CN102214041A - 触觉交互设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种触觉交互设备，包括触感表面(1)，当所述触感表面与激励器接触时能够产生输入数据，固定在所述触感表面(1)周边的框架(2)，能够根据所述输入数据产生反应力的激励器(3)，以及与所述激励器(3)耦合的支架(4)，其特征在于框架(2)和触感表面(1)被布置以形成一种具有几百赫兹共振频率的刚性组件(1-2)，并且其特征在于该激励器(3)被直接耦合于该框架(2)以相对于该支架(4)移动该刚性组件(1-2)，所述激励器(3)的共振频率基本上等于所述刚性组件(1-2)的共振频率。本发明有利地适用于对角尺寸大于10英寸的触觉触摸显示器设备。

Description

触觉交互设备

技术领域

本发明领域涉及一种具有触感表面的交互设备，以及更特别地涉及具有至少10英寸对角线的显示设备。

背景技术

该触感显示设备包括显示数据的屏幕以及被直接布置在屏幕前方，在观察者和屏幕之间的有源层。有源层包括由用户的手指或手或任何其他激励装置激活的触感表面，以及通过显示在屏幕上的图形界面使对设备或系统的项目控制成为可能。存在大量的可能用途。特别地，存在航空应用，其中飞行员可以因此监测和控制由该飞机的航空电子系统显示的所有功能。

这样的界面必须向用户提供反馈，例如按钮状态的改变，以便操作者可以看到从非激活到激活的过渡，并且因此确认其交互。这种与用户交互的触感表面模式不是非常具有协作性并且会产生错误，所述错误与涉及命令的激活或非激活的疑问相关，例如在盲命令的情况下飞行员必须通过向外观察首先执行他的主要任务。对于此，该显示设备可能通过产生声音提供反馈以影响用户的听觉。然而，在嘈杂的环境，特别是飞机驾驶舱，察觉该反馈并不总是容易的。

还已知具备力反馈使提高交互实现成为可能的触觉系统，通过提供有关于被激活对象状态的生理反馈来实现。根据普遍了解的现有技术状态，该反馈仅仅在激活装置存在的条件下被触发，激活装置一般为手指。在现实中，当一系统的控制元件被激活，比如举例来说，一个按钮或一个电位计，后者对按下的行为做出反应，因为它有反应功能，这可以是它的硬度，它的行程，它的粘性，它的阈值。例如，按钮具有预行程(pre-travel)，其压力规律取决于其硬度以及激活装置施加的力。然而，超过一定值，按钮的反应力突然降低，且正是在激活发生的精确时刻(并且只当力达到其阈值)。当按钮被释放时此规律是可逆的。该特性被称为触觉反应功能。该功能涉及到物理触摸，也被称为动觉(kinesthesics)，这就是说，与操作者的神经和肌肉系统有关。同样地，表面状态，纹理，其特征可以是触觉反应功能，并且在这种情况下，涉及位于皮肤神经末梢终端的感受器，被称为环层小感受器(pacinian receptor)。

有许多触觉系统使用通过激励器设置在震动模式的触感表面。激励器是一种能够将电能转化为机械能的机电系统，该转化比不以机械零件运动形式的转化更频繁。它通常由与电脑连接的控制器驱动。

这些激励器是不同类型：

-偏心凸轮转子堆(ERM)：这是一种产生径向惯性力的偏心堆。整个系统震动，并且因此，该设备只应用于漫游仪器。在实践中，对于被固定在刚性支架上的仪器项目，其效果将是零，或者更糟，如果支架是弹性的，它可能进入共振。

-地震共振堆(LRM)：该堆由通过电磁或静电设备设置成共振的弹簧悬挂。此原理具有与第一个同样的缺点。

-电磁：激励器包括可被线圈核心的位移扭曲的框架。产生的横向位移凭借转子的作用被重新发送至屏幕。这样的设备是，例如在专利WO2006124873A1中所描述的。

-压电双晶片：两种类型的激励器被使用：振动板(“压电束”)以及吸塑盘(“压电盘”)。这些激励器使用由覆盖在激励器一个或两个表面上的压电陶瓷引起的剪切力。这样设备的一个范例在专利US2008122315A1中给出。

-静电：由电容效应产生，两个覆盖在屏幕上的平行层被拉在一起或推开以模拟交互对象。

-利用形状记忆：一些材料当受到一定温度时还原为特殊的形状。

这些概论将通过参考“Tactile-Feedback Solution for an EnhancedUser Experience，M.Levin and A.Woo，Information Display October 2009Vol.25No.10”(“增强用户体验的触觉反馈解决方案，M.Levin和A.Woo，信息显示，2009年10月第25卷第10号”)被更好地理解。

不是所有这些系统都适合复制动觉效应，并且尤其在大屏幕上，在动态应力下产生显著的惯性力。例如，在专利申请US2007080951A1中，压电双晶片激励器被直接排列在支撑框架与触感表面之间的触感表面后面，但是它们只传送牛顿量级的力，这是不足以抵抗操作者的力的。除此之外，大的触感表面，也就是说，具有一个至少等于15英寸的对角线的表面，具有低共振频率，使得对于处在150到250赫兹量级的频带范围之内的环层小感受器敏感的频率难以产生振冲触觉效应。除此之外，被引用和目前使用的激励器产生对于屏幕正常的非常低的力，远低于操作者可以产生的力。这将有可能考虑倍增激励器的数量，但是这将增加该系统的价格、消耗、体积和重量。

