專利名稱：透明復(fù)合壓電組合的觸摸傳感器和觸覺致動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括透明復(fù)合壓電組合的觸摸傳感器和觸覺致動(dòng)器(transparent composite piezoelectric combined touch sensor and haptic actuator)的角蟲覺設(shè)備。
背景技術(shù)：
電子設(shè)備制造商致力于為用戶生成豐富的界面。常規(guī)的電子設(shè)備通常提供視覺和 /或聽覺反饋用以向用戶傳遞信息。在某些情況下，還向用戶提供動(dòng)覺反饋(諸如，主動(dòng)力和阻力反饋)和/或觸知反饋(諸如，振動(dòng)、質(zhì)地和熱)。一般而言，動(dòng)覺反饋和觸知反饋被統(tǒng)稱為“觸覺反饋”或“觸覺效果”。觸覺反饋在提供線索以警報(bào)用戶特定事件或提供逼真的反饋知覺以創(chuàng)建更強(qiáng)的感官體驗(yàn)的情況下是有用的。觸覺反饋可用于普通電子設(shè)備，更可用于創(chuàng)建模擬或虛擬環(huán)境的設(shè)備。在過去，已使用各種觸覺致動(dòng)技術(shù)來為諸如觸摸屏的觸摸敏感設(shè)備提供振動(dòng)觸知的觸覺反饋。已知的觸覺反饋設(shè)備使用電氣致動(dòng)器，諸如線性諧振致動(dòng)器(“LRA”)設(shè)備和偏心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(“ERM”)設(shè)備。然而，這些致動(dòng)器通常不可伸縮，而且并非總能在觸覺應(yīng)用中充分表現(xiàn)。這些設(shè)備通常很笨重并且難以符合某些空間的限制。用于觸摸敏感設(shè)備的另一種常規(guī)觸覺反饋技術(shù)是電活性聚合物(“ΕΑΡ”)設(shè)備。 然而，該技術(shù)的一大缺點(diǎn)是基于EAP的致動(dòng)器通常需要幾千伏的電力才能提供適于觸覺應(yīng)用的效果。隨著觸覺反饋結(jié)構(gòu)的發(fā)展，已經(jīng)能夠制造更小、更緊致的設(shè)備。因此，用于在觸摸敏感設(shè)備中提供觸覺反饋的另一線的技術(shù)是單片壓電陶瓷。由這類陶瓷制成的致動(dòng)器被稱為單片壓電致動(dòng)器，并且因?yàn)槠涞某叽缈缮炜s性和快速動(dòng)力學(xué)性而為觸覺反饋提供了令人滿意的解決方案。然而，將這些致動(dòng)器機(jī)械結(jié)合并安裝到消費(fèi)產(chǎn)品內(nèi)卻通常是麻煩的。此外，單片壓電陶瓷通常非常易碎并且會(huì)由于并入該陶瓷的電子設(shè)備摔落或承受其他類似的力或應(yīng)力而破裂。將單片壓電陶瓷結(jié)合到商業(yè)產(chǎn)品通常會(huì)是困難的。對(duì)于這些觸覺反饋設(shè)備而言，使用分離的觸摸傳感器感測(cè)是否應(yīng)該起動(dòng)觸覺反饋效果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，使用透明復(fù)合壓電技術(shù)創(chuàng)建可用于諸如觸摸屏的觸覺設(shè)備內(nèi)的透明復(fù)合壓電組合的觸摸傳感器和觸覺致動(dòng)器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種觸覺設(shè)備，所述觸覺設(shè)備包括基底以及覆蓋在所述基底上的基本透明的復(fù)合壓電單元。所述壓電單元包括傳感器壓電層，其被配置為在所述傳感器壓電層形變時(shí)生成第一信號(hào)，以及致動(dòng)器壓電層，其被配置為在接收到基于第一信號(hào)的第二信號(hào)時(shí)提供觸覺效果。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種觸覺設(shè)備，所述觸覺設(shè)備包括基本透明的復(fù)合壓電單元，其被配置為測(cè)量所述單元的表面的形變并且作為所述形變的結(jié)果提供觸覺效果。所述單元包括第一電極，第二電極，以及在所述第一電極和所述第二電極之間的多個(gè)壓電陶瓷材料。當(dāng)在所述第一電極和所述第二電極之間創(chuàng)建電場(chǎng)時(shí)，壓電陶瓷材料致動(dòng)以提供所述觸覺效果。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種觸覺設(shè)備，所述觸覺設(shè)備包括含有傳感器單元的陣列的基本透明的壓電傳感器層，含有可獨(dú)立致動(dòng)的致動(dòng)器單元的陣列的基本透明的壓電致動(dòng)器層；以及被配置為顯示透過所述基本透明的壓電傳感器層和所述基本透明的壓電致動(dòng)器層可見的圖像的顯示器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以使用矩形或圓形(或其他幾何形狀)單元形式的多個(gè)組合的觸摸傳感器和觸覺致動(dòng)器單元，由此創(chuàng)建能夠同時(shí)提供隔離的局部觸覺反饋的觸摸屏/觸摸板設(shè)備。傳感器和致動(dòng)器的功能性可由單個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，由此相比于傳統(tǒng)替換方案，可以獲得結(jié)合方法更簡(jiǎn)單的更薄、更緊致的解決方案。