專利名稱：觸覺交互設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明領(lǐng)域涉及一種具有觸感表面的交互設(shè)備，以及更特別地涉及具有至少10 英寸對角線的顯示設(shè)備。
背景技術(shù)：
該觸感顯示設(shè)備包括顯示數(shù)據(jù)的屏幕以及被直接布置在屏幕前方，在觀察者和屏幕之間的有源層。有源層包括由用戶的手指或手或任何其他激勵(lì)裝置激活的觸感表面，以及通過顯示在屏幕上的圖形界面使對設(shè)備或系統(tǒng)的項(xiàng)目控制成為可能。存在大量的可能用途。特別地，存在航空應(yīng)用，其中飛行員可以因此監(jiān)測和控制由該飛機(jī)的航空電子系統(tǒng)顯示的所有功能。這樣的界面必須向用戶提供反饋，例如按鈕狀態(tài)的改變，以便操作者可以看到從非激活到激活的過渡，并且因此確認(rèn)其交互。這種與用戶交互的觸感表面模式不是非常具有協(xié)作性并且會產(chǎn)生錯(cuò)誤，所述錯(cuò)誤與涉及命令的激活或非激活的疑問相關(guān)，例如在盲命令的情況下飛行員必須通過向外觀察首先執(zhí)行他的主要任務(wù)。對于此，該顯示設(shè)備可能通過產(chǎn)生聲音提供反饋以影響用戶的聽覺。然而，在嘈雜的環(huán)境，特別是飛機(jī)駕駛艙，察覺該反饋并不總是容易的。還已知具備力反饋使提高交互實(shí)現(xiàn)成為可能的觸覺系統(tǒng)，通過提供有關(guān)于被激活對象狀態(tài)的生理反饋來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)普遍了解的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)，該反饋僅僅在激活裝置存在的條件下被觸發(fā)，激活裝置一般為手指。在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)一系統(tǒng)的控制元件被激活，比如舉例來說，一個(gè)按鈕或一個(gè)電位計(jì)，后者對按下的行為做出反應(yīng)，因?yàn)樗蟹磻?yīng)功能，這可以是它的硬度，它的行程，它的粘性，它的閾值。例如，按鈕具有預(yù)行程(pre-travel)，其壓力規(guī)律取決于其硬度以及激活裝置施加的力。然而，超過一定值，按鈕的反應(yīng)力突然降低，且正是在激活發(fā)生的精確時(shí)刻(并且只當(dāng)力達(dá)到其閾值)。當(dāng)按鈕被釋放時(shí)此規(guī)律是可逆的。 該特性被稱為觸覺反應(yīng)功能。該功能涉及到物理觸摸，也被稱為動覺(kinesthesics)，這就是說，與操作者的神經(jīng)和肌肉系統(tǒng)有關(guān)。同樣地，表面狀態(tài)，紋理，其特征可以是觸覺反應(yīng)功能，并且在這種情況下，涉及位于皮膚神經(jīng)末梢終端的感受器，被稱為環(huán)層小感受器 (pacinian receptor)0有許多觸覺系統(tǒng)使用通過激勵(lì)器設(shè)置在震動模式的觸感表面。激勵(lì)器是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)電系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)化比不以機(jī)械零件運(yùn)動形式的轉(zhuǎn)化更頻繁。它通常由與電腦連接的控制器驅(qū)動。這些激勵(lì)器是不同類型-偏心凸輪轉(zhuǎn)子堆(ERM)這是一種產(chǎn)生徑向慣性力的偏心堆。整個(gè)系統(tǒng)震動，并且因此，該設(shè)備只應(yīng)用于漫游儀器。在實(shí)踐中，對于被固定在剛性支架上的儀器項(xiàng)目，其效果將是零，或者更糟，如果支架是彈性的，它可能進(jìn)入共振。-地震共振堆(LRM)該堆由通過電磁或靜電設(shè)備設(shè)置成共振的彈簧懸掛。此原理具有與第一個(gè)同樣的缺點(diǎn)。
