CN102844726A - 用于提供触摸反馈的触觉显示器 - Google Patents

Abstract

一种触觉显示器具有接触表面，其具有多个可寻址像素。每个像素具有可激励而以所选频率和振幅振动的振动元件。触觉显示器的所选像素的振动向触摸所述接触表面的用户的手指提供触觉反馈。

Description

用于提供触摸反馈的触觉显示器

背景技术

用于电信和计算机化设备的用户接口传统上已集中于视觉和听觉人类感觉。许多电视、计算机和游戏站具有高分辨率视觉显示器和用于立体或多声道音频输出的能力。然而，其他人类感觉被大大地忽视且未在用户接口中利用。特别地，作为人们如何体验世界的关键部分的触觉在用户接口设计中通常被忽视。在以相对粗糙的方式向用户接口添加“触摸”方面已存在一些有限努力。例如，为了增强计算机游戏的真实性，一些游戏控制器将电动机与使玩游戏者的手震动以指示碰撞或爆炸的旋转不平衡载荷相结合。并且，已证明的是玻璃板的超声波振动能够改变由于由超声波振动所引起的空气夹带（entrainment of air）所致的手指与玻璃表面之间的摩擦力。已经进行了使用此类摩擦力改变的时间变化来模拟通过触摸来感受对象的纹理的感觉的尝试。

附图说明

关于以下附图以示例的方式来描述本发明的一些实施例：

图1是用于向用户的手提供触摸反馈的根据本发明的实施例构造的触觉显示器（tactile display）的示意图；

图2是图1的触觉显示器的接触表面的像素的示意性顶视图； 

图3是触觉显示器的一个实施例中的像素的振动元件的示意性横截面图； 

图4是触觉显示器的另一实施例中的像素的振动元件的示意性横截面图； 

图5是触觉显示器的另一实施例中的像素的振动元件的示意性横截面图； 

图6是触觉显示器的又另一实施例中的像素的振动元件的示意性横截面图； 

图7是将触觉显示器与视觉显示器集成的用户接口设备的示意性横截面图；以及 

图8是被用来提供所显示对象的视觉和触觉信息两者的图7的用户接口设备的图示。

具体实施方式

图1示出用于通过触摸向用户提供触觉信息的依照本发明的触觉显示设备100的实施例。如本文所使用的词语“显示器”概括地用来意指呈现用于由用户感知的信息的输出设备，并且此类信息是视觉、触觉或听觉的。如下文更详细地描述的，触觉显示器100具有触觉接触表面102，其能够向触摸该表面的用户的手110提供在空间和时间上变化的触摸感觉。由接触表面102提供的触觉信息的空间变化不仅允许用户的不同手指接收不同触觉反馈，而且允许每个手指与接触表面102的接触区域的不同部分产生各种触摸感觉，非常像人类手指通过触摸来感觉真实对象的表面的方式。

由接触表面102提供的触觉反馈使得在用户接口中集成触摸感觉以用于各种应用的许多新方式能够丰富用户体验。例如，当用户在互联网上购买衣服时，关于用来制造衣服的织物的信息可以被传送到用户的计算机，其操作触觉显示器100的接触表面102，使得用户能够触摸织物的表面并感受其纹理。作为另一示例，针对太空或深海探索，可以将由机器人设备收集的远程对象的视觉和触觉信息传送给观察者以允许观察者不仅看到对象，而且通过使用触觉显示器100来触摸对象。

图2示出图1的触觉设备100的实施方式。如图2所示，可以大体上为平面的触觉接触表面102被划分成多个像素120。如本文所使用的词语“像素”用来意指接触表面的触觉显示元件。如下文更详细地描述的，每个像素120具有振动元件，其能够实现变化频率和振幅的时变位移，并且振动元件的顶面的位移能够在平面内移动以提供剪切位移或正交于显示表面移动以提供正交位移。可以与其他像素的振动分开地调制每个像素的振动。为此，可以使用与在对视觉显示器诸如LCD显示器的像素进行寻址中所使用的类似的矩阵寻址来对像素120的阵列进行寻址。如图2所示，可以将像素120布置成二维阵列并用寻址线或电极的行和列来连接。通过选择被连接到该像素的行寻址线126和列寻址线128来对每个像素进行寻址。在有源矩阵配置中，可以在振动元件下面制造晶体管和用于激励像素120的振动元件的驱动电路132的其他部分。在无源矩阵配置中，用于激励像素的振动元件的电路可以远离像素设置，并且经由像素的行和列寻址线126和128向像素提供用于对像素的振动元件进行致动的能量。