復(fù)合壓電傳感器/致動(dòng)器可由各種形式的因素(可伸縮性)制成，從而使其適用于不同的應(yīng)用。復(fù)合壓電材料可以被優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)針對(duì)每個(gè)應(yīng)用加以調(diào)整的特定機(jī)電屬性。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸摸傳感器可以不僅用于檢測(cè)觸摸，還可用于測(cè)量輸入壓力的大小。此外，由于復(fù)合壓電材料的快速動(dòng)力學(xué)和優(yōu)越的致動(dòng)性能，使得本發(fā)明的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍的豐富觸覺效果，諸如振動(dòng)觸知或動(dòng)覺效果和/ 或靜態(tài)或動(dòng)態(tài)形變。本公開中描述的各實(shí)施例可以包括無需在本文明確公開但對(duì)閱讀了其后詳細(xì)描述和附圖的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言顯見的各種特征和優(yōu)點(diǎn)。這些特征和優(yōu)點(diǎn)旨在被包括在本公開的范圍內(nèi)。


例示了附圖的各個(gè)部件以強(qiáng)調(diào)本公開的普遍原理，并且各部件沒有必要按比例繪制。出于一致性和清楚的考慮，在附圖中盡量重復(fù)指代相應(yīng)部件的參考編號(hào)。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電子設(shè)備的常規(guī)示意圖的框圖；圖2A是例示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的橫截面視圖的示意圖；圖2B是例示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的橫截面視圖的示意圖；圖2C是例示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的橫截面視圖的示意圖；圖3是例示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的一部分的透視圖的示意圖；圖4是圖3觸覺設(shè)備的一部分的更詳細(xì)視圖；圖5是例示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的復(fù)合壓電結(jié)構(gòu)的一部分的透視圖的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的示意圖；圖7A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的分解示意圖；以及圖7B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的觸覺設(shè)備的分解示意圖。
具體實(shí)施例方式本公開描述了包括觸覺反饋致動(dòng)器的觸覺設(shè)備的實(shí)施例，其中所述觸覺反饋致動(dòng)器經(jīng)由用戶界面、人機(jī)接口、或者所述致動(dòng)器位于其上或其內(nèi)的用戶設(shè)備的其他部分，向用戶施與觸覺效果。更具體地，本文描述的觸覺設(shè)備的實(shí)施例可被配置為向用戶設(shè)備的觸摸敏感表面施加觸覺效果。在某些實(shí)施例中，觸摸敏感表面是可以包括視覺輸出機(jī)構(gòu)和觸摸敏感輸入機(jī)構(gòu)兩者的顯示器設(shè)備的一部分。于是，觸覺反饋可被應(yīng)用于諸如電子手持設(shè)備的用戶設(shè)備，從而為用戶提供豐富的感官體驗(yàn)。相比于使用單片壓電致動(dòng)器，本公開描述了使用“復(fù)合壓電材料”提供觸覺反饋。 觸覺反饋還可被稱為觸知效果、觸知反饋、觸覺效果、力反饋、或者振動(dòng)觸知反饋。復(fù)合壓電材料可用于實(shí)現(xiàn)觸覺反饋設(shè)備的特定性質(zhì)。例如，可以優(yōu)化機(jī)械強(qiáng)度、硬度、阻尼系數(shù)、粗糙度、柔性、位移長(zhǎng)度比、功耗、致動(dòng)力等，以符合特定應(yīng)用的具體機(jī)電目標(biāo)。此外，因?yàn)閺?fù)合壓電材料的柔性性質(zhì)，觸覺反饋致動(dòng)器可用作放置在觸覺反饋致動(dòng)器上的觸摸屏的粘彈性懸架(viscoelastic suspension) 0通過調(diào)諧粘彈性特性，可以調(diào)整觸摸屏結(jié)構(gòu)的諧振頻率。雖然在此描述的許多示例有關(guān)觸摸屏設(shè)備，但是應(yīng)該理解本公開同樣涵蓋涉及觸摸敏感結(jié)構(gòu)的其他類型的人機(jī)接口。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀并理解了本公開的普遍原理之后將顯見其他特征和優(yōu)點(diǎn)。這些其他特征和優(yōu)點(diǎn)同樣旨在被包括在本公開內(nèi)。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的電子設(shè)備10的框圖。更具體地，電子設(shè)備10 包括經(jīng)由總線18互聯(lián)的處理設(shè)備12、存儲(chǔ)器設(shè)備14、以及輸入/輸出設(shè)備16。