CN113711168A - 设置有加强件的触觉反馈装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种触觉反馈装置(1；10)，包括支撑件(4)，其能够振动并且其第一面涂覆有至少一个层(2、3)，该层结合有用于检测用户的手指的位置的检测装置，所述装置(1；10)包括机电致动器(12)，其沿着支撑件(4)或层(2、3)的边缘对齐并且能够使所述支撑件(4)和所述层(2,3)以超声波谐振频率振动，其特征在于，所述支撑件(4)在其第二面上包括一组加强件(5)，该组加强件分布在整个该第二面上并被构造为使支撑件(4)沿着垂直于加强件(5)的轴线的弯曲更难，加强件(5)被设置成获得支撑件(4)的轴向且均匀的振动模式，该振动模式的所有波腹都具有基本相等的振幅。
Description
技术领域
本发明涉及基于超声波润滑原理的触觉反馈表面。
背景技术
已经知晓这种触觉反馈装置：其中振动传播介质是能够振动的薄板。当与其他两个维度相比以及与所考虑的振动波的波长相比板具有小厚度时，该板被称为“薄”。
以已知的方式，该板可以是单片的或多层的并且呈矩形形状。机电致动器设置在板上以激励轴向振动模式，也即，其振动节点沿平行于板的其中一个棱边的线彼此对齐。
在其厚度不超过由致动器产生的振动的波长两倍的板中，会产生称为λ波 A0(或在厚度不对称多层板的情况下为准λ波)的弯曲波，并在平行于致动器的对齐线的两个边界上反射。
当正确调整致动频率时，会激励稳态模式，该模式将通过谐振效应充当放大器。因此以超声波频率获得的大位移幅度导致在用户手指的指腹下产生压缩空气垫(英语术语的所谓“挤压膜”效应)。手指被表面推开，摩擦系数降低且在手指运动时获得触觉反馈效果。称之为超声波润滑。
然而，这种方法有一个缺点。实际上，为了在表面的所有点处获得均匀的触觉反馈效果，板的振动尽可能均匀是至关重要的。然而，例如当待致动表面的纵横比(长对宽)接近1时，则存在基本在相同的谐振频率下的两种模式的叠加，一种模式沿轴线X，另一模式沿轴线Y，这通过产生干涉而扰乱模态形变。由于致动器的位置和模态形变的变化之间的不相容性，这种现象劣化了致动器的线性分支(antenne)的致动效率。致动器不能再由单个信号致动，因为这些致动器不再同相振动。
除方形支撑件以外，其他形状的支撑件也会遇到这种劣化：事实上，当试图通过矩形支撑件以外的不同支撑件(例如结合弯曲边缘以及直线边缘或非平行边缘的复杂几何形状)上的一排致动器获得轴向谐振模式时，这就会发生。
其他问题可能会被添加到干扰问题上，例如波的聚焦的问题，这会导致局部过载电流，且因此导致支撑件的振动幅度的可变性，例如在出现凹面的支撑件上，以及在当支撑件呈圆盘形状时的极端情况下。
从文献EP 3 287 880 A1已知一种触觉装置，其设置有通过压电致动器以超声波频率振动的板，并且其下面在某些特定位置处具有凹槽或局部厚度减小的周期性结构。这种周期性结构起到布拉格反射器的作用，从而允许将驻波限制在致动器周围限定的区域，特别是响应于用户手指的接触而应该选择性地振动的板的区域。由于只有位于由用户触摸的区域附近的致动器才会振动，因此这种结构追求的目标是限制能量消耗。
因此，该文献中描述的周期性结构产生与本发明所追求相反的效果，本发明追求的是在超声波润滑类型的整个触觉反馈支撑件上以令人满意的振幅强烈激励特殊轴向模式(沿X或Y的单向)，而无论该支撑件的形状如何，无论是矩形、方形、圆盘形，甚至任何形状。
发明内容
发明目的
本发明的总体目的在于提出一种用于克服现有技术的限制的技术方案，尤其是用于在整个支撑件上获得表现出非常均匀的单向振动的轴向模式，而无论待致动表面的几何形状和尺寸如何，以保证由一排致动器在整个支撑件上实现最佳致动。
发明概述
本发明的原理在于改变待致动的支撑件表面的结构，以便在支撑件的整个表面上获得均匀振动。支撑件初始是各向同性的，也就是说，无论方向如何，超声波都以相同速度传播。其涉及使支撑件变成正交各向异性，以无论支撑件的几何形状如何(例如方形、矩形，甚至圆盘或任何形状)均在支撑件的特定方向上强制施加轴向谐振效应。
