CN113692564A - 3d触觉反馈控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及触觉反馈控制装置（1），其包括具有触摸表面（5）的振动板（4），所述触摸表面（5）设有触摸传感器，能够通过由驱动电子装置控制的机电致动器（3）而使所述振动板（4）以超声频率振动，以使得在所述触摸表面（5）上产生超声润滑效应，其特征在于，其包括与所述触摸表面（5）成一体的固定的三维触摸界面（2），三维触摸界面（2）被配置成经由所述三维触摸界面（2）将所述触摸表面（5）的超声润滑效应振动传送到用户的手指。

Description

3D触觉反馈控制装置
技术领域
本发明涉及触觉反馈控制接口，其尤其（但非排他性地）应用于工业设备领域或汽车领域。
背景技术
手动控制目前主要在于各种类型的机械按钮或与机械致动器相关联的2D触摸屏。
诸如控制旋钮、按钮、滑杆（curseur）之类的工业领域中的大多数手动控制机构都需要集成到要控制的对象或机器中的可动机械元件，以便使得控制机构能够旋转或沿轴线纵向移位。诸如旋钮、滑杆之类的这些手动控制机构通常包括可通过滚珠轴承系统、可动导轨或磁流变流体（其刚度取决于所施加的磁场的材料）而移动的部件。
因此，这些已知装置实施机械可动元件，其制造成本高，并且由于使用的磨损限制了使用寿命，于是需要成本较高的更换或维护操作。
在文献US 2019/0278386 A1中在汽车仪表板的框架下描述了这样的已知控制机构的一个示例。它包括与仪表板成一体的固定支架或固定在仪表板上的框架、安置在支架上的旋转元件、以及感应式馈电显示器。该组件很复杂并且包括大量零件，其中包括显示器在内的几个零件可相对于仪表板移动。接收旋转元件的支架不是触觉反馈表面并且不具有超声润滑效应。
发明内容
发明目标
本发明的总体目标尤其是提出一种不具有已知控制装置所呈现的缺点的控制机构。
本发明的另一特定目标是提出一种控制装置，其最终能够消除大多数包括可动机械部件（如滚珠轴承等）的旋钮和滑杆。
本发明的另一目标是提出一种触觉反馈触摸控制界面，该界面是有形的，即具有易于由用户的手指来操纵的三维结构。
目标控制界面还必须是交互式的，即能够以触觉反馈的形式将信息传递给用户，并捕捉来自用户的控制信息以传递给要控制的装置。
本发明的另一目标是提出一种模块化控制机构，其可以通过简单的编程而容易地适配至多种类型的要控制的装置。
发明概述
根据其原理，本发明在于提出一种与触觉反馈表面相关联的三维（写为3D）控制机构，触觉反馈表面设有机电致动器和传感器。
三维控制机构借助于双面胶或例如环氧树脂型聚合物粘合剂而固定到触觉反馈表面并与之成一体。粘合剂被选择成将超声振动传递到3D控制机构，从而使得能够在触觉反馈表面与3D控制机构之间调节超声润滑效应（所谓的“挤压膜”效应）。
因此，本发明的主题是触觉反馈控制装置，其包括具有触摸表面的振动板，所述触摸表面设有触摸传感器，能够通过由驱动电子装置控制的机电致动器而使所述振动板以超声频率振动，以使得在所述触摸表面上产生超声润滑效应，其特征在于，其包括与所述触摸表面成一体的固定的三维触摸界面，三维触摸界面被配置成经由所述三维触摸界面将所述触摸表面的超声润滑效应振动传送到用户的手指。
这样，用户可以直接在立体且有形的触摸界面上感受到超声润滑效应的调节变化。
根据本发明，令人惊讶的是，所述三维触摸界面是纯粹的无源元件，没有任何电子部件和任何可动元件。
根据一个实施例，三维触摸界面由木材、硬塑性材料或金属制成。
根据一个实施例，3D触摸界面借助于刚性或柔性粘合剂（尤其是双面粘弹性粘合剂或粘性树脂）而固定到表面。
所选粘合剂在室温下且针对20 kHz至200 kHz之间的振动频率具有例如50 MPa至5 GPa之间的杨氏模量。