此外，輸入 /輸出設(shè)備16包括觸摸屏設(shè)備20或者其他人機(jī)接口設(shè)備。觸摸屏設(shè)備20可被配置為任何合適的人機(jī)接口或觸摸/接觸表面組件。觸摸屏設(shè)備20可以是任何觸摸屏、觸摸板、觸摸敏感結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、膝上型顯示設(shè)備、工作簿顯示設(shè)備、信息站屏幕、便攜式電子設(shè)備屏幕、或者其他合適的觸摸敏感設(shè)備。觸摸屏設(shè)備20可被配置為與用戶控制的設(shè)備(諸如，輸入筆、手指等)物理交互。在某些實(shí)施例中， 觸摸屏設(shè)備20可以包括至少一個(gè)輸出設(shè)備和至少一個(gè)輸入設(shè)備。例如，觸摸屏設(shè)備20可以包括視覺顯示器以及疊加其上的用于接收來自用戶手指輸入的觸摸敏感屏幕。在各實(shí)施例中，觸摸屏設(shè)備20將觸摸反饋提供給電子設(shè)備10的至少一部分，由此能被傳達(dá)給與電子設(shè)備10接觸的用戶。具體地，觸摸屏設(shè)備20能夠提供向其觸摸屏本身提供觸覺反饋，以在用戶與該屏幕接觸時(shí)施加觸覺效果。觸覺效果可用于增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，尤其可以向用戶提供該用戶已與要被觸摸屏設(shè)備20檢測(cè)的屏幕進(jìn)行充分接觸的確認(rèn)。電子設(shè)備10可以是任何設(shè)備，諸如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、電子工作簿、電子手持設(shè)備(諸如，移動(dòng)電話、游戲設(shè)備、個(gè)人數(shù)字助理(“PDA”)、便攜式電子郵件設(shè)備、便攜式因特網(wǎng)接入設(shè)備、計(jì)算器等)、信息站(諸如，自動(dòng)售貨機(jī)、購票機(jī)等)、打印機(jī)、銷售點(diǎn)設(shè)備、游戲控制器、或其他電子設(shè)備。處理設(shè)備12可以是用于管理或控制電子設(shè)備10的操作和功能的通用或?qū)Ｓ锰幚砥骰蛭⑻幚砥鳌＠?，處理設(shè)備12可被特別設(shè)計(jì)作為專用集成電路(“ASIC”)以控制送至輸入/輸出設(shè)備16的驅(qū)動(dòng)器從而提供觸覺效果的輸出信號(hào)。處理設(shè)備12可被配置為基于預(yù)定義因數(shù)來確定要運(yùn)行什么樣的觸覺效果，運(yùn)行觸覺效果的次序、以及幅度、頻率、持續(xù)時(shí)間、和/或觸覺效果的其他參數(shù)。處理設(shè)備12還可被配置為提供可以被用于驅(qū)動(dòng)觸覺致動(dòng)器以提供具體的觸覺效果的流式電機(jī)命令。在某些實(shí)施例中，處理設(shè)備12實(shí)際上可以包括多個(gè)處理器，每個(gè)處理器被配置用于執(zhí)行電子設(shè)備10中的某些功能。存儲(chǔ)器設(shè)備14可以包括一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部固定的存儲(chǔ)單元、可移除存儲(chǔ)單元、和/ 或可遠(yuǎn)程訪問存儲(chǔ)單元。各種存儲(chǔ)單元可以包括易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器的任意組合。存儲(chǔ)單元可被配置為存儲(chǔ)信息、數(shù)據(jù)、指令、軟件代碼等的任意組合。更具體地，存儲(chǔ)設(shè)備可以包括觸覺效果簡(jiǎn)檔、如何驅(qū)動(dòng)輸入/輸出設(shè)備16的觸覺致動(dòng)設(shè)備的指令、或者用于生成觸覺效果的其他信息。除了觸摸屏設(shè)備20之外，輸入/輸出設(shè)備16還可以包括特定的輸入機(jī)構(gòu)和輸出機(jī)構(gòu)。例如，輸入機(jī)構(gòu)可以包括諸如鍵盤、小鍵盤、光標(biāo)控制設(shè)備(例如，計(jì)算機(jī)鼠標(biāo))或者其他數(shù)據(jù)輸入設(shè)備的設(shè)備。輸出機(jī)制可以包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器設(shè)備、音頻輸出設(shè)備、打印機(jī)、或其他外圍設(shè)備。輸入/輸出設(shè)備16可以包括被設(shè)計(jì)用于不僅接收來自用戶的輸入還向用戶提供反饋(諸如觸摸屏設(shè)備的許多示例)的機(jī)構(gòu)。觸摸屏設(shè)備20和其他輸入/輸出設(shè)備16可以包括按鈕、小鍵盤、光標(biāo)控制設(shè)備、觸摸屏組件、輸入筆接收部件或者其他數(shù)據(jù)輸入部件的任何合適的組合和配置。觸摸屏設(shè)備20還可以包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視器、顯示屏幕、觸摸屏顯示器、觸覺或觸知致動(dòng)器、觸覺效果設(shè)備、或用于向用戶提供輸出的其他通知設(shè)備的任何合適的組合。圖2A例示了觸覺設(shè)備30的實(shí)施例的橫截面，其中該觸覺設(shè)備30可以是諸如圖1 例示的觸摸屏設(shè)備20的觸摸屏設(shè)備。如圖所示，觸覺設(shè)備包括基底32，如下將進(jìn)一步詳細(xì)討論的，該基底32可以是觸摸屏玻璃板，或是柔性結(jié)構(gòu)。