待致动表面的这种特定各向异性或正交各向异性是通过设置分布在支撑件的整个表面上、彼此平行的一维加强件而获得的，且不管支撑件的几何形状如何。然后，致动器将沿着平行或垂直于这些加强件的线进行设置。因此，在支撑件的面上获得凹槽，其不会将振动限制在如上述文献中所提出的支撑件的区域，而是产生振动波的有效传播速度，该速度根据波是平行于还是垂直于这些凹槽进行传播而不同。
致动器沿着优选地平行于加强件的线设置，但该线也可垂直于加强件。
经验表明，无论表面的形状如何，这种方法都是有效的，尽管其实际应用将更多地涉及方形或矩形表面。
因此，本发明的目的是一种触觉反馈装置，其包括支撑件，该支撑件能够振动并且其第一面涂覆有至少一个层，该至少一个层结合有用于检测用户的手指的位置的检测装置。所述装置包括机电致动器，其沿着支撑件或所述层的边缘对齐，并且能够使所述支撑件和所述层以超声波谐振频率振动，其特征在于，所述支撑件在其第二面上包括一组加强件，所述一组加强件分布在整个第二面上，并且被构造为使支撑件沿着垂直于加强件的轴线的屈曲更难，加强件设置成获得支撑件的轴向且均匀的振动模式，该振动模式的所有波腹的振幅基本相等。
根据一个实施例，加强件被构造为获得轴向振动模式，该轴向振动模式的节点线平行于机电致动器的对齐线。
根据另一实施例，加强件被构造为获得轴向振动模式，该轴向振动模式的节点线垂直于机电致动器的对齐线。
根据一个实施例，机电致动器沿着平行于或垂直于加强件的线设置。
根据一个实施例，支撑件由金属、玻璃、陶瓷或处于玻璃相的塑料材料制成。
根据一个实施例，所述支撑件的所述第一面由表现出足够低的粘弹性损失的材料(木材、塑料材料)的薄层覆盖，以不损害所述支撑件的超声波谐振。
根据一个有利的实施例，设置在支撑件上方的至少一个层集成显示装置，特别是OLED屏幕，其所有层彼此连成一体并且能够以超声波频率传输振动。
根据不同的实施例，机电致动器，例如压电陶瓷机电致动器的致动频率是介于20kHz和200kHz之间的超声波频率。
加强件形成设置在支撑件上的平行直线凹槽。从工业的角度来看，其可以通过各种方式获得。因此，其尤其可以直接在支撑件中机加工，或附接并粘合在该同一支撑件上。然而，支撑件及其加强件也可以通过注射以单次操作实现。
加强件，顾名思义，使板沿垂直于加强件的轴线的屈曲更难。由于弯曲波将沿垂直于加强件的轴线传播得更慢，因此这表现为在板的超声波振动的情况下弯曲波的传播速度不同。因此，由于加强件促进了特定轴向模式的出现，所以加强件允许避免或最小化由板的致动导致的弯曲波之间的破坏性干扰的形成。
根据针对20kHz板的谐振频率优化的一个实施例，板具有2mm的厚度，并且加强件具有1mm的厚度和5mm的宽度并且以5mm的距离间隔开。
根据针对200kHz板的谐振频率优化的一个实施例，板具有2mm的厚度，并且加强件具有1mm的厚度和1.2mm的宽度并且以1.8mm的距离间隔开。
附图说明
将借助附图更详细地描述本发明，其中：
- 图1示出了由纯弹性材料制成的矩形板在固有频率下的模态形变；
- 图2示出了由纯弹性材料制成的方形板的模态形变，其对应于在相同频率下共存的沿x和沿y的两个轴向模式之间的干涉；
- 图3示出了本发明第一实施例的透视图；
- 图4示出了根据本发明的设置有加强件的由刚性材料制成的方形板的模态形变；
- 图5示出了适用于20kHz的超声波振动频率的本发明的特定实施例的透视图；
- 图6示出了适用于200kHz的超声波振动频率的本发明的特定实施例的透视图；
- 图7示出了根据本发明的集成了由能够振动的刚性材料制成的支撑件的OLED屏幕的局部截面图。
具体实施方式
参考图1。当矩形板的纵横比(宽度对长度)小于l时，可以获得称为轴向的弯曲振动模式，即具有平行于板的其中一个棱边的节点以及振动波腹。这种类型的振动是有利的，因为其可以通过沿平行于振动节点的线设置的一组机电致动器有效地获得。在所示示例中，板具有以下尺寸：12 cm x 7 cm x 2 mm。该板由施加到四个角的法向力激励。图1对应于42kHz的激励频率。
图2示出了尺寸为 12 cm x 12 cm x 2 mm 的方形板在与图1的矩形板相同的激励下的振动响应。这一次，空间形变不再沿着板的轴线定向，而是具有圆形振动波腹。实际上，这对应于2个轴向模式的叠加，这2个轴向模式由于以相同频率(此处为 42318 Hz)出现而被称为退化模式。在这种情况下，这种类型的振动模式的致动不再能由沿着线设置的致动器有效地实现。