3D触摸界面可以具有各种各样的形式，尤其是圆柱形、圆锥形或截头圆锥形按钮的形式，或者用户手指可以沿其移动的固定平行六面体滑杆的形式，或者双导轨固定滑杆的形式，或者手指可以沿其移动的凹状固定滑杆的形式。
3D触摸界面可以由各种材料制成，尤其是木材、硬塑性材料或金属。
根据有利实施例，使触摸表面振动的机电致动器由压电陶瓷构成，以20 kHz至200kHz之间的超声频率控制所述压电陶瓷。
根据一个实施例，三维触摸界面包括电线或电迹线，其被设置成使得其在用户手指接触时的电容变化可以被集成到触摸表面5的电容式触摸传感器检测到。
附图说明
将借助附图更详细地描述本发明，其中：
- 图1是根据本发明的控制装置的侧视原理图；
- 图2是图1的控制装置的俯视原理图；
- 图3示出了根据本发明的控制装置的三个实施变型的俯视图和侧视图。
具体实施方式
参考图1。根据本发明的装置1包括具有触觉反馈触摸表面5的振动板4，其由机电致动器3以超声振动频率致动以在其中产生兰姆驻波，这是已知的，并且例如在文献WO2008/116980 A1中描述。
如前述文献中所述，振动板4由固定紧靠振动板4的与触摸表面5相对的另一面7上的压电层3致动。
这样的结构具有由介于20 kHz至200 kHz之间的共振频率表征的至少一种弯曲模式、以及连接到压电层3的馈电装置（未示出）。
压电层3和馈电装置被适配成激发振动触摸表面5的弯曲模式并在其中产生具有微米量级幅度的兰姆驻波。
众所周知，触摸表面5使得能够通过调节所谓的超声润滑效应（英语术语也称为“squeeze film”效应，即挤压膜效应）、通过调整手指与触摸表面5之间的摩擦系数（这使得能够改变摸到接触表面的触摸感觉）而以手指可感受到的方式再现非常细致的纹理或粗糙度。
在某些应用环境中，例如工业设备或汽车领域的应用环境，并非在平坦的触摸表面上、而是在更常规的3D元件上通过超声润滑的摩擦调节变化获得触觉反馈效应会更实用。
然而，简单地为平坦的振动板4提供3D突起的做法完全改变了板的振动，并且特别是由于破坏了兰姆驻波而消除了板中的超声润滑触觉反馈效应。于是，通过激发位于3D元件中但不同时在板中的模式可能可以在该元件中产生均匀的（在元件的所有点处强度相同）超声润滑触觉反馈效应。为了弥补这一点，发现借助于特定的粘合剂将简单的、纯无源的三维元件固定在振动板的触摸表面上使得能够限制3D按钮的存在对触摸表面的振动模式的影响，同时使得能够将超声振动从板传递到3D元件。
图1示出了根据本发明的控制装置的实施例的原理图，其使用了借助于粘合层6而固定在振动板4的触摸表面5（即所示示例中的板4的上表面）上的三维按钮2，粘合层6介于触摸表面5与三维按钮2之间。
为了简化叙述，3D触摸界面2将以术语“3D按钮”来表示，实际上涵盖了任何三维固定控制机构，如旋钮、按钮、滑杆等等。
压电致动器3的控制信号必须虑及由3D按钮2带来的刚度以及粘合剂6的粘弹性特性。粘合剂6针对其机械属性进行选择，以便在没有显著衰减的情况下将刚性的触摸表面5的竖直移位传递到3D按钮。
相容的粘合剂是借助于双面胶或树脂制成的使得能够粘合不同材料的那些粘合剂。其中包括例如在触摸屏中将显示器和触摸传感器的各层彼此连结的那些粘合剂。它们典型地具有在室温下介于50 MPa至5 GPa之间的杨氏模量。但也可以涉及到非常坚硬的粘合剂，例如环氧树脂类型的粘合剂。
根据本发明，3D按钮2必须由与建立A0兰姆波型共振模式相容的刚性材料制成：金属、玻璃、木材、刚性塑料或等效物。
即使对于完全无源的按钮，即没有任何电子部件、任何馈电和任何可动元件，也能够在3D按钮2的表面上感受到触摸表面5的振动。
然而，为了使用户的手指在3D按钮上的移动可以被触觉反馈触摸表面5检测到并传递到与触觉表面相连的设备的电子装置（未示出），需要触摸表面5能够检测与手指在3D按钮上的移动相关的信号。在这种情况下，在3D按钮2上或中设置电线或电迹线可能是有用的，电线或电迹线的电容变化将可以通过电容式触摸传感器来检测，电容式触摸传感器可以集成到触摸表面5。于是，一切发生得就如用户将手指直接放在触觉反馈触摸表面5上那样。
