CN104765457A - 触觉感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是揭露一种触觉感测装置，包含一超音波传感器、复数个触觉缓冲结构与复数个可压缩式缓冲结构。超音波传感器具有一表面，此表面具有呈交替式排列的复数个第一单元与复数个第二单元。触觉缓冲结构分别位于第一单元上，可压缩式缓冲结构分别位于第二单元上，每一触觉缓冲结构与其相邻的可压缩式缓冲结构相间隔。可压缩式缓冲结构的厚度大于触觉缓冲结构的厚度，在可压缩式缓冲结构与触觉缓冲结构接受外力时，可压缩式缓冲结构的厚度小于或等于触觉缓冲结构的厚度。本发明在超音波传感器上设置具有高低位差的缓冲结构，以同时达到保护及高分辨率的目的。

Description

触觉感测装置
技术领域
本发明是关于一种感测装置，且特别关于一种触觉感测装置。
背景技术
碰触传感器是一种感测组件或是系统，例如是触觉传感器。触觉传感器的功用例如在于模仿生物皮肤上的触觉。藉由传感器与待测物体的直接接触，所产生的物理效应，可以测得接触时的状态与待测物体表面的物理性质，例如接触时的作用力或压力的大小与在空间上的分布。物理性质又例如是待测物体的位置、待测物体的形状、物体表面的纹路质地，温度、硬/软度或湿度等特性。
单一的碰触传感器可以用来做为开关。另外，若是二维的碰触传感器就可以得到触觉影像(tactile image)。因此，碰触传感器的应用领域非常地广泛，例如在机器人上，碰触传感器是控制机器人的动作，例如抓取物体，是运动时不可缺少的传感器。在信息计算机领域方面，碰触传感器结合显示器，以用来做为触控输入设备，目前已广泛地应用于平板计算机(Tablet PC)或是个人数字助理(Personal Digital Assistant,PDA)上的触控面板。此外，碰触传感器也可以做为指纹辨识等用途。目前高分辨率的碰触传感器，如图1所示，主要是利用超音波传感器10搭配一不能太薄的缓冲层12，来达到保护作为压力感测组件的超音波传感器10的目的，但若欲同时达到高解析力的压力感测，此缓冲层12的厚度不能过厚，因为缓冲层12过厚会造成超音波传感器10收不到超音波被反射回来的讯号，亦达不到触觉感测的效果。
因此，本发明是在针对上述的困扰，提出一种触觉感测装置，以解决习知所产生的问题。
发明内容
发明的主要目的，在于提供一种触觉感测装置，其是于超音波传感器上设有高低位差的缓冲结构，以达到具有保护组件及高解析力的能力，进而应用于机械人手指触觉功能上。
为实现上述目的，本发明提供一种触觉感测装置，包含：一超音波传感器，其是具有一表面，所述表面具有复数个第一单元与复数个第二单元，所述复数个第一单元与所述复数个第二单元呈交替式排列；复数个触觉缓冲结构，其是分别位于所述复数个第一单元上；以及复数个可压缩式缓冲结构，其是分别位于所述复数个第二单元上，每一所述触觉缓冲结构与其相邻的所述可压缩式缓冲结构相间隔，且所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于所述复数个触觉缓冲结构的厚度，在所述复数个可压缩式缓冲结构与所述复数个触觉缓冲结构接受外力时，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度小于或等于所述复数个触觉缓冲结构的厚度。
优选地，所述超音波传感器更包含：一基板；一电极层，其是设于所述基板上；以及一压电层，其是设于所述电极层上，所述压电层具有所述表面。
优选地，所述复数个触觉缓冲结构的材质为有机材料、无机材料或有机无机混成材料。
优选地，所述复数个可压缩式缓冲结构的材质为有机材料、无机材料或有机无机混成材料。
优选地，所述复数个触觉缓冲结构的材质为聚二甲基硅氧烷，所述复数个可压缩式缓冲结构的材质为聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述复数个第一单元与所述复数个第二单元呈棋盘式排列。
优选地，所述触觉缓冲结构的面积大于或等于所述压缩式缓冲结构的面积。
优选地，所述复数个触觉缓冲结构在所述表面占有的面积密度大于或等于所述复数个压缩式缓冲结构。
优选地，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于所述复数个触觉缓冲结构的厚度时，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于或等于3厘米。
优选地，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于所述复数个触觉缓冲结构的厚度时，所述复数个触觉缓冲结构的厚度小于5厘米。
优选地，所述触觉缓冲结构为可压缩式材质。
兹为使贵审查委员对本发明的结构特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后。
附图说明
图1为先前技术的碰触传感器的结构示意图。
图2A为本发明的第一实施例于未被施加外力时的结构示意图。
图2B为本发明的第一实施例于被施加外力时的结构示意图。