基本透明(即，至少40%透明度) 的復(fù)合壓電單元34覆蓋基底32或位于基底32頂部之上，從而在用戶觸摸時(shí)，用戶看上去像是觸摸所述觸摸屏，但其實(shí)觸摸的是復(fù)合壓電單元34。如圖2A所示，復(fù)合壓電單元34包括具有不同機(jī)電性質(zhì)的層，包括可以是在被觸摸時(shí)在微尺度形變的寬層并由此用作傳感器的頂部復(fù)合層36、以及用作致動(dòng)器的底部復(fù)合層 38。頂層36的柔性使得在底層38生成的觸覺效果能夠被轉(zhuǎn)移到正與設(shè)備交互的人手。相互交錯(cuò)(interdigitated)的電極系統(tǒng)可用于使用直接壓電效應(yīng)檢測(cè)頂層36上的觸摸，并且隨后使用由檢測(cè)到的觸摸生產(chǎn)的信號(hào)，從而提供該信號(hào)以致動(dòng)底層38。在一個(gè)實(shí)施例中， 頂部復(fù)合層36可以用作致動(dòng)器，而底部復(fù)合層38則可用作傳感器。可以使用各種連接模式用以將頂層36附連至底層38，從而優(yōu)化系統(tǒng)的機(jī)電屬性。 例如，可以選擇在用作傳感器的層提供相對(duì)柔性(可形變)介質(zhì)的模式，從而允許更好的觸摸檢測(cè)功能，同時(shí)具有相對(duì)剛性結(jié)構(gòu)的核心層則可作為被用作致動(dòng)器的層。圖2B例示了包括基底132(類似于圖2A的基底3 和基本透明的復(fù)合壓電單元 134的觸覺設(shè)備130的實(shí)施例，其中基本透明的復(fù)合壓電單元134覆蓋基底132或位于基底 132頂部之上，從而在用戶觸摸觸覺設(shè)備130的頂表面時(shí)，用戶觸摸的是復(fù)合壓電單元134。 在一個(gè)實(shí)施例中，基底132可以是被配置為透過壓電單元134顯示圖像的顯示器，并且由于壓電單元134是透明的，因此用戶可能會(huì)認(rèn)為顯示器本身正被觸摸。如圖2B所示，基本透明的復(fù)合壓電單元134包括覆蓋在基底132上的第一層136、覆蓋在第一層136上的第二層 138、覆蓋在第二層138上的第三層140、以及覆蓋在第三層140上的第四層142。例示的實(shí)施例并不旨在進(jìn)行任何形式的限制，并且可以使用多于或少于例示的四層的層，例如3層、 5層、6層等。在一個(gè)實(shí)施例中，四層中的一層(諸如第四層142)可被配置為用作傳感器，而剩余各層(即，第一層136、第二層138、和第三層140)可被配置為用作致動(dòng)器。相互交錯(cuò)的電極系統(tǒng)可用于使用直接壓電效應(yīng)檢測(cè)用作傳感器的層上的觸摸，并且隨后使用由檢測(cè)到的觸摸生成的信號(hào)，從而提供各獨(dú)立的信號(hào)以致動(dòng)用作致動(dòng)器的各層，從而生成期望的觸覺效果。例如，如果期望的話，在一個(gè)實(shí)施例中，所述信號(hào)被基本同時(shí)地提供給所有三個(gè)層， 以相比于由用作致動(dòng)器的單層產(chǎn)生觸覺效果來強(qiáng)化所述效果。圖2C例示了其中類似于圖2A和2B例示的觸覺設(shè)備30和130包括基底232和基本透明的復(fù)合壓電單元234的觸覺設(shè)備230是柔性的實(shí)施例。柔性意味著相對(duì)于在當(dāng)前觸摸屏內(nèi)發(fā)生的輕微撓曲，使得設(shè)備能夠在大范圍內(nèi)發(fā)生形變。柔性的基本透明的壓電單元 234和基底232例如可以是可彎曲的，可折疊的，或是可卷起的(rollable)?？删砥鸬慕Y(jié)構(gòu)是其中可彎曲的結(jié)構(gòu)能夠彎曲回其本身以形成一個(gè)卷的結(jié)構(gòu)。如圖3和圖4所例示，被配置為用作傳感器的層和被配置為用作致動(dòng)器的層可以復(fù)合壓電致動(dòng)器/傳感器單元的形式組合到單個(gè)模塊中。圖3和圖4例示了帶有其關(guān)聯(lián)電極42的復(fù)合壓電致動(dòng)器/傳感器單元40的橫截面。復(fù)合壓電單元40包括結(jié)構(gòu)性粘合劑 46(諸如環(huán)氧樹脂材料)中的壓電陶瓷纖維44，所述壓電陶瓷纖維44的實(shí)施例的示意圖如圖5所例示。在一個(gè)實(shí)施例中，作為例示的圓形的替代，纖維可以具有矩形的橫截面。如圖所示，示出電極42的每一個(gè)可用于發(fā)送一個(gè)單獨(dú)的控制信號(hào)，使得嵌入在兩個(gè)連續(xù)電極42 間示出的結(jié)構(gòu)性粘合劑46內(nèi)的每片纖維44能夠被致動(dòng)，由此在相應(yīng)的位置創(chuàng)建局部的觸覺效果。箭頭48指示極化的壓電陶瓷材料響應(yīng)于施加的電場(chǎng)如何膨脹或收縮，并且箭頭50 指示由電極42創(chuàng)建的壓電陶瓷極化。類似地，如果在用戶與設(shè)備40交互的同時(shí)監(jiān)視并測(cè)量每個(gè)電極42兩端的電壓，則可以基于在嵌入設(shè)備40的每片壓電纖維44上發(fā)生的壓電效應(yīng)來確定所述交互(觸摸)的位置。例如，可以使用多路復(fù)用器命令各獨(dú)立的控制信號(hào)并且測(cè)量感覺信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備40可被制造為帶有柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)，由此允許設(shè)備40符合工業(yè)應(yīng)用中的各種不規(guī)則表面。