已知压电陶瓷材料根据施加电压而拉长。然而，这种拉长为0.1％量级。因此，为获得0.5mm的行程，激励器需要长50cm，这在平面屏幕上是不可行的。

同样已知的WO2009/088707的国际专利申请描述一种显示设备包括触感平面，在其上安置触感平面的框架以及组装有导轨以产生平行于触感平面表面的运动的激励器。沿着框架的纵向延伸的导轨被机械地耦合于该框架及显示设备的固定支架。在这样的设备中导轨能够降低所需激励器的数量。用于实现该触觉设备的激励器不适合用于大尺寸屏幕中。

一些设备横向移动触感表面，以从更大的刚性中获益，但是在这种情况下，动觉效应的复制不再成为可能，由于由操作者所施加的力对于屏幕是正常的，并且设备不能抵抗它。

另一个问题是屏幕的刚性，屏幕具有在其中心弯曲的趋势。正因为如此，在横向激发下，它将具有在更低频率下共振的趋势并且因此抑制传输效应。

发明内容

本发明旨在提出一种可靠的对于大尺寸显示设备，这就是说具有至少15英寸对角线的显示设备的触觉解决方案，使真实地模拟任何种类的按钮成为可能。

更加具体地说，本发明涉及一种交互设备，包括触感表面，当所述触感表面与激励器接触时能够产生输入数据，固定在所述触感表面周边的框架，根据所述输入数据产生反应力的激励器，和与所述激励器耦合的固定支架。

有利地，框架和触感表面被布置以形成至少具有一百赫兹共振频率的刚性组件，并且其中该激励器被直接耦合于该框架以相对于该被固定支架移动该刚性组件，所述激励器的共振频率基本上等于刚性组件的共振频率。

根据一种变体，触感表面是平面并且激励器沿着垂直于该触感表面的平面的轴产生反应力。

优选地，刚性组件的共振频率大约为200赫兹。

根据一种变体，与该触感表面接触的检测由力测量装置实现。

根据一种变体，该设备包括能够将刚性组件设置为运动状态的四个激励器。

根据一种变体，激励器是压电激励器。

根据一种变体，该触感表面是对角线至少10英寸左右的长方形。

根据一种变体，该设备也包括平面屏幕，特别是液晶型的平面屏幕。

该结构一方面包括刚性组件，触感表面以及框架，并且另一方面包括放大激励器，其使得对具有与现有技术状态解决方案相比的大尺寸对角线的触感表面的多种力反馈效应的模拟成为可能。

此外，刚性组件的共振频率有利地应用于加强对用户激励该交互设备时产生的效应的感觉，因为环层小感受器特别地容易接受该共振频率。

此外，刚性组件的安装设计为在邻近200赫兹的频率上共振，在该频率上激励器具有其电气共振。因此，由共振现象协助来将板(slab)设置为运动状态，以此限制激励器所需的电力。

附图说明

通过阅读以下给出的非限制性例子的描述以及凭借附图本发明将被更好地理解并且其他优点将变得显而易见。

图1表示根据本发明交互设备的组件图。

图2表示带有放大器的压电激励器。

图3为说明环层小感受器敏感区的图表。

具体实施方式

本发明提供一种对触感表面及带有大表面面积的触觉交互设备，也就是说对于具有大于10英寸对角线的屏幕的开发的技术方案。这种类型的显示设备可能被用于例如飞机仪表板，但是很明显地涉及到任何种类的应用，比如家用多媒体硬件或提供给比在个人家庭中更暴露的环境的公共使用端。

图1表示用于大约15英寸的对角线的屏幕的显示设备组件。该屏幕没有在图中显示。事实上，在显示设备中使用的这种类型屏幕不是本发明的一个限制特征。优选地，为了提出低深度的显示设备而使用平面屏幕技术。例如，存在LCD显示屏、等离子显示屏、LED(发光二极管)照明设备或OLED(有机发光二极管)照明设备或任何其他显示图像的设备。屏幕可以被直接固定在触感表面的一面或者被安装在触感表面1和该显示设备的支架4之间的显示设备里面。

显示设备10包括安装在正面的触感表面1，正面被定义为呈现给用户及呈现图像的面。正如对于屏幕，使用的触感表面技术没有限制本发明的范围。触感表面1可能是电容性的、电阻性的或其他任何能够检测到激励器指向(point)触感表面区域的技术的触感层。触感表面1被布置在激励器和屏幕之间以检测被激励器指向的区域。术语“激励器”应该被理解为指任何可以用于指向屏幕区域的对象，这就是说，例如操作者的手指或手写笔。

