CN115016681A - 柔性触觉界面 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性触觉界面(1)，其包括：触觉结构(2)，该触觉结构限定用户可触摸的触摸表面(S)，该触觉结构包括：由柔性载体(4)承载的多个刚性触摸像素(3)，和至少一个致动器(5)，所述致动器与每个像素(3)接触并且被布置为向像素(3)传输导致用户可触觉感知的效果的机械激发。

Description

柔性触觉界面
技术领域
本发明涉及人机界面，更具体地涉及产生触觉效果的人机界面。
背景技术
触觉界面允许用户通过他的触觉与他的环境进行交互。目前，触觉效果越来越多地用于许多应用中，例如用在智能手机中，智能手机在屏幕上显示的按键被按下时会产生轻微的振动，以模拟按在按钮上的印象。触觉应用也存在于虚拟或增强现实设备中，特别是为了更好地沉浸在视频游戏中。当用户与触摸表面接触时在触摸表面上产生触觉效果的诸如触摸面板之类的触觉界面尤其可以集成到诸如台式计算机或膝上型计算机、平板计算机和/或智能手机之类的许多技术中。
已知借助发射在刚性触摸表面上传播的超声波的超声波换能器在刚性触摸表面上产生各种相对复杂的触觉效果。
随着诸如可折叠智能手机或者甚至可卷曲电视机等柔性商业产品在市场上的出现，希望提供能够集成到此类产品中的柔性触觉界面。
然而，由于超声波换能器发射的波被柔性材料部分吸收，因此使用承载超声波换能器的简单的柔性载体受到限制；所产生的触觉效果则难以让用户用他的手指或他的手在这种载体上施加压力来感知。
此外，已知使用气动致动器在柔性结构上产生触觉效果。专利US10240688B2公开了一种柔性触觉界面，其包括允许产生拓扑效应的气动致动器。
Yu等人的文章“用于虚拟和增强现实的皮肤集成的无线触觉界面(Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtual and augmented reality)”(Nature，2019年)公开了一种柔性触觉界面，其包括允许产生各种触觉效果的磁致动器。然而，使用这种界面获得的触觉效果的空间分辨率相对较低，并且使用磁致动器会导致高功耗。
最后，非牛顿流体已被用于产生简单的触觉效果，例如按钮效果和浮雕效果。Lochtefeld的文章“Towards real organic user interfaces-using non-Newtonianfluids for self-actuated displays”(CHI13研讨会，2013年)描述了一种触觉设备，该设备使用夹在位于扬声器的固定阵列上的两个柔性片材之间的剪切增稠非牛顿流体。当声波在流体中传播并局部硬化时，就会产生手指可感知的拓扑结构。
Poncet等人的文章“Static and dynamic studies of electro-active polymeractuators and integration in a demonstrator”(Actuators Journal(致动器杂志)，2017年)描述了一种包含压电电活性聚合物致动器的设备，这些致动器被布置以获得基于柔性膜的振动触觉按钮。这些按钮由刚性载体支撑。
发明内容
需要进一步改进柔性触觉界面，特别是为了提供一种能够产生各种触觉效果并具有良好空间分辨率的触摸界面。
本发明旨在满足该需求，并且根据其第一方面，本发明通过包括限定用户可触摸的触摸表面的触觉结构的柔性触觉界面来满足这一需求，该触觉结构包括：
由柔性载体承载的多个刚性触摸像素，
至少一个致动器，其与每个像素接触并且被布置为向像素传输导致用户可触觉感知的效果的机械激发。
通过本发明，触觉结构具有一定的柔韧性，同时仍然可以产生令人满意的触觉效果，具有适用于许多应用的空间分辨率和可靠性。
该界面可以包括任何控制电路，该控制电路被配置为调制发送到致动器的信号，以便机械地引起像素的振动并在触摸表面上产生相应的触觉感觉。
触摸像素
本发明不限于具有特定形状的触摸像素。然而，某些形状可能有助于制造。因此，至少某些像素，更好地是所有像素，可以具有多面体、并且优选地为平行六面体的总体形状。像素尤其可以采用矩形平板的形式。