在图3中，示意性地示出了根据本发明的技术方案的原理：装置1包括多个层2、3、4。板4是能够进行振动、设置有压电致动器(未显示)的刚性板(例如由玻璃或金属制成)。凸起的加强件5附加于板 4 的下面，即板的与承载上层 2、3 的面相反的面。在所示示例中，加强件5呈平行六面体形状，具有矩形横截面，但其他横向截面形状也是可能的。利用加强件5之间的空间6，获得凹槽，其允许在弯曲波，特别是λ波A0的传播速度中产生正交各向异性。
在图3所示的实施例中，装置1具有复合结构。其包括3个叠加元件，即例如上玻璃板2(英文术语的“盖板玻璃”)、形成OLED屏幕的一组聚合物层3以及设有加强件5的铝板4。OLED屏幕3本身以本身已知的方式包括多个层。这些层在此处没有示出或详细说明。
在可能的变型实施例中，装置1的上层2可以可选地由非弹性材料的薄层构成，该非弹性材料可选地是不透明的(木材、塑料)，从而提供足够低的粘弹性损失以便不损害支撑件的超声波谐振。
然而，本发明对于集成OLED屏幕的装置10尤其有用，如图7中的截面所示。OLED屏幕3集成到框架11中。其在上面包括保护玻璃2(“盖板玻璃”)。压电致动器12粘合在保护玻璃2的侧向棱边下方并与其对齐，从而允许使组件(2、3)振动。作为变体，致动器12可以粘合在板或支撑件4下方，以便使由板4和层2、3构成的组件振动。致动器12由已知的控制电路(未示出)供电。以已知的方式，保护玻璃2包括电容层(未示出)，允许装置10具有触觉并检测用户的手指的运动。金属板4贴靠OLED屏幕的下面。金属板4的自由下面设置凸起的加强件5。其允许触摸上玻璃板2上方的屏幕区域的用户感受到比没有加强件的触觉反馈屏幕更好的触觉反馈。
图4证实了这一点，其中示出了在板4的下面集成加强件5后获得的轴向模式。沿轴线的模式以43634 Hz谐振，而沿垂直轴线的模式以53634 Hz谐振。因此，轴向模式现在在频率上明显分离。由加强件5提供的各向异性导致沿板的轴线X传播的弯曲波与沿板的轴线y传播的弯曲波之间的传播速度不同。作为对比，因此可以借助一组致动器以最佳效率致动方形板中的轴向模式，该组致动器沿着平行于方形板的其中一个棱边的线对齐，也就是说可以以均匀的方式在方形板的表面上获得板的更大振动幅度，但能量消耗减少。
这是由于加强件使板沿垂直于加强件的轴线的屈曲更难，在板的超声波振动的情况下，这并非由对弯曲波产生局部限制产生，而是由弯曲波的传播速度不同产生。
其上设置有加强件5的板4本身可以是单片的或多层的。加强件5具有任何形状的横截面，但为了便于其制造，该形状优选地为矩形。
在实践中，加强件5可以通过任何有用的方式制造，例如通过在金属板上铣削，还或通过附接然后粘合在板4的下面上的加强件。
为了保证致动的优化，板4的加强件5将定位在振动波腹上，并且组件的振动将是均匀的。
图5示出了特定实施例，其对应于在厚度(ep)为2mm的金属板4上的致动器的振动频率的低点，即20kHz。在这种情况下，当加强件5定尺寸如下时，可以获得良好的结果：
- 厚度：es = 2 mm
- 宽度：Ls = 5 mm
- 间距：b = 5 mm
- 长度：板的长度或宽度
图6示出了另一特定实施例，其对应于在厚度(ep)为2mm的金属板4上的致动器的振动频率的高点，即200kHz。在这种情况下，当加强件5定尺寸如下时，可以获得良好的结果：
- 厚度：es = 1 mm
- 宽度：Ls = 1.2 mm
- 间距：b = 1.8 mm
- 长度：板的长度或宽度
对于介于20 kHz和200 kHz之间的谐振频率值，可以选择加强件的其他最佳尺寸。
本发明的优点
本发明实现了确定的目标。
特别是，借助使用了加强件，其允许在能够降低能量消耗的情况下获得板的更大振动幅度。
本发明理想地适用于包括允许掩蔽加强件的不透明层的任何产品：开关、触摸板、具有光学粘合剂的可在显示器面下方激励的屏幕(OLED类型)。
其可以保证能够振动的刚性材料的表面上的均匀振动，而无论其形状如何，以在其表面的所有点获得相同的触觉反馈。
Claims (15)