-電磁激勵(lì)器包括可被線圈核心的位移扭曲的框架。產(chǎn)生的橫向位移憑借轉(zhuǎn)子的作用被重新發(fā)送至屏幕。這樣的設(shè)備是，例如在專利W02006124873A1中所描述的。-壓電雙晶片兩種類型的激勵(lì)器被使用振動板(“壓電束”)以及吸塑盤(“壓電盤”)。這些激勵(lì)器使用由覆蓋在激勵(lì)器一個(gè)或兩個(gè)表面上的壓電陶瓷引起的剪切力。這樣設(shè)備的一個(gè)范例在專利US2008122315A1中給出。-靜電由電容效應(yīng)產(chǎn)生，兩個(gè)覆蓋在屏幕上的平行層被拉在一起或推開以模擬交互對象。-利用形狀記憶一些材料當(dāng)受到一定溫度時(shí)還原為特殊的形狀。這些概論將通過參考“Tactile-FeedbackSolution for an EnhancedUser Experience,Μ. Levin and A. Woo,Information Display October 2009Vol. 25No. 10”(“±曾強(qiáng)用戶體驗(yàn)的觸覺反饋解決方案，M. Levin和A. Woo，信息顯示，2009年10月第25卷第10 號”)被更好地理解。不是所有這些系統(tǒng)都適合復(fù)制動覺效應(yīng)，并且尤其在大屏幕上，在動態(tài)應(yīng)力下產(chǎn)生顯著的慣性力。例如，在專利申請US2007080951A1中，壓電雙晶片激勵(lì)器被直接排列在支撐框架與觸感表面之間的觸感表面后面，但是它們只傳送牛頓量級的力，這是不足以抵抗操作者的力的。除此之外，大的觸感表面，也就是說，具有一個(gè)至少等于15英寸的對角線的表面，具有低共振頻率，使得對于處在150到250赫茲量級的頻帶范圍之內(nèi)的環(huán)層小感受器敏感的頻率難以產(chǎn)生振沖觸覺效應(yīng)。除此之外，被引用和目前使用的激勵(lì)器產(chǎn)生對于屏幕正常的非常低的力，遠(yuǎn)低于操作者可以產(chǎn)生的力。這將有可能考慮倍增激勵(lì)器的數(shù)量，但是這將增加該系統(tǒng)的價(jià)格、消耗、體積和重量。已知壓電陶瓷材料根據(jù)施加電壓而拉長。然而，這種拉長為0. 量級。因此，為獲得0. 5mm的行程，激勵(lì)器需要長50cm，這在平面屏幕上是不可行的。同樣已知的W02009/088707的國際專利申請描述一種顯示設(shè)備包括觸感平面，在其上安置觸感平面的框架以及組裝有導(dǎo)軌以產(chǎn)生平行于觸感平面表面的運(yùn)動的激勵(lì)器。沿著框架的縱向延伸的導(dǎo)軌被機(jī)械地耦合于該框架及顯示設(shè)備的固定支架。在這樣的設(shè)備中導(dǎo)軌能夠降低所需激勵(lì)器的數(shù)量。用于實(shí)現(xiàn)該觸覺設(shè)備的激勵(lì)器不適合用于大尺寸屏幕中。一些設(shè)備橫向移動觸感表面，以從更大的剛性中獲益，但是在這種情況下，動覺效應(yīng)的復(fù)制不再成為可能，由于由操作者所施加的力對于屏幕是正常的，并且設(shè)備不能抵抗它。另一個(gè)問題是屏幕的剛性，屏幕具有在其中心彎曲的趨勢。正因?yàn)槿绱耍跈M向激發(fā)下，它將具有在更低頻率下共振的趨勢并且因此抑制傳輸效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種可靠的對于大尺寸顯示設(shè)備，這就是說具有至少15英寸對角線的顯示設(shè)備的觸覺解決方案，使真實(shí)地模擬任何種類的按鈕成為可能。更加具體地說，本發(fā)明涉及一種交互設(shè)備，包括觸感表面，當(dāng)所述觸感表面與激勵(lì)器接觸時(shí)能夠產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)，固定在所述觸感表面周邊的框架，根據(jù)所述輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生反應(yīng)力的激勵(lì)器，和與所述激勵(lì)器耦合的固定支架。