至少某些像素，更好地是所有像素，优选地由相对硬且普通的材料制成，例如玻璃，并且优选地是硼硅酸盐玻璃。
至少某些像素，更好地是所有像素，优选地具有基本恒定的厚度，厚度优选地在50微米至5mm之间，并且更好地在200微米至700微米之间。
所有像素可以相同。作为变型，可以在同一界面内组合不同大小的触摸像素，例如取决于它们相对于触摸表面的位置，或取决于应用。
触摸像素的载体与集成
“载体”是指确保触摸像素在触觉结构内保持就位以及触摸像素在触觉结构内的内聚的任何单层或多层结构。
载体优选地由一种或多种聚合物材料形成，这可能有助于制造和获得触觉结构所寻求的柔韧性。
像素有利地由比载体的材料更硬的材料制成。每个触摸像素的杨氏模量与载体的杨氏模量的比率例如大于或等于8，更好地是大于或等于20，甚至更好地是大于或等于50，更优选地在80到90之间，尤其是等于约85。
载体厚度的选择可取决于其柔韧性：载体越软，其厚度可能越大，同时允许保持所寻求的柔韧性。
取决于载体的结构，触摸像素可以以各种方式集成到载体中。
载体尤其可以包括承载层和用于补偿像素厚度的补偿层。该补偿层位于像素之间，位于承载层之上。
承载层还可以起到保护层的作用，保护触摸像素和/或触摸像素配备的致动器。
优选地，承载层具有基本恒定的厚度，优选地在50nm至500微米之间，并且更好地在25微米至80微米之间，例如50微米。
承载层可以单独确保触摸像素在触觉结构内保持就位。厚度补偿层也可以与承载层一起发挥这个作用。
触摸像素可以全部位于承载层的同一侧，补偿层包括在像素之间延伸的柔性段，也称为“柔性桥”或“柔性铰链”。
补偿层优选地具有基本恒定的厚度，优选地在100μm至5cm之间，并且优选地在500μm至5mm之间，例如1mm。
至少一些触摸像素，并且优选地所有触摸像素，可以具有出现在触摸表面上的外表面。
触摸像素的这个外表面可以与补偿层的外表面齐平，像素的外表面和补偿层的外表面然后限定可以用作界面的触摸表面的基本上光滑的表面。
然后，当用户将手指与触摸表面接触时，用户直接接触触摸像素。
作为变型，触摸像素和补偿层可以覆盖有保护层，该保护层可以与载体的承载层相同或不同。该保护层的厚度比较小，以免过度影响对触摸效果的感知。
载体可以包括触摸像素至少部分位于其中的外壳，触摸像素例如被限定触摸表面的柔性片材连续覆盖。
在实施方式的一个示例中，载体包括用于接纳触摸像素的接纳层，该接纳层例如形成盆形外壳，并且载体还包括用于覆盖像素的覆盖层，该覆盖层例如由上述柔性片材限定。
覆盖层尤其允许增加触摸表面的外部均匀性，以及避免了如果用户直接接触像素和/或相邻区域可能会感觉到的寄生触摸感觉，因为在触摸不均匀的表面时可能形成寄生触摸感觉。
触摸像素的排列
触摸像素可以以各种方式分布在载体上，尤其取决于应用。
两个相邻触摸像素之间的间距优选地在10微米至5mm之间，并且更好地在1mm至2mm之间。如果需要的话，像素之间的小间距尤其允许增大所产生的触觉效果的空间分辨率。
至少一些像素例如排列成行和/或列，尤其当载体是平坦的时排列在同一平面内，并且优选地排列成规则网格。
作为变型，尤其是，像素可以被放置成同心分布。
致动器
每个触摸像素可以配备有多个在像素的一个面、例如位于载体一侧的面和/或其相对面上延伸的致动器。
与触摸像素相关联的一个或多个致动器可以各自具有细长的形状，优选地在像素具有矩形形状的情况下在像素的宽度方向上具有细长的形状。
致动器可以放置在触摸像素的中间平面的任一侧，优选地在振动节点或波腹处。
致动器可以各自具有多边形的总体形状，特别是矩形或正方形，或者具有圆形形状。
每个致动器可以是压电的、铁电的、电磁的或热的。特别地，每个致动器可以是压电陶瓷。
相关系统
界面可以包括用于检测用户在触摸表面上的接触的检测系统，尤其是电容检测结构，其在适当的情况下集成到触觉结构中。
界面可以包括允许图像至少部分地叠加在触摸表面上的系统。界面因此可以包括屏幕，并且优选地包括包含触觉结构的屏幕。
界面可以包括至少一个致动器，其允许界面选择性地成形为至少两种不同的形状。例如，这对于根据要再现的触感改变界面的形状可能是有用的，以便例如提高模拟的质量。
本发明的另一主题是配备有根据本发明的并且如上文所限定的触觉界面的服装制品。