如上所述，柔性意味著相對(duì)于在當(dāng)前觸摸屏內(nèi)發(fā)生的輕微彎曲，使得設(shè)備能夠在大范圍內(nèi)發(fā)生形變。柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)和基底例如可以是可彎曲的，可折疊的，或是可卷起的。圖6例示了包括矩形復(fù)合壓電單元62的柵格的觸覺設(shè)備60的實(shí)施例，其中所述復(fù)合壓電單元62被配置為起到觸摸傳感器的作用并且在同時(shí)提供隔離的局部觸覺反饋。 雖然在例示的實(shí)施例示出了以4X4矩陣布置的矩形單元62的柵格，但是也可以使用更多或更少的單元62以及其他非矩形的幾何結(jié)構(gòu)。例示的實(shí)施例并不旨在以任意形式進(jìn)行限制。例如，單元62的例示矩陣可以是起到例如手持設(shè)備的觸摸屏或觸摸板的作用的更大單元柵格的一部分。在圖6中的例示的每個(gè)單元62都是取決于安裝配置可以在側(cè)向或法向方向(相對(duì)于由箭頭72表示的觸摸設(shè)備平面)上提供觸覺效果的透明復(fù)合壓電材料的矩形條帶。如圖6例示，電極層64和66位于所示柵格的頂部和底部，并且提供電極路徑68 以使得每個(gè)單元62可以獨(dú)立于其他單元62被致動(dòng)。局部隔離的觸覺效果可以通過向每個(gè)單獨(dú)的單元62發(fā)送控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。電極層64和66是基本透明的。在一個(gè)實(shí)施例中，電極層64和66可以具有嵌入在各層內(nèi)的復(fù)合壓電材料。如圖6所示，觸覺設(shè)備60包括在相鄰單元62之間內(nèi)的振動(dòng)隔離器70。在一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)隔離器50包括嵌入在單元62之間以防止振動(dòng)在各單元62之間轉(zhuǎn)移的基于透明聚合物的結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，振動(dòng)隔離器70具有在相鄰單元62之間的間隙的形式。通過利用復(fù)合壓電材料的傳感器功能，每個(gè)單元62可以作為壓力傳感器以及致動(dòng)器，并且能夠檢測(cè)其面積邊界內(nèi)的觸摸。假設(shè)例示的觸覺設(shè)備60用作觸摸傳感器，則感測(cè)功能的分辨率可被限制為每個(gè)單元62的尺寸。相對(duì)于傳統(tǒng)觸摸屏技術(shù)，不需要為復(fù)合壓電單元62傳感器功能提供工作的外部電壓。相反地，當(dāng)向每個(gè)單元62頂部施加形變/壓力時(shí)，與該單元62相關(guān)聯(lián)的復(fù)合壓電材料在其相應(yīng)的電極64和66兩端產(chǎn)生電壓差，所述電壓差可用作帶有高分辨率的施加壓力的幅度的測(cè)度?？梢允褂酶鞣N連接模式用于復(fù)合壓電單元62，從而優(yōu)化設(shè)備60的機(jī)電屬性。例如，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)柔性(可形變)但機(jī)械魯棒且堅(jiān)固耐用的觸摸傳感器/致動(dòng)器，從而可以允許更好的結(jié)合和改善的使用壽命。這些解決方案潛在地用于其中期望所述設(shè)備60符合不平坦幾何結(jié)構(gòu)表面的情況。使用特定的沉積、涂層和燒結(jié)技術(shù)，上述觸覺設(shè)備60可被制成任何形狀，因此有變得極薄的可能性。雖然可能難以使得透明壓電片大于幾厘米長(zhǎng)并且可以例如覆蓋典型的手持設(shè)備的表面，但是通過提供具有帶透明單晶體小纖維的復(fù)合壓電材料或嵌入聚合物矩陣的陶瓷壓電材料的單元62的陣列覆蓋典型的手持設(shè)備的表面，可以創(chuàng)建更大的復(fù)合壓電傳感器 /致動(dòng)器系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電材料可以是例如由總部在佛羅里達(dá)州薩拉索塔市的 Smart Material Corporation制造并供應(yīng)的宏纖維復(fù)合物。圖7A例示了包括多個(gè)基本透明的壓電層的觸覺設(shè)備80的實(shí)施例，所述壓電層各自包括基本透明的壓電單元陣列。例如，第一層82可以包括單元82a-i的3X3陣列，第二層84可以包括單元84a-i的3 X 3陣列，并且第三層86可以包括單元86a_i的3 X 3陣列。 雖然例示了三層，但是可以僅包括兩層，或者可以包括附加的層。單元82a-i、84a-i和86a_i可以彼此基本對(duì)齊。類似于圖2B例示的實(shí)施例，各層中的一層(諸如，第一層82)可被配置作為傳感器，而且其他層(即，第二層84和第三層86) 可被配置為用作致動(dòng)器。在一個(gè)實(shí)施例中，每一層以及每一層內(nèi)的每個(gè)單元可以彼此獨(dú)立的操作，使得可以響應(yīng)于感測(cè)的觸摸生成期望的觸覺效果。例如，被配置為傳感器的層可以使用直接壓電效應(yīng)感知觸摸并向相互交錯(cuò)的電極系統(tǒng)生成信號(hào)，并在隨后使用由檢測(cè)到的接觸生成的信號(hào)，提供信號(hào)以致動(dòng)被配置為要被致動(dòng)的各層的一部分的任意單元，或者單元的任意組合。