有利地，框架和觸感表面被布置以形成至少具有一百赫茲共振頻率的剛性組件， 并且其中該激勵(lì)器被直接耦合于該框架以相對于該被固定支架移動該剛性組件，所述激勵(lì)器的共振頻率基本上等于剛性組件的共振頻率。根據(jù)一種變體，觸感表面是平面并且激勵(lì)器沿著垂直于該觸感表面的平面的軸產(chǎn)生反應(yīng)力。優(yōu)選地，剛性組件的共振頻率大約為200赫茲。根據(jù)一種變體，與該觸感表面接觸的檢測由力測量裝置實(shí)現(xiàn)。根據(jù)一種變體，該設(shè)備包括能夠?qū)傂越M件設(shè)置為運(yùn)動狀態(tài)的四個(gè)激勵(lì)器。根據(jù)一種變體，激勵(lì)器是壓電激勵(lì)器。根據(jù)一種變體，該觸感表面是對角線至少10英寸左右的長方形。根據(jù)一種變體，該設(shè)備也包括平面屏幕，特別是液晶型的平面屏幕。該結(jié)構(gòu)一方面包括剛性組件，觸感表面以及框架，并且另一方面包括放大激勵(lì)器， 其使得對具有與現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)解決方案相比的大尺寸對角線的觸感表面的多種力反饋效應(yīng)的模擬成為可能。此外，剛性組件的共振頻率有利地應(yīng)用于加強(qiáng)對用戶激勵(lì)該交互設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)的感覺，因?yàn)榄h(huán)層小感受器特別地容易接受該共振頻率。此外，剛性組件的安裝設(shè)計(jì)為在鄰近200赫茲的頻率上共振，在該頻率上激勵(lì)器具有其電氣共振。因此，由共振現(xiàn)象協(xié)助來將板(slab)設(shè)置為運(yùn)動狀態(tài)，以此限制激勵(lì)器所需的電力。


通過閱讀以下給出的非限制性例子的描述以及憑借附圖本發(fā)明將被更好地理解并且其他優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。圖1表示根據(jù)本發(fā)明交互設(shè)備的組件圖。圖2表示帶有放大器的壓電激勵(lì)器。圖3為說明環(huán)層小感受器敏感區(qū)的圖表。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種對觸感表面及帶有大表面面積的觸覺交互設(shè)備，也就是說對于具有大于10英寸對角線的屏幕的開發(fā)的技術(shù)方案。這種類型的顯示設(shè)備可能被用于例如飛機(jī)儀表板，但是很明顯地涉及到任何種類的應(yīng)用，比如家用多媒體硬件或提供給比在個(gè)人家庭中更暴露的環(huán)境的公共使用端。圖1表示用于大約15英寸的對角線的屏幕的顯示設(shè)備組件。該屏幕沒有在圖中顯示。事實(shí)上，在顯示設(shè)備中使用的這種類型屏幕不是本發(fā)明的一個(gè)限制特征。優(yōu)選地， 為了提出低深度的顯示設(shè)備而使用平面屏幕技術(shù)。例如，存在LCD顯示屏、等離子顯示屏、 LED (發(fā)光二極管)照明設(shè)備或OLED (有機(jī)發(fā)光二極管)照明設(shè)備或任何其他顯示圖像的設(shè)備。屏幕可以被直接固定在觸感表面的一面或者被安裝在觸感表面1和該顯示設(shè)備的支架 4之間的顯示設(shè)備里面。顯示設(shè)備10包括安裝在正面的觸感表面1，正面被定義為呈現(xiàn)給用戶及呈現(xiàn)圖像的面。正如對于屏幕，使用的觸感表面技術(shù)沒有限制本發(fā)明的范圍。觸感表面1可能是電容性的、電阻性的或其他任何能夠檢測到激勵(lì)器指向(point)觸感表面區(qū)域的技術(shù)的觸感層。觸感表面1被布置在激勵(lì)器和屏幕之間以檢測被激勵(lì)器指向的區(qū)域。術(shù)語“激勵(lì)器”應(yīng)該被理解為指任何可以用于指向屏幕區(qū)域的對象，這就是說，例如操作者的手指或手寫筆。顯示設(shè)備10包括耦合于觸感表面1的框架2以形成具有值范圍在幾百赫茲的共振頻率的剛性組件。該框架由一種具有低慣性及高剛性的材料構(gòu)成?？蚣?和觸感表面1 可能通過粘合，通過夾緊或螺絲固定的裝配方式耦合?？蚣?