本发明的另一主题是配备有根据本发明的并且如上文所限定的界面的移动设备。
触觉刺激
本发明的又一个主题是一种用于产生至少一种能够由触摸根据本发明的界面的用户感觉到的触觉刺激的方法，包括以下步骤：
-通过检测系统检测用户在界面的柔性触摸表面上的接触位置，
-通过控制电路根据检测到的位置调制发送到致动器的信号，以便机械地引起像素的振动并产生用户在触摸表面上可触觉感知的效果。
通过用户在触摸表面上移动他的手指，像素的振动可以产生可触觉感知的摩擦变化。这种效果，也称为挤压膜效果，可以给用户一种触摸包含浮雕或具有各种纹理的表面的印象。
像素的振动甚至可以通过用户在触摸表面上施加静态接触而产生可触觉感知的脉冲。例如，这种效果允许用户获得按在按钮上的印象。
触摸像素的制作
本发明的另一个主题是一种用于制造配备有压电致动器并且可用于如上文限定的界面中的触摸像素的方法，包括以下步骤：
-优选地通过丝网印刷在刚性载体(优选地由玻璃制成的载体)的上表面上至少沉积导电材料的第一层，
-将压电致动器固定到由此形成的第一层上，以便与致动器建立第一电连接，
-在预先沉积的层上沉积绝缘层，
-减薄绝缘层以露出每个压电致动器的上表面，
-在由此露出的致动器上沉积导电材料层，以便与致动器建立第二电连接，
-切割载体以获得均配备有一个或多个压电致动器的多个触摸像素。
该方法尤其允许使用相同的载体(例如玻璃板)简单地制造多个触摸像素。
如此获得的触摸像素然后可以被转移到柔性载体以形成触觉界面。
本发明的又一个主题是一种用于制造如上文限定的触觉界面的方法，包括以下步骤：
-在制造载体上沉积由柔性材料制成并且优选由聚合物制成的第一层，
-将配备有一个或多个致动器的触摸像素固定到由此沉积的层上，这些致动器放置在像素的外表面上，
-优选地通过导电材料的掩膜和溅射，将每个致动器电连接到控制电路，
-用柔性材料(优选聚合物膜)覆盖触摸像素和致动器，以及，
-尤其是通过剥离，将由此产生的组件与制造载体分离以露出第一层的下表面。
该第一层可以形成前述覆盖层，并且沉积在像素上的柔性材料可以形成前述接纳层。
附图说明
通过阅读以下对实现本发明的非限制性示例的详细描述以及查看附图，可能会更好地理解本发明，附图中：
图1部分且示意性地示出了根据本发明的柔性触觉界面的示例，
图2部分且示意性地示出了包括以矩阵阵列排列的触摸像素的触觉结构的示例，
图3部分且示意性地示出了将触摸像素集成到界面中的示例，
图4是与图3中所示的视图类似的视图，是触摸像素的集成的另一个示例，
图5部分且示意性地示出了配备有相关系统的柔性触觉界面的示例，
图6是配备有两个致动器的触摸像素示例的示意性部分透视图，
图7示出了由致动器与图6的触摸像素接触而在图6的触摸像素上产生的Lamb模式，
图8是示出图6的像素的谐振频率随着其厚度变化的图表，
图9是示出两个触摸像素的触觉结构的示意性部分透视图，
图10是通过图9的触觉结构的厚度截取的示意性部分横截面图，
图11是示出当载体由聚酰亚胺(PI)制成时图9的触觉结构的振动的图表，
图12A部分且示意性地示出了当载体由聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)制成时图9的触觉结构的振动，
图12B是示出在图12A的横截面XII中触摸像素的竖直变形幅度的图表，
图13A部分且示意性地示出了包括触摸像素的矩阵阵列的触觉结构，
图13B部分且示意性地示出了使图13A的触觉结构的仅一些触摸像素振动的可能性，
图14是示出根据本发明的触觉界面的一个操作示例的框图，
图15A部分且示意性地示出了使用根据本发明的界面产生按钮触摸效果的可能性，
图15B部分且示意性地示出了使用根据本发明的界面产生浮雕触摸效果的可能性，
图15C部分且示意性地示出了使用根据本发明的界面产生纹理触摸效果的可能性，
图16、图17和图18部分且示意性地示出了用于制造具有其致动器的触摸像素的方法的示例的连续步骤，
图19、图20、图21和图22部分且示意性地示出了用于制造触觉结构的方法的示例的连续步骤，
图23A示出了配备有根据本发明的柔性触觉界面的服装制品的示例，
图23B示出了配备有根据本发明的柔性触觉界面的移动设备的示例，以及