本发明追求的效果不受3D按钮的特定几何形状的限制。在图3中，以俯视图和侧视图示出了3D按钮的3个示例，它们再现了现有技术中已知的3D按钮的常见形状，即：平行六面体条形式的按钮20、双纵向滑杆21、或凹状滑槽形式的滑杆22（这使得能够在用户不必看该装置的情况下引导用户的手指）。
发明优点
本发明满足了所设定的目标。
特别地，本发明使得能够通过消除控制按钮的可动机械部件而使控制按钮更加可靠。本发明使得能够为超声润滑触觉反馈表面提供有形的、交互式的3D控制机构，所述3D控制机构是，即便该3D控制机构相对于触觉反馈表面是固定的也可以。
根据本发明的控制装置还使得能够促进新的触摸界面的设计，用户将只需要对触摸表面进行编程即可将3D按钮植入到触摸表面的期望区域中。
最后，根据本发明的控制装置实施起来特别经济，因为它仅牵涉到使用刚性的固体按钮和粘合剂。

Claims (12)

1.触觉反馈控制装置（1），其包括具有触摸表面（5）的振动板（4），所述触摸表面（5）设有触摸传感器，能够通过由驱动电子装置控制的机电致动器（3）而使所述振动板（4）以超声频率振动，以使得在所述触摸表面（5）上产生超声润滑效应，其特征在于，其包括与所述触摸表面（5）成一体的固定的三维触摸界面（2），三维触摸界面（2）被配置成经由所述三维触摸界面（2）将所述触摸表面（5）的超声润滑效应振动传送到用户的手指。
2.根据权利要求1所述的控制装置（1），其特征在于，所述三维触摸界面（2）是无源元件，没有任何电子部件和任何可动元件。
3.根据前述权利要求中的一项所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2；20；21；22）由木材、硬塑性材料或金属制成。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2）借助于刚性或柔性粘合剂（6）而固定到触摸表面（5）。
5.根据权利要求4所述的控制装置（1），其特征在于，粘合剂（6）是双面粘合剂或粘性树脂。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的控制装置（1），其特征在于，粘合剂（6）在室温下且在20 kHz至200 kHz之间的振动频率下具有50 MPa至5 GPa之间的杨氏模量。
7.根据前述权利要求中的一项所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2）具有圆柱形、圆锥形或截头圆锥形固定按钮的形式。
8.根据前述权利要求中的一项所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2）具有用户手指能沿其移动的固定平行六面体滑杆（20）的形式。
9.根据前述权利要求中的一项所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2）具有双导轨固定滑杆（21）的形式。
10.根据前述权利要求中的一项所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2）具有手指能沿其移动的凹状固定滑杆（22）的形式。
11.根据前述权利要求中的一项所述的控制装置（1），其特征在于，机电致动器（3）由压电陶瓷构成，以20 kHz至200 kHz之间的超声频率控制所述压电陶瓷。
12.根据权利要求3至11中的任一项所述的控制装置（1），其特征在于，三维触摸界面（2）包括电线或电迹线，其被设置成使得其在用户手指接触时的电容变化能够被集成到触摸表面5的电容式触摸传感器检测到。
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