更具體地，在一個(gè)非限制性示例中，用戶可以觸摸大體對(duì)應(yīng)于可被配置為用作傳感器的第一層82的單元82a的區(qū)域，并且作為響應(yīng)，可以由單元8 或者單元8 和 86a的組合生成期望的觸覺效果，或者可由單元84i或者單元84i和86e的組合生成期望的觸覺效果。基本透明的壓電層82、84和86可由基底88支持，基底88可以是被配置為顯示透過基本透明的壓電層82、84和86可見的圖像的顯示器。圖7B例示了包括多個(gè)基本透明的壓電層的觸覺設(shè)備90，所述壓電層各自包括基本透明的壓電單元陣列。例如，第一層92可以包括單元的8X8陣列，第二層94可以包括單元的3X3陣列，而第三層96則可以包括單元的3X3陣列。基本透明的壓電層92、94和 96可由基底98支持，基底98可以是被配置為顯示透過基本透明的壓電層92、94和96可見的圖像的顯示器。雖然例示了三個(gè)層，但是觸覺設(shè)備90可以僅包括兩個(gè)層，或者觸覺設(shè)備 90可以包括多于三個(gè)層。例示的實(shí)施例并不旨在以任意形式進(jìn)行限制。同樣地，每個(gè)層可以在陣列中具有不同數(shù)量的單元。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，如果需要，第三層可以包括單元的2 X 2陣列，來代替單元的3 X 3陣列。在一個(gè)實(shí)施例中，第一層92可被配置為用作傳感器，并且附加的(更小的)單元可被用作增加傳感器的分辨率。類似地，在一個(gè)實(shí)施例中，第二層94和第三層96可以包括更少的(更大的)單元以增加可由每個(gè)單元提供的觸覺效果?？梢栽O(shè)想多種組合并且例示的實(shí)施例并不旨在以任何方式進(jìn)行限制。在一個(gè)實(shí)施例中，本文公開的被配置為用作傳感器的各層，即傳感器層，可被配置為識(shí)別對(duì)觸覺設(shè)備的觸摸，以及觸覺設(shè)備上觸摸的位置和幅度。例如，傳感器層可被配置為在各層被觸摸時(shí)測(cè)量各層的位移，所述位移可被用于得出施加給各層的壓力。對(duì)應(yīng)于接觸 (即，位移和/或壓力)的信號(hào)可被發(fā)送給處理設(shè)備(諸如以上討論的處理設(shè)備12)，并且處理設(shè)備可以解釋接觸并且作為響應(yīng)生成期望的觸覺效果。通過傳感器層和處理設(shè)備，觸覺設(shè)備可被配置為感測(cè)多觸摸接觸并且區(qū)別基本同時(shí)發(fā)生的多個(gè)觸摸。根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施例的觸覺設(shè)備可被配置為顯示可以透過基本透明的壓電單元被看見的用于與用戶交互的圖像，諸如鍵、表盤、菜單列表等，或者可被配置為例如帶有極少圖像或沒有圖像的觸摸板。在一個(gè)實(shí)施例中，觸覺設(shè)備可被配置為基本同時(shí)地感測(cè)對(duì)設(shè)備的兩個(gè)分離的觸摸。在一個(gè)實(shí)施例中，可以基于與兩個(gè)分離的接觸相關(guān)聯(lián)的多個(gè)可能因素生成動(dòng)態(tài)觸覺效果。例如，所述觸覺效果可被至少部分基于兩個(gè)接觸之間的距離，兩個(gè)接觸的運(yùn)動(dòng)方向，接觸的數(shù)量(例如，是否存在兩個(gè)以上接觸)，接觸的位置，由接觸起動(dòng)的功能，以及經(jīng)由每次接觸所施加的壓力的量。在一個(gè)實(shí)施例中，可由處理設(shè)備基于接觸的位置和數(shù)量，并且基于諸如上述因素的任何數(shù)量的其他因素(例如，接觸間的距離，接觸運(yùn)動(dòng)的方向等)，計(jì)算動(dòng)態(tài)觸覺效果。在諸如幅度、振動(dòng)、頻率等的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化時(shí)可以認(rèn)為觸覺效果是動(dòng)態(tài)的。觸覺效果的動(dòng)態(tài)特性相比于靜態(tài)觸覺效果向用戶提供附加信息。提供附加信息的需要隨著在多觸摸設(shè)備上感測(cè)到兩個(gè)或更多基本同時(shí)的接觸而增加。在一個(gè)實(shí)施例中，可以計(jì)算多個(gè)動(dòng)態(tài)觸覺效果，每個(gè)動(dòng)態(tài)觸覺效果用于一個(gè)觸摸，使得每個(gè)接觸對(duì)象(例如，每個(gè)手指)可以經(jīng)歷不同的觸覺效果，而不是向整個(gè)觸覺設(shè)備施加單個(gè)動(dòng)態(tài)觸覺效果。在已由處理設(shè)備計(jì)算所述動(dòng)態(tài)觸覺效果之后，可以向被配置用作致動(dòng)器的基本透明的復(fù)合壓電單元的(諸) 層輸出動(dòng)態(tài)觸覺效果，從而實(shí)現(xiàn)所述動(dòng)態(tài)觸覺效果。在操作中，可以響應(yīng)于多觸摸接觸生成動(dòng)態(tài)觸摸效果，以增強(qiáng)觸覺設(shè)備的功能性和可用性。例如，當(dāng)多觸摸接觸是兩個(gè)或多個(gè)手指時(shí)，用戶能夠在觸摸觸覺設(shè)備的同時(shí)移動(dòng)手指分開以對(duì)顯示的圖像進(jìn)行放大。作為響應(yīng)，可以生成幅度或頻率增加的動(dòng)態(tài)觸覺效果， 以傳達(dá)虛擬窗口或?qū)ο蟪叽绾?或體積增長(zhǎng)或增大的感覺。將手指放回一起的動(dòng)作可以導(dǎo)致幅度或頻率的相等和相反的減小，以傳達(dá)虛擬窗口或?qū)ο蟪叽绾?或體積縮小或減小的感覺。在另一個(gè)示例中，可以出于移動(dòng)通過顯示的聯(lián)系人列表、文本、或菜單項(xiàng)的目的將兩個(gè)或多個(gè)手指分開，并且作為響應(yīng)可以生成基于手指尖之間的距離的增加的幅度或頻率的動(dòng)態(tài)觸覺效果。用戶手指分開的越遠(yuǎn)，觸覺效果的幅度或頻率越大，由此傳達(dá)通過聯(lián)系人列表或菜單項(xiàng)的速度或移動(dòng)增加的感覺。將手指收回一起的動(dòng)作可以導(dǎo)致幅度或頻率的相等和相反的減小，以傳達(dá)通過聯(lián)系人列表或菜單項(xiàng)的速度或移動(dòng)降低的感覺。