图24示出了使用致动器修改界面形状的可能性。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的柔性触觉界面1的一个示例。界面1包括限定触摸表面S的触觉结构2。触觉结构2包括由柔性载体4承载的触摸像素3。触摸像素3，类似于屏幕的光学活性像素而称为像素，是刚性的并放置在载体4上，使得触觉结构2在至少一个方向上、更好地是在每个方向上保持整体柔韧性。
触摸像素3配备有一个或多个致动器5，优选压电致动器，致动器5通过电连接50连接到控制电路6。控制电路6被配置为调制发送到致动器5的信号，以机械地引起其振动并在触摸表面S上产生触觉感觉。
触觉结构2可以是任何形状，并且可以具有各种尺寸。例如，根据应用，其尺寸约为一厘米、一分米或一米。
触摸像素3可以是各种形状，例如矩形、正方形、圆形等。触摸像素3的最大尺寸例如边长在几百微米至几厘米之间，并且优选地边长从2毫米到1厘米。
触摸像素3例如由玻璃制成，尤其是由硼硅酸盐玻璃制成，或者由硅制成。
触摸像素3可以以各种配置分布在载体4上。
例如，在图2中，示出了相同的触摸像素3采用规则的阵列以行和列的形式分布在载体4上。
在其他实施方式(未示出)中，界面1包括不同形状和/或大小的触摸像素，或者甚至是同心分布或交错放置的触摸像素3。
尤其可以调整触摸像素的大小，以便产生模拟触觉上更大或更小的图案的触觉效果。
还可以调整触摸像素之间的间距，以产生更高或更低空间分辨率的触觉效果。两个触摸像素之间的距离d优选地在几十微米至几毫米之间，特别是在1毫米至2毫米之间。
载体4承载触摸像素3并参与触觉结构2的内聚。
载体4可以是单层或多层的。载体4优选由聚合物制成，例如由聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)或甚至聚碳酸酯(PC)制成。载体4还可以包括一层或多层金属氧化物、硅或其他金属的薄层。载体的厚度取决于材料的性质，以保持所需的柔韧性。
触摸像素3可以多种方式集成到触觉结构2中。
在图3所示的示例中，载体包括可以用作保护层的承载膜41和用于补偿像素3的厚度的层40。
像素3由膜41承载并且其整个厚度嵌入在补偿层40中，补偿层40限定了像素之间的柔性段400，这些段也称为“铰链”。
触摸像素3的外表面3a出现在触摸表面S上。如图所示，补偿层40可具有与触摸像素的表面3a齐平的外表面40a，以与其形成平滑的表面，当触觉结构2是平坦的时，该平滑的表面基本上是平面的。补偿层40可以具有与触摸像素3基本相同的厚度。
当用户将手指与触摸表面S接触时，可以直接触摸界面的触摸像素3的表面3a。
作为变型，可以用薄保护层(未示出)覆盖触摸像素3和补偿层40。这使得触摸表面的均匀性增加，并且防止用户由于像素的材料与补偿层40的材料之间的差异而感受到不期望的纹理效果。
在图3所示的示例中，致动器5优选地位于触摸像素3的面3b上，该面3b位于承载膜41的一侧，如图所示。配备有致动器5的触摸像素3例如通过绝缘粘合剂55固定到载体4。
在图4所示的变型中，载体4包括用于接纳像素3的层42和覆盖层43。
接纳层42形成盆状外壳420，每个外壳420容纳一个触摸像素3。覆盖层43，例如柔性聚合物片材，连续覆盖接纳层42和触摸像素3，从而从上面封闭外壳420。
覆盖层43例如也用作保护触摸像素3的保护片材。
在所讨论的示例中，覆盖层43的自由面43a限定了触摸表面S。覆盖层43足够薄以使触摸像素3的振动效应能够传播到触摸表面S。覆盖层43例如具有在几微米至几十微米之间的厚度。
在该变型中，致动器5可以无形地位于触摸像素3的下表面上、即在触摸像素3和接纳层42的外壳420的底部之间，和/或位于触摸像素3的上表面上、即在触摸像素3和覆盖层43之间。当一些致动器5存在于触摸像素3的相对两面上时，优选地控制它们的激发以利用它们之间的相长振动干涉。
在图5所示的示例中，界面包括检测系统7，例如已知的现有技术电容系统，允许检测用户手指与表面S的至少一个接触点。
检测系统在图5中以覆盖触摸像素3和载体4的构件的形式示意性地示出，但是它可以形成载体4的一部分或集成到触摸像素中。
界面1还可以包括一个或多个相关的器件，允许改善用户体验，尤其是使其成为多感官体验。