被優(yōu)選地固定在觸感表面周圍區(qū)域的表面1上、在觸感表面的邊緣或表面的下面、或者也可以通過表面的頂部。在后一種情況，框架對用戶是直接可見的。顯示設(shè)備包括分布在顯示設(shè)備四角的四個(gè)激勵(lì)器3。激勵(lì)器3也可能被置于顯示設(shè)備10的其他位置。被使用的激勵(lì)器被稱為放大激勵(lì)器因?yàn)檫@些元件能夠機(jī)械地放大其行程。這樣的激勵(lì)器能夠產(chǎn)生幾十牛頓的力甚至高達(dá)幾百牛頓的力。可以被引用的一個(gè)例子為在法國專利申請F(tuán)R2740276A1中描述的放大激勵(lì)器。圖2所示為在該應(yīng)用中被描述的帶有放大器5的激勵(lì)器。這些壓電激勵(lì)器通過結(jié)構(gòu)的形變產(chǎn)生垂直運(yùn)動。它們能夠獲得與施加電壓成正比的行程，施加電壓從幾乎恒定狀態(tài)到超聲波頻率。它們因此能夠產(chǎn)生顯著效應(yīng)，大于操作者在觸感表面可以通過其手指產(chǎn)生的效應(yīng)。激勵(lì)器3 —方面與顯示設(shè)備的支架4耦合并且另一方面與框架2耦合。支架4是顯示設(shè)備10的結(jié)構(gòu)部分，支架4可以與固定在飛機(jī)座艙里面的感受部分耦合。支架4相對于接收機(jī)被固定地和不可移地安裝在座艙中。例如，該支架4可能是可以被插入到接收機(jī)架的結(jié)構(gòu)部分。激勵(lì)器3，框架2及觸感表面1被布置以使框架和觸感表面形成剛性組件，其共振頻率所位于的頻帶相應(yīng)于個(gè)人環(huán)層小感受器的敏感頻帶，這就是說，大約在50和200赫茲之間，這樣使得激勵(lì)器根據(jù)由激勵(lì)器與觸感表面的接觸動作產(chǎn)生的輸入數(shù)據(jù)把該剛性組件設(shè)置成運(yùn)動狀態(tài)。激勵(lì)器在與由觸感表面1和框架2組成的組件相似的共振頻率下操作， 所以激勵(lì)器要求較少的激發(fā)能量將剛性組件設(shè)置成運(yùn)動狀態(tài)。本發(fā)明能夠在受高消耗壓力的嵌入式環(huán)境中實(shí)現(xiàn)大尺寸觸覺顯示設(shè)備。優(yōu)選地，由剛性組件選擇的共振頻率實(shí)質(zhì)上等于200赫茲。圖 3(摘自題為“Tactile Display of Surface Texture by use of Amp litude Modulation of Ultrasonic Vibration” ( “使用超聲振動調(diào)幅的表面紋理觸覺顯示”)的出版物，1051-0117/06 2006IEEE)表明觸感感受器的感受能力。敏感端的表皮比如包括所謂的“環(huán)層小”感受器的手指對振動應(yīng)力敏感。存在兩種族系快速適應(yīng)FA感受器以及慢速適應(yīng)SA感受器，這些種類的每一個(gè)被分成兩種類型， I 禾口 II。圖表的橫軸給出使觸感表面振動的頻率。縱軸表明觸感表面運(yùn)動的振幅。我們具有更特別地興趣的FA II，F(xiàn)A I及SA I的曲線在復(fù)制觸覺效應(yīng)和在50到 200赫茲量級的頻率上操作的益處將因此被更好地理解。安裝于顯示設(shè)備10中的激勵(lì)器3在包括觸感表面1的平面的一致方向產(chǎn)生運(yùn)動。 因此能夠忠實(shí)地復(fù)制諸如開關(guān)、旋鈕或任何其他控制構(gòu)件的動態(tài)對象的動覺效應(yīng)。此外，顯示設(shè)備10可能有利地具有力測量系統(tǒng)。已知某些類型的觸感表面可能提供錯(cuò)誤的壓力動作，例如通過不希望的環(huán)境的壓力。這種情況下，力測量裝置使其不可能不恰當(dāng)?shù)赜|發(fā)效應(yīng)。該設(shè)備可能是應(yīng)變壓力表，從現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)和所描述中已知，例如，在美國專利申請US5. 801. 682A中。使用在國際申請WO 2008065205中所描述的通過觸覺功能獲得的力測量也是可能的。任何等效力測量系統(tǒng)可以被使用。有利地，壓電型激勵(lì)器因?yàn)榫哂挟a(chǎn)生與應(yīng)用的力成正比的電壓的可逆特性而被優(yōu)選使用。 本發(fā)明有利地適用于安裝于用戶強(qiáng)調(diào)眾多信息項(xiàng)目和將被執(zhí)行的任務(wù)的環(huán)境中的顯示設(shè)備，并且對其重要的是通過除了視覺感以外的觸覺感獲得反饋。場所是變化的，例如可能是飛機(jī)駕駛艙或汽車乘客車廂。