显示设备10包括耦合于触感表面1的框架2以形成具有值范围在几百赫兹的共振频率的刚性组件。该框架由一种具有低惯性及高刚性的材料构成。框架2和触感表面1可能通过粘合，通过夹紧或螺丝固定的装配方式耦合。框架2被优选地固定在触感表面周围区域的表面1上、在触感表面的边缘或表面的下面、或者也可以通过表面的顶部。在后一种情况，框架对用户是直接可见的。

显示设备包括分布在显示设备四角的四个激励器3。激励器3也可能被置于显示设备10的其他位置。被使用的激励器被称为放大激励器因为这些元件能够机械地放大其行程。这样的激励器能够产生几十牛顿的力甚至高达几百牛顿的力。可以被引用的一个例子为在法国专利申请FR2740276A1中描述的放大激励器。图2所示为在该应用中被描述的带有放大器5的激励器。这些压电激励器通过结构的形变产生垂直运动。它们能够获得与施加电压成正比的行程，施加电压从几乎恒定状态到超声波频率。它们因此能够产生显著效应，大于操作者在触感表面可以通过其手指产生的效应。

激励器3一方面与显示设备的支架4耦合并且另一方面与框架2耦合。支架4是显示设备10的结构部分，支架4可以与固定在飞机座舱里面的感受部分耦合。支架4相对于接收机被固定地和不可移地安装在座舱中。例如，该支架4可能是可以被插入到接收机架的结构部分。

激励器3，框架2及触感表面1被布置以使框架和触感表面形成刚性组件，其共振频率所位于的频带相应于个人环层小感受器的敏感频带，这就是说，大约在50和200赫兹之间，这样使得激励器根据由激励器与触感表面的接触动作产生的输入数据把该刚性组件设置成运动状态。激励器在与由触感表面1和框架2组成的组件相似的共振频率下操作，所以激励器要求较少的激发能量将刚性组件设置成运动状态。本发明能够在受高消耗压力的嵌入式环境中实现大尺寸触觉显示设备。优选地，由刚性组件选择的共振频率实质上等于200赫兹。

图3(摘自题为“Tactile Display of Surface Texture by use ofAmplitude Modulation of Ultrasonic Vibration”(“使用超声振动调幅的表面纹理触觉显示”)的出版物，1051-0117/062006IEEE)表明触感感受器的感受能力。

敏感端的表皮比如包括所谓的“环层小”感受器的手指对振动应力敏感。存在两种族系：快速适应FA感受器以及慢速适应SA感受器，这些种类的每一个被分成两种类型，I和II。

图表的横轴给出使触感表面振动的频率。纵轴表明触感表面运动的振幅。

我们具有更特别地兴趣的FA II，FA I及SA I的曲线在复制触觉效应和在50到200赫兹量级的频率上操作的益处将因此被更好地理解。

安装于显示设备10中的激励器3在包括触感表面1的平面的一致方向产生运动。因此能够忠实地复制诸如开关、旋钮或任何其他控制构件的动态对象的动觉效应。

此外，显示设备10可能有利地具有力测量系统。已知某些类型的触感表面可能提供错误的压力动作，例如通过不希望的环境的压力。这种情况下，力测量装置使其不可能不恰当地触发效应。该设备可能是应变压力表，从现有技术状态和所描述中已知，例如，在美国专利申请US5.801.682A中。使用在国际申请WO 2008065205中所描述的通过触觉功能获得的力测量也是可能的。任何等效力测量系统可以被使用。有利地，压电型激励器因为具有产生与应用的力成正比的电压的可逆特性而被优选使用。

本发明有利地适用于安装于用户强调众多信息项目和将被执行的任务的环境中的显示设备，并且对其重要的是通过除了视觉感以外的触觉感获得反馈。场所是变化的，例如可能是飞机驾驶舱或汽车乘客车厢。

Claims (8)

1.交互设备组件以及该交互设备的感受部件，所述交互设备包括触感表面(1)，当所述触感表面与激励器接触时能够产生输入数据；固定在所述触感表面(1)周边的框架(2)；根据所述输入数据产生反应力的激励器(3)；以及与所述激励器(3)耦合的支架(4)，所述支架被不可移动地与所述感受部件相耦合，其特征在于框架(2)和触感表面(1)被布置以形成一种具有至少一百赫兹共振频率的刚性组件(1-2)，并且其特征在于该激励器(3)被直接耦合于该框架(2)以相对于该支架(4)移动该刚性组件(1-2)，所述激励器(3)的共振频率基本上等于所述刚性组件(1-2)的共振频率。

2.如权利要求1所述的设备，其中触感表面(1)是平面并且其中所述激励器(3)沿着与该触感表面的平面垂直的轴产生反应力。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述刚性组件的共振频率大约为200赫兹。

4.如权利要求1所述的设备，其中与该触感表面(1)接触的检测由力测量装置实现。

5.如上述权利要求中任一项所述的设备，包括能够将所述刚性组件设置为运动状态的四个激励器(3)。

6.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中激励器(3)是压电激励器。

7.如上述权利要求中任一项所述的设备，其中该触感表面(1)是对角线至少为10英寸左右的长方形。

8.如上述权利要求中任一项所述的设备，也包括平面屏幕，特别是液晶型的平面屏幕。

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