并用來(lái)對(duì)接觸表面222進(jìn)行 致動(dòng)。用戶然后不僅能夠看到手提包的圖像，而且能夠觸摸圖像以感覺手提包的表面紋理和形狀。利用此能力來(lái)“觸摸你所看到的”以增強(qiáng)用戶接口體驗(yàn)的可能方式是無(wú)限的。在前述說明中，闡述了許多細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是可以在沒有這些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施本發(fā)明。雖然已關(guān)于有限數(shù)目的實(shí)施例公開了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到由此而來(lái)的許多修改和變更。意圖在于所附權(quán)利要求覆蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的此類修改和變更。
權(quán)利要求
1.一種用于提供觸摸反饋的用戶接口設(shè)備，包括 接觸表面，具有多個(gè)可尋址像素，每個(gè)像素具有可激勵(lì)用于在所選頻率和振幅下產(chǎn)生振動(dòng)的振動(dòng)元件，接觸表面的所選像素的振動(dòng)向觸摸所述接觸表面的用戶的手指提供觸覺反饋。
2.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，所述振動(dòng)元件以可被用戶的手指的軀體感受器檢測(cè)的頻率產(chǎn)生振動(dòng)。
3.權(quán)利要求2的用戶接口設(shè)備，其中，所述振動(dòng)元件包括一層電活性聚合物材料。
4.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，所述振動(dòng)元件包括用于以超聲波頻率產(chǎn)生振動(dòng)的致動(dòng)器。
5.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，振動(dòng)元件包括彎曲致動(dòng)器。
6.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，所述像素被行尋址線和列尋址線連接以用于有源矩陣尋址。
7.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，每個(gè)像素具有布置在振動(dòng)元件下面的驅(qū)動(dòng)電路，并且該驅(qū)動(dòng)電路包括當(dāng)像素未被覆蓋時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路使得像素不振動(dòng)的光敏開關(guān)。
8.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，所述像素被行尋址線和列尋址線連接以用于無(wú)源矩陣尋址。
9.權(quán)利要求I的用戶接口設(shè)備，其中，每個(gè)像素的振動(dòng)元件包括用于以第一頻率范圍振動(dòng)的第一致動(dòng)器和用于以第二頻率范圍振動(dòng)的第二致動(dòng)器。
10.權(quán)利要求9的用戶接口設(shè)備，其中，所述第一致動(dòng)器用于以超聲波頻率范圍振動(dòng)，并且所述第二致動(dòng)器用于以可被人類手指中的軀體感受器檢測(cè)的頻率范圍振動(dòng)。
11.權(quán)利要求9的用戶接口設(shè)備，其中，所述像素具有O.5mm或更小的尺寸。
12.—種接口設(shè)備，包括 視覺顯示器； 用于證實(shí)觸摸反饋的觸覺接觸表面，該觸覺接觸表面被覆蓋在視覺顯示器之上并包括多個(gè)可尋址像素，每個(gè)像素具有可激勵(lì)以用于在所選頻率和振幅下振動(dòng)的振動(dòng)元件，所選像素的振動(dòng)向觸摸所述接觸表面的用戶的手指提供觸覺反饋。
13.如權(quán)利要求12所述的用戶接口設(shè)備，其中，所述振動(dòng)元件包括用于以超聲波頻率振動(dòng)的致動(dòng)器。
14.如權(quán)利要求12所述的用戶接口設(shè)備，其中，所述振動(dòng)元件以可被用戶的手指中的軀體感受器檢測(cè)的頻率范圍和振幅振動(dòng)。
15.如權(quán)利要求12所述的用戶接口設(shè)備，其中，所述振動(dòng)元件包括彎曲致動(dòng)器。
全文摘要
一種觸覺顯示器具有接觸表面，其具有多個(gè)可尋址像素。每個(gè)像素具有可激勵(lì)而以所選頻率和振幅振動(dòng)的振動(dòng)元件。觸覺顯示器的所選像素的振動(dòng)向觸摸所述接觸表面的用戶的手指提供觸覺反饋。
文檔編號(hào)G06F3/01GK102844726SQ201080066481
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者W.杰克遜, P.梅 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)