權(quán)利要求
1.交互設(shè)備組件以及該交互設(shè)備的感受部件，所述交互設(shè)備包括觸感表面(1)，當(dāng)所述觸感表面與激勵(lì)器接觸時(shí)能夠產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)；固定在所述觸感表面(1)周邊的框架O)； 根據(jù)所述輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生反應(yīng)力的激勵(lì)器(3)；以及與所述激勵(lì)器C3)耦合的支架，所述支架被不可移動地與所述感受部件相耦合，其特征在于框架( 和觸感表面(1)被布置以形成一種具有至少一百赫茲共振頻率的剛性組件(1-2)，并且其特征在于該激勵(lì)器(3)被直接耦合于該框架⑵以相對于該支架⑷移動該剛性組件(1-2)，所述激勵(lì)器(3)的共振頻率基本上等于所述剛性組件(1-2)的共振頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中觸感表面(1)是平面并且其中所述激勵(lì)器(3)沿著與該觸感表面的平面垂直的軸產(chǎn)生反應(yīng)力。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述剛性組件的共振頻率大約為200赫茲。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中與該觸感表面(1)接觸的檢測由力測量裝置實(shí)現(xiàn)。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，包括能夠?qū)⑺鰟傂越M件設(shè)置為運(yùn)動狀態(tài)的四個(gè)激勵(lì)器⑶。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中激勵(lì)器C3)是壓電激勵(lì)器。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中該觸感表面(1)是對角線至少為10英寸左右的長方形。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，也包括平面屏幕，特別是液晶型的平面屏幕。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種觸覺交互設(shè)備，包括觸感表面(1)，當(dāng)所述觸感表面與激勵(lì)器接觸時(shí)能夠產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)，固定在所述觸感表面(1)周邊的框架(2)，能夠根據(jù)所述輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生反應(yīng)力的激勵(lì)器(3)，以及與所述激勵(lì)器(3)耦合的支架(4)，其特征在于框架(2)和觸感表面(1)被布置以形成一種具有幾百赫茲共振頻率的剛性組件(1-2)，并且其特征在于該激勵(lì)器(3)被直接耦合于該框架(2)以相對于該支架(4)移動該剛性組件(1-2)，所述激勵(lì)器(3)的共振頻率基本上等于所述剛性組件(1-2)的共振頻率。本發(fā)明有利地適用于對角尺寸大于10英寸的觸覺觸摸顯示器設(shè)備。
文檔編號G06F3/041GK102214041SQ201110105808
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者A·帕蒂德芒熱, P·科尼 申請人:泰勒斯公司