此外，兩個(gè)或更多個(gè)手指可以做出等同于打開觸摸屏上顯示的虛擬球形把手的旋轉(zhuǎn)手勢(shì)。作為響應(yīng)，可以隨著虛擬球形把手被打開生成動(dòng)態(tài)觸覺效果，以模擬打開機(jī)械球形把手中感知到的那些感覺，諸如制動(dòng)和障礙感。也可以生成并不與旋轉(zhuǎn)球形把手典型相關(guān)聯(lián)的其他動(dòng)態(tài)效果，用于提供諸如滾屏速度控制、列表結(jié)束/列表頂部通知等消息。在另一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)或更多個(gè)手指可以設(shè)置邊界框(選擇區(qū)域)，以允許用戶與邊界框內(nèi)包含的所有虛擬可選項(xiàng)(grasped items)交互。在滑動(dòng)邊界框的同時(shí)，動(dòng)態(tài)觸覺效果可以生成滑動(dòng)感受并且可以依賴于拖動(dòng)的速度以及該框被拖動(dòng)到多遠(yuǎn)而變化。此外，通過增加或減小兩個(gè)手指之間的距離重新調(diào)整項(xiàng)目大小的交互可以生成幅度或頻率增加或降低的等效動(dòng)態(tài)觸覺效果，或者傳遞對(duì)象大小相對(duì)增大或減小的動(dòng)作的信息的恒定幅度和頻率的觸覺效果。此外，通過順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手指來旋轉(zhuǎn)被選擇項(xiàng)目的交互可以生成觸覺幅度或頻率增大或減小的等效動(dòng)態(tài)觸覺效果，或者傳遞旋轉(zhuǎn)(諸)對(duì)象遠(yuǎn)離其初始開始位置或虛擬設(shè)置的動(dòng)作的信息的恒定幅度和頻率的觸覺效果。此外，通過在屏幕上移動(dòng)手指以拖動(dòng)項(xiàng)目的交互可以生成觸覺幅度或頻率增加或降低的等效動(dòng)態(tài)觸覺效果，或者傳遞物理拖動(dòng)(諸)對(duì)象遠(yuǎn)離其初始開始位置或虛擬設(shè)置的動(dòng)作的信息的恒定幅度和頻率的觸覺效果。在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)用戶可以向觸覺設(shè)備施加多觸摸接觸，并且每個(gè)用戶可能基于他們?cè)谌魏谓o定時(shí)刻正進(jìn)行的特定應(yīng)用或交互需要不同的觸覺效果。此外，單人多手用戶可能基于每只手在任何給定時(shí)刻正進(jìn)行的特定動(dòng)作需要針對(duì)每只手的不同觸覺效果。例如，一只手可以使用兩個(gè)手指抓住或捏住一個(gè)虛擬對(duì)象，同時(shí)另一只手可以使用兩個(gè)手指操縱該虛擬對(duì)象或者放大/縮小甚至是滾屏通過一個(gè)分離的菜單列表。這兩個(gè)動(dòng)作可以在同一表面同時(shí)發(fā)生，并且受益于在每只手處生成的不同的動(dòng)態(tài)觸覺效果。可以使用本發(fā)明的實(shí)施例作為致動(dòng)單元來使能各類電子設(shè)備中的觸覺效果，所述電子設(shè)備諸如觸摸屏手持設(shè)備(移動(dòng)設(shè)備、PDA和導(dǎo)航系統(tǒng))、機(jī)動(dòng)車應(yīng)用、游戲控制臺(tái)等。本文描述的各個(gè)實(shí)施例代表了多個(gè)可能的實(shí)現(xiàn)和示例，并且并不旨在將本公開必然限制到任何特定實(shí)施例。相反地，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解能夠?qū)@些實(shí)施例做出各種修改。所有這些修改旨在被包括在由所附權(quán)利要求保護(hù)的本公開的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種觸覺設(shè)備，包括 基底；以及覆蓋所述基底的基本透明的復(fù)合壓電單元，所述壓電單元包括 傳感器壓電層，其被配置為在所述傳感器壓電層形變時(shí)生成第一信號(hào)，以及致動(dòng)器壓電層，其被配置為在接收到基于第一信號(hào)的第二信號(hào)時(shí)提供觸覺效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺設(shè)備，其中所述傳感器壓電層覆蓋所述致動(dòng)器壓電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺設(shè)備，其中所述致動(dòng)器壓電層覆蓋所述傳感器壓電層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺設(shè)備，其中所述基底被配置為顯示圖像，并且其中所述圖像透過所述基本透明的復(fù)合壓電單元可見。