可以根据触觉接触表面102的期望空间分辨率来选择像素120的大小。在一些实施例中，可以将像素尺寸选择为类似于或小于人类手指上的躯体感受器的最小空间分辨率。此类分辨率约为0.5mm。例如，在图2的实施例中，像素的尺寸可以约为0.3mm。由小像素尺寸提供的高空间分辨率允许接触表面102的像素提供足够详细的触觉信息以模拟真实对象的表面特性。如图2所示，用户手指的接触区域136可以覆盖多个像素120。由于可以单独地对像素进行寻址，每个像素可以以不同的频率和振幅振动以产生其自己的触摸“感受”。接触区域120中的多个像素的集合因此可以提供丰富范围的触摸感觉。此外，随着用户跨越接触表面120移动手指，由表面的像素提供的不同触摸感觉可以提供触摸真实对象的表面的感受的真实呈现。特别地，如果跟踪手指的位置，则可以向手指和/或手给予适当的时间和空间变化的位移以模拟在手指实际上移动跨越给定对象表面的情况下将发生的那些位移。

如上所述，每个像素120具有被结构化成产生期望的振动频率范围和振幅的振动元件，所述期望的振动频率范围和振幅取决于旨在由像素的振动激发的感受器细胞（cell）的类型。例如，被用于检测外形和纹理的人类手指中的Merkel细胞具有约0.5mm的空间分辨率、在5Hz下具有峰值敏感度的0 - 100Hz的感测频率范围，以及30μm的激活振幅的平均阈值。作为对比，被用于运动检测和抓握控制的人类手指中的Meissner细胞具有3mm的空间分辨率、在50Hz下具有峰值敏感度的1 - 300Hz的检测频率范围以及6μm的平均阈值，其小于Merkel细胞的平均阈值。诸如Pacinian和Ruffini细胞的其他类型的躯体感受器具有其自己的相应空间分辨率、频率范围以及激活阈值。

图3示出触觉接触表面102的一个实施例中的像素120的振动元件的结构。在本实施例中，像素120被结构化成在诸如0 - 1000Hz的相对低的频率范围内提供相对大的位移振幅，诸如几微米至几十微米，以促进由人类手指中的Merkel和/或Meissner细胞进行的检测。每个像素的振动元件160包括布置在两个电极166和168之间的致动器材料162，诸如聚氟乙烯（PVF₂）或另一类型的电活性聚合物。该电活性聚合物（EAP）可以是介电弹性体或离子聚合物金属复合物。电极166、168可以是无源矩阵寻址配置中的寻址线，或者在使用有源矩阵寻址配置时与寻址线分离。

图4示出了使用振动元件的不同构造的触觉接触表面102的像素120的另一实施例。在本实施例中，振动元件170将以相对高的振动频率操作，诸如超声波频率。已经示出了当手指触摸以超声波频率振动的表面时，在振动表面与手指之间可能夹带（entrain）空气层，从而降低手指与表面之间的摩擦力。在本实施例中，像素可以被致动而在不同的频率和振幅下振动或被独立地开启和关闭。因此，从一个像素至相邻像素，摩擦力可以是不同的。可以将摩擦力在用户手指跨越像素移动时的空间和/或时间变化解释为表面纹理。通过改变像素的超声波振动的频率和持续时间，接触表面可以模拟真实对象的纹理的感受。

为了在超声波频率范围内产生振动，每个像素120的振动元件170可以使用极化压电材料。压电材料层172被布置在两个电极176和178之间以便施加AC电压以将压电材料致动成振动。可以用来形成层172的压电材料包括氧化锌（ZnO）、锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO₃）、铌酸钠钾（NaKNb）等。压电材料还可以是聚合物材料，诸如聚偏二氟乙烯（PVDF）。

在如图5所示的另一实施例中，将在图3和4的实施例中所使用的两个类型的致动材料组合。在本实施例中，每个像素120的振动元件180具有两个层。下层182用于较低振动频率，并使用布置在电极186和187之间的适当致动材料，诸如PVF2或另一电活性聚合物。上层184用于超声波振动频率并使用布置在电极187和188之间的压电材料，诸如ZnO或PZT。当两个层182和184被激活时，像素120的振动状态是较低频率振动与超声波振动的组合。可以通过手指中的躯体感受器来感测具有相对高振幅的像素的较低频率振动，同时超声波振动改变手指与像素120之间的摩擦力。通过将躯体感测与摩擦力调制组合，图5的像素能够向用户的手指提供丰富的一组触摸感觉。

图6示出了使用弯曲致动器作为触觉像素中的振动元件的另一实施例。如图6所示，每个像素120的振动元件190具有被接合在一起以形成弯曲致动器的两个压电层191和192。两个压电层191和192被布置成使得当向电极195和196施加电压时，一个层沿着平面方向扩展而另一层沿着平面方向收缩。一个层中的扩展和另一层中的收缩促使双层结构起皱或弯曲。通过使所施加电压的极性交替，振动元件190沿着触觉接触表面102的法线方向向上和向下弯曲。与图4的实施例中的压电层172相比，弯曲致动器能够实现明显更大的位移。因此，可以操作振动元件190以在用户的手指触摸接触表面102时可被Merkel和Meissner细胞检测的频率和振幅振动。