图3A为本发明的第二实施例于未被施加外力时的结构示意图。
图3B为本发明的第二实施例于被施加外力时的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前触觉传感器应用层面相当广泛，除了可应用于机械手臂外，在生医方面，若将触觉传感器置于义肢的表面，当用户碰触物体时，则可得到近似于人体皮肤触摸般的触觉。触觉传感器也可以应用于足部感测，当使用者站在触觉传感器上时，根据受力分布及受力大小就可以确切得知脚掌形状、重心位置等。而为了因应工业界、娱乐或生医环境中多变的弯曲表面，甚至要将触觉传感器应用于软性显示器上，则组件尚有可挠曲及透明度的要求。本发明所介绍的触觉感测装置，除了能应用于机械人手指触觉功能外，亦可应用于其他如工业、娱乐或生医的领域中。
首先介绍本发明的第一实施例，请参阅图2A。本发明的触觉感测装置包含一超音波传感器14、复数个触觉缓冲结构16与复数个可压缩式缓冲结构18，触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18的材质可相同亦可相异。触觉缓冲结构16的材质为有机材料、无机材料、有机无机混成材料或可压缩式材质，例如为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。可压缩式缓冲结构18的材质为有机材料、无机材料或有机无机混成材料，例如为聚二甲基硅氧烷。超音波传感器14具有一表面，例如为一平面，此表面具有呈交替式排列的所有第一单元与所有第二单元，所有触觉缓冲结构16分别位于所有第一单元上，所有可压缩式缓冲结构18分别位于所有第二单元上。由于所有第一单元与所有第二单元呈交替式排列，故所有触觉缓冲结构16与所有可压缩式缓冲结构18亦呈交替式排列。此外，此交替式排列亦可以棋盘式排列呈现。且由于可压缩式缓冲结构18在被施加外力时会产生形变，故每一触觉缓冲结构16需与其相邻的可压缩式缓冲结构18相间隔。
本发明的第一实施例在尺寸上的设计中，触觉缓冲结构16的面积大于或等于所述压缩式缓冲结构18的面积，所有触觉缓冲结构16在超音波传感器14的表面占有的面积密度大于或等于所有压缩式缓冲结构18在超音波传感器14的表面占有的面积密度。在所有触觉缓冲结构16与所有可压缩式缓冲结构18未被施加外力时，所有可压缩式缓冲结构18的厚度H2大于所有触觉缓冲结构16的厚度H1，在实际制作上，所有可压缩式缓冲结构18的厚度H2大于或等于3厘米，所有触觉缓冲结构16的厚度H1则小于5厘米。因为触觉缓冲结构16的厚度比较薄，保护能力较弱，所以设置更厚的可压缩式缓冲结构18，以强化保护能力，但可压缩式缓冲结构18并不是愈厚愈好，厚度太厚时，超音波的信号传输灵敏度会受影响，即可能会收不到超音波讯号。
当所有触觉缓冲结构16与所有可压缩式缓冲结构18接受如按压力的外力时，如图2B所示，所有可压缩式缓冲结构18的厚度H4小于或等于所有触觉缓冲结构16的厚度H3。本发明为了避免收不到超音波讯号，将触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18设计成厚度相异型态，只有触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18齐平时，超音波传感器14才能收到讯号。换句话说，本发明未被按压时，厚度较厚的可压缩式缓冲结构18提供极佳的保护作用，按压后，触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18的厚度相同，信号传输就不受影响，达到高解析力的压力感测，同时按压力也得到平均。
以下介绍本发明的第二实施例，请参阅图3A。本发明的触觉感测装置包含一超音波传感器14、复数个触觉缓冲结构16与复数个可压缩式缓冲结构18。超音波传感器14更包含一基板20、一电极层22与一压电层24，电极层22设于基板20上，压电层24设于电极层22上，压电层24具有上述表面。当电极层22对压电层24施加电压时，压电层24根据压电效应会产生振动，进而影响周边空气产生超音波。当超音波被反射回来，并入射至压电层24时，根据压电效应，压电层24因受振动而产生电压，以供电极层22接收。触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18的材质可相同亦可相异。触觉缓冲结构16的材质为有机材料、无机材料、有机无机混成材料或可压缩式材质，例如为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。可压缩式缓冲结构18的材质为有机材料、无机材料或有机无机混成材料，例如为聚二甲基硅氧烷。超音波传感器14具有一表面，例如为一平面，此表面具有呈交替式排列的所有第一单元与所有第二单元，所有触觉缓冲结构16分别位于所有第一单元上，所有可压缩式缓冲结构18分别位于所有第二单元上。由于所有第一单元与所有第二单元呈交替式排列，故所有触觉缓冲结构16与所有可压缩式缓冲结构18亦呈交替式排列。此外，此交替式排列亦可以棋盘式排列呈现。且由于可压缩式缓冲结构18在被施加外力时会产生形变，故每一触觉缓冲结构16需与其相邻的可压缩式缓冲结构18相间隔。