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺設(shè)備，還包括覆蓋在所述基底上的多個(gè)基本透明的復(fù)合壓電單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的觸覺設(shè)備，還包括位于相鄰壓電單元之間并且被配置為將一個(gè)壓電單元中的振動(dòng)與其他壓電單元隔離的振動(dòng)隔離器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的觸覺設(shè)備，其中所述振動(dòng)隔離器包括聚合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的觸覺設(shè)備，其中所述振動(dòng)隔離器包括各單元之間的間隙。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的觸覺設(shè)備，其中所述基底和所述基本透明的復(fù)合壓電單元是柔性的并且被配置用于大范圍形變。
10.一種觸覺設(shè)備，包括基本透明的復(fù)合壓電單元，其被配置為測(cè)量所述單元的表面的形變并且作為所述形變的結(jié)果提供觸覺效果，所述單元包括第一電極， 第二電極，以及在所述第一電極和所述第二電極之間的多個(gè)壓電陶瓷材料，其中當(dāng)在所述第一電極和所述第二電極之間創(chuàng)建電場(chǎng)時(shí)，壓電陶瓷材料致動(dòng)以提供所述觸覺效果。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的觸覺設(shè)備，還包括被配置為顯示圖像的顯示器，其中所述基本透明的復(fù)合壓電單元覆蓋所述顯示器，使得所述圖像透過所述基本透明的復(fù)合壓電單元可見。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的觸覺設(shè)備，還包括多個(gè)基本透明的復(fù)合壓電單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的觸覺設(shè)備，還包括位于相鄰壓電單元之間并且被配置為將一個(gè)壓電單元中的振動(dòng)與其他壓電單元隔離的振動(dòng)隔離器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的觸覺設(shè)備，其中所述振動(dòng)隔離器包括聚合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的觸覺設(shè)備，其中所述振動(dòng)隔離器包括各單元之間的間隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的觸覺設(shè)備，其中所述基本透明的復(fù)合壓電單元是柔性的并且被配置用于大范圍形變。
17.—種觸覺設(shè)備，包括包括傳感器單元的陣列的基本透明的壓電傳感器層， 包括可獨(dú)立致動(dòng)的致動(dòng)器單元的陣列的基本透明的壓電致動(dòng)器層；以及被配置為顯示透過所述基本透明的壓電傳感器層和所述基本透明的壓電致動(dòng)器層可見的圖像的顯示器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸覺設(shè)備，其中所述傳感器單元的陣列比所述致動(dòng)器單元的陣列包括更多的單元。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸覺設(shè)備，還包括第二基本透明的壓電致動(dòng)器層，所述第二基本透明的壓電致動(dòng)器層包括可獨(dú)立致動(dòng)的致動(dòng)器單元的第二陣列。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的觸覺設(shè)備，其中所述傳感器單元的陣列比所述致動(dòng)器單元的第二陣列包括更多的單元。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸覺設(shè)備，其中所述顯示器、所述基本透明的壓電傳感器層、以及所述基本透明的壓電致動(dòng)器層是柔性的并被配置用于大范圍形變。
22.根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸覺設(shè)備，其中所述基本透明的壓電致動(dòng)器層覆蓋所述顯示器，并且所述基本透明的壓電傳感器層覆蓋所述基本透明的壓電致動(dòng)器層。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的觸覺設(shè)備，其中所述基本透明的壓電傳感器層覆蓋所述顯示器，并且所述基本透明的壓電致動(dòng)器層覆蓋所述基本透明的壓電傳感器層。
全文摘要
一種觸覺設(shè)備，包括基本透明的復(fù)合壓電單元，其被配置為測(cè)量所述單元的表面的形變并且作為所述形變的結(jié)果提供觸覺反饋效果。
文檔編號(hào)G06F3/041GK102236463SQ20111010181
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者A·莫達(dá)里斯, C·拉姆斯泰恩, D·A·格蘭特, J·M·克魯茲-埃爾南德斯 申請(qǐng)人:英默森公司