界面1因此可以包括允许图像叠加在触摸表面S上的柔性屏幕(未示出)，并且例如给予用户虚拟地触摸他能够在屏幕上看到的东西的印象。界面1还可以包括一个或多个扬声器(未示出)，以增加音频效果。
致动器5可以具有各种形状和尺寸。触摸像素3上的致动器5的数量、布置和尺寸取决于所寻求的效果。
图6示出了触摸像素3的示例，其采用宽度W约为1cm且长度L约为1.5cm的矩形平板的形式。在所讨论的示例中像素3的厚度e是500微米。
像素3承载两个带状致动器5，每个带状致动器的宽度例如大约为2000微米，并且每个带状致动器例如被放置在距像素的横向边缘2250微米的距离m处。
致动器5的厚度例如为2微米，并且例如具有基于氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)或任何其他合适的铁电或压电材料的活性层。
根据Casset,F.等人的文章“Low voltage actuated plate for hapticapplications with PZT thin-film”(Proceedings of Transducers(换能器论文集)，2013年)中描述的方法，例如选择两个致动器5的大小和位置，以便例如在大约61kHz的频率处、在触摸像素中产生Lamb振荡模式。
如图7所示，致动器5可以位于它们产生的振动模式的波腹处。然而，其他致动配置，例如包括定位在振动节点处的致动器，也是可能的。例如，图7的实施方式允许产生触摸像素3上的摩擦变化，该变化可以通过用户在触摸表面上移动他的手指而被触觉感知。
可以获得与刚刚描述的利用具有不同厚度的触摸像素获得的触觉效果相似的触觉效果。
特别地，可以在取决于触摸像素3的厚度的频率处产生多个振动模式。可以在触摸像素3中产生如上所述的Lamb模式，或者在像素的长度L的维度上的第一振动模式，或者甚至在像素的宽度W的维度上的第一振动模式。
使用Poncet等人的文章“Design and realization of electroactive polymeractuators for transparent and flexible haptic feedback interfaces”(EuroSime，2016年)中描述的方法，可以通过调整压电致动器来获得各种振动模式。
图8的图表示出了对应于上述三种振动模式的谐振频率的示例，它随着包括如图6所示的两个带状致动器的平面尺寸为1x 1.5cm2的触摸像素的像素厚度变化。
从该图中可以看出，如果希望使用Lamb模式(由图表中的圆形表示)来产生所寻求的触觉效果，将有利地选择在200微米至700微米之间的触摸像素的厚度，以保持在人耳听不见的频率，即高于约20kHz的频率，和在低于100kHz的频率，以保持控制电子设备相对简单。
同样，如果希望在像素长度L的维度上利用第一振动模式(由图表中的三角形表示)，将选择大于900微米的触摸像素的厚度。
最后，如果希望在像素宽度W的维度上利用第一振动模式(由图表中的正方形表示)，将选择500微米至900微米之间的触摸像素的厚度。
像素3的厚度还受到试图感知触摸效果的刚度的限制。具体地，触摸像素3的低刚度，尤其是由小厚度引起的低刚度，可以减小触摸像素3施加在用户上的力并因此减小所感受到的效果。相比之下，触摸像素3的较大厚度会降低像素的振动幅度，因此可能会减弱所感受到的触觉效果。
在50微米至几毫米之间、优选地在200微米至700微米之间的厚度可能是一个很好的折衷方案。
在一个变型中，致动器5以矩阵阵列布置分布在触摸像素3上。在一个示例中，规则地间隔2mm的大约5x 5mm2的正方形致动器5以这种方式分布在像素3上。在另一个示例中，触摸像素3配备有单个致动器6，致动器6例如放置在其主面之一的中心处。
承载触摸像素3的载体4的刚度相对于触摸像素3的刚度也对所产生的触觉效果的质量有影响。
下文描述了触觉结构2的振动模拟结果，例如图9所示，触觉结构2包括承载两个与图6类似的触摸像素3的载体4。这些结果是通过商业可用的软件包COVENTOR获得的，但任何其他软件包，特别是允许有限元分析的软件包，都是可用的。
在所讨论的示例中并且如图10所示，触摸像素3嵌入在载体4中并且具有出现在触摸表面S上的外表面3a。载体4的结构如参考图3所描述的那样。