1.一种触觉反馈装置(1；10)，其包括支撑件(4)，所述支撑件能够振动并且其第一面涂覆有至少一个层(2，3)，所述至少一个层结合有用于检测用户的手指的位置的检测装置，所述装置(1；10)包括机电致动器(12)，所述机电致动器沿着所述支撑件(4)或层(2，3)的边缘对齐，并且能够使所述支撑件(4)和所述层(2，3)以超声波谐振频率振动，其特征在于，所述支撑件(4)在其第二面上包括一组加强件(5)，所述一组加强件分布在整个该第二面上，并且被构造为使所述支撑件(4)沿垂直于所述加强件(5)的轴线的屈曲更难，所述加强件(5)被设置成获得所述支撑件(4)的轴向且均匀的振动模式，所述振动模式的所有波腹都具有基本相等的振幅。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加强件(5)被构造为获得轴向振动模式，所述轴向振动模式的节点线平行于所述机电致动器(12)的对齐线。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加强件(5)被构造为获得轴向振动模式，所述轴向振动模式的节点线垂直于所述机电致动器(12)的对齐线。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述机电致动器(12)沿与所述加强件(5)平行或垂直的线设置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑件(4)由金属、玻璃、陶瓷或处于玻璃相的塑料材料制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑件(4)的所述第一面由具有足够低的粘弹性损失的材料(木材、塑料)的薄层覆盖，以不损害所述支撑件(4)的所述超声波谐振。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置在所述支撑件(4)上方的至少一个层(2，3)集成显示装置(3)，所述显示装置的所有层在彼此之间连成一体并且能够以超声波频率传输振动。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述显示装置(3)是OLED屏幕。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述机电致动器(12)的致动频率是介于20kHz和200kHz之间的超声波频率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加强件(5)形成设置在所述支撑件(4)的所述第二面上的平行直线凹槽。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述凹槽通过机加工所述支撑件(4)以相对于所述支撑件(4)的所述第二面留下凸起的加强件(5)而获得。
12.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述加强件(5)附接并粘合到所述支撑件(4)的所述第二面上。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其特征在于，所述支撑件(4)及其加强件(5)通过注射制造。
14.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其针对所述支撑件(4)的20kHz谐振频率进行优化，其特征在于，所述支撑件(4)是厚度为2mm的板，并且特征在于，所述加强件(5)相对于所述板凸起2mm的厚度并且具有5mm的宽度，并以5mm的距离间隔开。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其针对所述支撑件(4)的200kHz谐振频率进行优化，其特征在于，所述支撑件(4)是厚度为2mm的板，并且特征在于，所述加强件(5)相对于所述板凸起1mm的厚度并具有1.2mm的宽度，并以1.8mm的距离间隔开。
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