返回图2，在一些实施例中，可以将触觉接触表面102的像素120去激活，使得当其未被触摸时，其不振动。通过不对未被触摸的像素进行致动，可以显著地减少触觉显示设备100的音频噪声和能量消耗。图2示出了当使用有源矩阵寻址布置来启用像素的单独寻址时的此类控制的一个实施方式。每个像素120的驱动电路132包括光敏开关202，其可以采取光敏晶体管或光敏晶体管与晶体管的组合的形式。当像素120被手指覆盖时，到像素的环境光被手指切断。结果，光敏开关202被接通，允许驱动电路132进行操作以激励像素的振动元件。当像素未被手指覆盖时，光敏开关202被暴露于环境光且因此被关断。结果，驱动电路132未激活，并且像素不振动。还可以使用像素120的光敏开关202的开关状态来确定用户手指的当前位置。然后可以使用此信息来确定作为时间的函数的手指移动，使得能够将适当的振动模式发送到像素以产生期望的触觉反馈。

在上述实施例中，用于触摸反馈的触觉接触表面102可以位于与用户接口装置的视觉显示器分离的设备100上。图7示出了其中将触觉显示器与视觉显示器集成以形成能够同时提供视觉和触觉信息的一个用户接口设备220的实施例。如图7所示，触觉接触表面222被覆盖在视觉显示器226之上。例如，视觉显示器可以是LCD显示器，但是还可以使用其他类型的显示器。由视觉显示器226产生的光被透射通过触觉接触表面222以供用户观看。同时，可以对接触表面222的像素进行致动以向用户的手指提供触觉反馈。为了允许由视觉显示器226产生的光通过接触表面222，接触表面的像素的振动元件的致动材料可以由透明材料形成。如果使用有源矩阵寻址，则用于驱动像素的晶体管可以是由诸如ZnO或ZnSnO的透明材料形成的透明薄膜晶体管。针对有源矩阵或无源矩阵寻址配置，行和列寻址线可以具有小宽度以使光阻挡最小化，或者由诸如ZnO或InSnO的透明导电氧化物制成。

图8图示可以有利地使用用户接口设备220的方式。当设备220的视觉显示器生成对象的图像232时，可以操作覆盖在视觉显示器之上的接触表面222以提供关于直接对应于所显示的图像的对象的触觉信息。这样，用户可以触摸所显示的对象图像232并获得关于对象的触觉反馈。例如，当在互联网上购物的用户使用设备220来显示皮革手提包的图像时，可以将用于该手提包的触觉信息下载到用户的计算机并用来对接触表面222进行致动。用户然后不仅能够看到手提包的图像，而且能够触摸图像以感觉手提包的表面纹理和形状。利用此能力来“触摸你所看到的”以增强用户接口体验的可能方式是无限的。

在前述说明中，阐述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域的技术人员将理解的是可以在没有这些细节的情况下实施本发明。虽然已关于有限数目的实施例公开了本发明，但本领域的技术人员将认识到由此而来的许多修改和变更。意图在于所附权利要求覆盖落在本发明的真实精神和范围内的此类修改和变更。

Claims (15)

1.一种用于提供触摸反馈的用户接口设备，包括： 

接触表面，具有多个可寻址像素，每个像素具有可激励用于在所选频率和振幅下产生振动的振动元件，接触表面的所选像素的振动向触摸所述接触表面的用户的手指提供触觉反馈。

2.权利要求1的用户接口设备，其中，所述振动元件以可被用户的手指的躯体感受器检测的频率产生振动。

3.权利要求2的用户接口设备，其中，所述振动元件包括一层电活性聚合物材料。

4.权利要求1的用户接口设备，其中，所述振动元件包括用于以超声波频率产生振动的致动器。

5.权利要求1的用户接口设备，其中，振动元件包括弯曲致动器。

6.权利要求1的用户接口设备，其中，所述像素被行寻址线和列寻址线连接以用于有源矩阵寻址。

7.权利要求1的用户接口设备，其中，每个像素具有布置在振动元件下面的驱动电路，并且该驱动电路包括当像素未被覆盖时关断驱动电路使得像素不振动的光敏开关。

8.权利要求1的用户接口设备，其中，所述像素被行寻址线和列寻址线连接以用于无源矩阵寻址。

9.权利要求1的用户接口设备，其中，每个像素的振动元件包括用于以第一频率范围振动的第一致动器和用于以第二频率范围振动的第二致动器。

10.权利要求9的用户接口设备，其中，所述第一致动器用于以超声波频率范围振动，并且所述第二致动器用于以可被人类手指中的躯体感受器检测的频率范围振动。

11.权利要求9的用户接口设备，其中，所述像素具有0.5mm或更小的尺寸。

12.一种接口设备，包括： 

视觉显示器； 

用于证实触摸反馈的触觉接触表面，该触觉接触表面被覆盖在视觉显示器之上并包括多个可寻址像素，每个像素具有可激励以用于在所选频率和振幅下振动的振动元件，所选像素的振动向触摸所述接触表面的用户的手指提供触觉反馈。

13.如权利要求12所述的用户接口设备，其中，所述振动元件包括用于以超声波频率振动的致动器。

14.如权利要求12所述的用户接口设备，其中，所述振动元件以可被用户的手指中的躯体感受器检测的频率范围和振幅振动。

15.如权利要求12所述的用户接口设备，其中，所述振动元件包括弯曲致动器。

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