本发明的第二实施例在尺寸上的设计中，触觉缓冲结构16的面积大于或等于所述压缩式缓冲结构18的面积，所有触觉缓冲结构16在超音波传感器14的表面占有的面积密度大于或等于所有压缩式缓冲结构18在超音波传感器14的表面占有的面积密度。在所有触觉缓冲结构16与所有可压缩式缓冲结构18未被施加外力时，所有可压缩式缓冲结构18的厚度H2大于所有触觉缓冲结构16的厚度H1，在实际制作上，所有可压缩式缓冲结构18的厚度H2大于或等于3厘米，所有触觉缓冲结构16的厚度H1则小于5厘米。因为触觉缓冲结构16的厚度比较薄，保护能力较弱，所以设置更厚的可压缩式缓冲结构18，以强化保护能力，但可压缩式缓冲结构18并不是愈厚愈好，厚度太厚时，超音波的信号传输灵敏度会受影响，即可能会收不到超音波讯号。
当所有触觉缓冲结构16与所有可压缩式缓冲结构18接受如按压力的外力时，如图3B所示，所有可压缩式缓冲结构18的厚度H4小于或等于所有触觉缓冲结构16的厚度H3。本发明为了避免收不到超音波讯号，将触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18设计成厚度相异型态，只有触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18齐平时，超音波传感器14才能收到讯号。换句话说，本发明未被按压时，厚度较厚的可压缩式缓冲结构18提供极佳的保护作用，按压后，触觉缓冲结构16与可压缩式缓冲结构18的厚度相同，信号传输就不受影响，达到高解析力的压力感测，同时按压力也得到平均。
综上所述，本发明于超音波传感器上安装具有不同厚度的缓冲结构，以得到兼具保护能力与高解析力的触觉感测装置，并将其应用于机械人手指触觉功能上，使机械人手指在不会损坏的前提下，达到高灵敏感测的能力。

Claims (11)

1.一种触觉感测装置，其特征在于，包含：
一超音波传感器，其是具有一表面，所述表面具有复数个第一单元与复数个第二单元，所述复数个第一单元与所述复数个第二单元呈交替式排列；
复数个触觉缓冲结构，其是分别位于所述复数个第一单元上；以及
复数个可压缩式缓冲结构，其是分别位于所述复数个第二单元上，每一所述触觉缓冲结构与其相邻的所述可压缩式缓冲结构相间隔，且所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于所述复数个触觉缓冲结构的厚度，在所述复数个可压缩式缓冲结构与所述复数个触觉缓冲结构接受外力时，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度小于或等于所述复数个触觉缓冲结构的厚度。
2.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述超音波传感器更包含：
一基板；
一电极层，其是设于所述基板上；以及
一压电层，其是设于所述电极层上，所述压电层具有所述表面。
3.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个触觉缓冲结构的材质为有机材料、无机材料或有机无机混成材料。
4.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个可压缩式缓冲结构的材质为有机材料、无机材料或有机无机混成材料。
5.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个触觉缓冲结构的材质为聚二甲基硅氧烷，所述复数个可压缩式缓冲结构的材质为聚二甲基硅氧烷。
6.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个第一单元与所述复数个第二单元呈棋盘式排列。
7.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述触觉缓冲结构的面积大于或等于所述压缩式缓冲结构的面积。
8.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个触觉缓冲结构在所述表面占有的面积密度大于或等于所述复数个压缩式缓冲结构。
9.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于所述复数个触觉缓冲结构的厚度时，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于或等于3厘米。
10.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述复数个可压缩式缓冲结构的厚度大于所述复数个触觉缓冲结构的厚度时，所述复数个触觉缓冲结构的厚度小于5厘米。
11.如权利要求1所述的触觉感测装置，其特征在于，所述触觉缓冲结构为可压缩式材质。
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