触摸像素3例如是约500微米厚的硼硅酸盐玻璃片。它们的杨氏模量约为65GPa至70GPa。
载体具有3.5cm的长度LS、2.5cm的宽度WS和等于525微米的总厚度hE+hP，补偿层40的厚度hE为500微米，承载膜41的厚度hP为25微米。
图11示出了当用作比较例的载体4由PI制成时，对于60kHz至70kHz之间的频率，在X、Y和Z方向上为这种触觉结构模拟的振动幅度，其中PI材料的杨氏模量约为7.5GPa。在这些条件下没有获得所寻求的振动模式，并且不能产生有利的触觉效果。由PI制成的载体4过于坚硬，它将机械边界条件应用于触摸像素的周边并限制了它们的振动。
相反，当载体4由杨氏模量约为0.75GPa的PEN材料制成时，可以在触觉结构2中产生自然的Lamb模式，如图12A所示。
如图12B所示，当相应的致动器5受到+/-30V的AC电压时，触摸像素3的相应变形幅度A尤其能够达到+/-2微米，这允许获得明显的触觉效果。
因此，约为65GPa/7.5GPa的杨氏模量的比率，即约为8的比率，在模拟条件下无法产生所需的触觉效果。相比之下，约为86的比率(对应于65GPa/0.75GPa)允许产生所需的效果。
当然，其他厚度hP和hE是可以想到的。例如，对于诸如PEN、PI或PC之类的聚合物，在100微米至几厘米之间、优选几毫米的厚度允许载体提供机械强度同时保持柔韧性。
厚度hP优选地足够小，尤其是相对于hE足够小，从而不会破坏触摸像素3的机电行为。厚度hP例如在几十纳米至几百微米之间，并且优选地在25微米至90微米之间。
如上所述，载体4可以是多层或单层的。在多层载体的情况下，载体的杨氏模量ET和总厚度hT可能会使用以下近似值来获得，这在现有技术中是已知的：
hT＝∑hi
Figure BDA0003510530290000131
hi和Ei分别是第i层的厚度和杨氏模量。
界面1的每个触摸像素3的一个或多个致动器可以由控制电路6独立地寻址，这允许产生相对定位在触摸表面S上的触觉效果。
例如，通过仅激活3x 3触摸像素的矩阵阵列(即，例如如图13A所示的矩阵阵列)的中央触摸像素300，可以例如仅在触摸表面S的中心获得触摸表面S的可感知变形，如图13B所示。
根据本发明的触觉界面1可以根据图14所示的步骤进行操作。
在步骤81中，在没有用户触摸触摸表面S的情况下，界面处于待机状态，触摸像素3处于静止状态。
在步骤82中，检测系统7检测用户与表面S的至少一个接触点，并且控制电路6确定必须产生一种或多种触觉效果的位置。
在步骤83中，控制电路6发送合适的控制信号以致动至少一些致动器5，从而产生期望的触觉效果。
在步骤84中，所讨论的致动器5通过逆压电效应收缩或伸长，具有对应于所接收的信号的致动幅度，从而通过单态效应产生与它们接触的刚性像素3的振动。
在步骤85中，由致动器引起的一个或多个触摸像素的振动被表面S上的用户触觉感知。
在步骤86中，如果希望例如节省能量，则用户断开与触摸表面S的接触并且界面可以返回到待机状态。
例如，在步骤85中产生的触觉感知来自于感受触摸像素的振动，这可能给用户触摸振动表面或具有浮雕的表面的印象。
通过致动更多或更少的触摸像素，可以产生相对复杂的效果。某些效果将在下面描述并在图15A、图15B和图15C中说明。
在以下示例中将考虑相同触摸像素3的矩阵阵列10，这些触摸像素3具有圆形形状并且在矩阵阵列10上均匀交错分布。每个触摸像素都包括放置在其中心的致动器5。
在图15A所示的示例中，属于矩阵阵列10的一组触摸像素30由控制电路6致动，以便向在表面上施加静态接触的用户U发送对应于“按键点击效果”的触觉感知60的脉冲，即给用户一种按在键盘按键上的印象。
在另一示例中，如图15B所示，多组致动器31和32被同时或交替地致动，以产生伪浮雕效果的触觉感知61和62，即给正在移动他的手指与界面接触的用户一种感觉，即刷过浮雕，例如屏幕上显示的地图的山峰。
在另一个示例中，如图15C所示，多组触摸像素33和34被同时或交替激活，以产生纹理效果的触觉感知63和64，即，给正在移动他的手指与界面接触的用户提供了触摸手表表盘的光滑表面64或其表带的较粗糙表面63的印象。
用户通过移动他的手指，能够感知到摩擦的变化，这也被称为挤压膜效应，这是由于触摸像素3在被致动器5激发时例如会产生超声波模式或渐逝波。
在刚刚描述的示例中，给定组的触摸像素3可以以对于该组的所有触摸像素相同或特定于每个触摸像素的振动模式被激活，这取决于所寻求的效果。
配备有压电致动器5的触摸像素3可以通过遵循图16至图18中所示和下文描述的步骤来制作。
首先，例如通过丝网印刷，例如金的导电材料的第一层24被沉积在刚性板22、尤其是由玻璃制成的板的上表面上。
层24是不连续的：例如它包括多个分开的部分24a和24b，这些部分形成将与触摸像素3接触的致动器5的供电轨道。
板22的厚度例如为500微米。层24的厚度例如为300nm。
接着，转移包括例如下电极52、铁电层或压电层54和上电极56的压电致动器5。作为变型，致动器5仅包括层54。
位于两个电极之间的层54例如由锆钛酸铅(PZT)制成。它也可以由氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)或任何其他合适的铁电或压电材料制成。层54还可以被减薄并调整到期望的厚度。
如专利FR3082997中所述，尤其可以使用市售的压电陶瓷，或通过在板22上沉积薄层并将它们图案化来形成致动器5。
如图16所示，压电致动器5的下电极52可以通过导电粘合剂层51连接到轨道24，导电粘合剂层51例如是银膏，例如具有大约40μm的厚度。压电层54在施加在电极之间的电势差的影响下的变形通过层51中的单态效应传递到板22。
接下来，每个致动器5覆盖有例如由聚合物制成的电绝缘层58，以将致动器5保持在适当位置并使电极52和56绝缘。
如图17所示，只有一部分供电轨道24a未被覆盖。
接着，从上方减薄绝缘层58以露出电极56，从而通过喷墨印刷或其他合适的方法沉积导电材料层26而将上电极56与供电轨道24a连接，如图18所示。
作为变型，绝缘层58和压电层54可以被减薄至期望的厚度，然后可以沉积形成上电极和到轨道24a的连接的导电材料层26。在适当的情况下，层26使用模板和金的溅射获得，其厚度例如为300nm。
然后可以对板22进行切割以获得所需尺寸并配备预期数量的致动器5的触摸像素3。
为了形成触觉结构2，例如通过遵循以下参照图19至图22描述的制作步骤，由此获得的触摸像素3随后可以被转移并固定到柔性基板4上。特别地，可以通过遵循以下步骤获得例如上面参考图4描述的触觉结构。
首先，将触摸像素3放置在制造载体100(例如硅树脂板)上的期望位置，在制造载体100上，特别是通过层压已经预先形成柔性层42，例如由SINR聚合物形成的柔性层42，其旨在例如形成上述覆盖层。
触摸像素3例如通过例如厚度为40微米的刚性粘合剂(例如环氧树脂粘合剂)层44保持在适当位置，如图19所示。
随后，沉积导电材料层46，例如通过掩膜和溅射获得的300nm厚的金层，以形成每个致动器5和控制电路6之间的电连接，如图20所示。
绝缘层45，例如聚合物珠，可以预先沉积在触摸像素3周围。
接下来，例如通过滚压或粘合，所有触摸像素3及其致动器5连续覆盖有层42、尤其是软聚合物膜，以在触摸像素3之间形成柔性桥接，如图21所示。层42旨在形成上述接纳层。
作为变型，触摸像素3可以涂覆有软聚合物。
最后，通过剥离去除制造载体以露出覆盖层43，未覆盖的表面限定柔性触觉界面的触摸表面S。作为变型，触摸表面还可以由触觉结构的上表面2a限定。
如图23A所示，根据本发明的界面1可以集成到服装制品中，例如手套中。
作为变型，该界面可以集成到移动设备中，例如集成到柔性电话中，如图23B所示。
在其他示例中，触觉结构2还可以根据所寻求的触觉效果改变形状，界面1可能由于其柔韧性而成为可重新配置的有形物体，如图24所示。在该图中，可以看出，该界面可以机械地联接到一个或多个致动器11，致动器11允许其变形以赋予其预定的形状，对应于它试图以触觉方式模拟的物体的形状。

Claims (20)

1.一种柔性触觉界面(1)，包括：
触觉结构(2)，所述触觉结构(2)限定用户可触摸的触摸表面(S)，所述触觉结构包括：
由柔性载体(4)承载的多个刚性触摸像素(3)，
至少一个致动器(5)，所述至少一个致动器与每个像素(3)接触并且被布置为向所述像素(3)传输导致所述用户可触觉感知的效果的机械激发。
2.根据权利要求1所述的界面，包括控制电路(6)，所述控制电路(6)被配置为调制发送到所述致动器的信号，以便机械地引起所述像素(3)的振动并在所述触摸表面上产生触觉感觉。
3.根据权利要求1所述的界面，其中，至少某些像素(3)、更好地是所有像素，具有基本恒定的厚度，所述厚度优选地在50微米至5mm之间，并且更好地在200微米至700微米之间。
4.根据权利要求1所述的界面，其中，所述载体(4)由聚合物材料形成。
5.根据权利要求1所述的界面，其中，至少一些像素(3)具有出现在所述触摸表面(S)上的外表面(3a)。
6.根据权利要求1所述的界面，其中，所述载体(4)包括承载层(41)和用于补偿所述像素(3)的厚度的补偿层(40)，所述像素(3)都位于所述承载层(41)的同一侧，所述补偿层(40)包括在所述像素(3)之间延伸的柔性段(400)，所述补偿层(40)具有基本恒定的厚度(hE)，所述厚度(hE)优选地在100微米至5厘米之间，优选在500微米至5毫米之间，尤其是1毫米。
7.根据权利要求6所述的界面，其中，所述像素(3)具有与所述补偿层(40)的外表面(40a)齐平的外表面(3a)，所述像素的外表面和所述补偿层的外表面限定所述触摸表面(S)。
8.根据权利要求1所述的界面，其中，所述载体(4)形成外壳(420)，所述像素(3)至少部分地位于所述外壳(420)中，所述像素被限定所述触摸表面的柔性片材(43)连续覆盖。
9.根据权利要求1所述的界面，其中，两个相邻像素(3)之间的间距(d)在10微米至5毫米之间，更好地在1毫米至2毫米之间。
10.根据权利要求1所述的界面，其中，至少一些像素(3)排列成行和/或列，特别是当所述界面是平坦的时，排列在同一平面内，并且优选地排列成规则网格。
11.根据权利要求1所述的界面，其中，每个像素(3)配备有在所述像素的至少一个面(3b)上延伸的多个致动器(5)。
12.根据权利要求11所述的界面，其中，所述致动器(5)被放置在所述像素(3)的中间平面的任一侧，优选地在振动节点或波腹处。
13.根据权利要求1所述的界面，包括用于检测所述用户在所述触摸表面上的接触的检测系统(7)，尤其是集成到所述触觉结构中的电容检测结构。
14.根据权利要求1所述的界面，包括允许图像至少部分地叠加在所述触摸表面上的系统，尤其是屏幕，优选地是包含所述触觉结构的屏幕。
15.根据权利要求1所述的界面，包括至少一个致动器(11)，所述致动器(11)允许所述界面选择性地成形为至少两种不同的形状。
16.一种用于产生至少一种能够由触摸例如权利要求1所限定的界面的用户所感觉到的触觉感知的方法，包括以下步骤：
借助检测系统检测所述用户在所述界面的柔性触摸表面(S)上的接触位置，
借助控制电路(6)根据检测到的位置调制发送到所述致动器(5)的信号，以便机械地引起所述像素(3)的振动并产生所述用户在所述触摸表面上可触觉感知的效果。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述像素(3)的振动产生通过用户在所述触摸表面(S)上移动他的手指可触觉感知的摩擦变化。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述像素的振动产生通过用户在所述触摸表面(S)上施加静态接触而可触觉感知的脉冲。
19.一种用于制造配备有例如权利要求1所限定的界面的至少一个压电致动器(5)的触摸像素(3)的方法，包括以下步骤：
优选地通过丝网印刷在刚性载体(22)、优选地由玻璃制成的载体的上表面上至少沉积导电材料的第一层(24)，
将压电致动器(5)固定到由此形成的所述第一层(24)上，以便与所述致动器建立第一电连接，
在预先沉积的所述层上沉积绝缘层(58)，
减薄所述绝缘层(58)以露出每个压电致动器(5)的上表面，
在由此露出的所述致动器上沉积导电材料层(59)，以便与所述致动器建立第二电连接，
切割所述载体以获得配备有一个或多个压电致动器的多个触摸像素(3)。
20.一种用于制造例如权利要求2和3所限定的界面的方法，包括以下步骤：
在制造载体(100)上沉积由柔性材料制成、优选由聚合物制成的第一层(43)，
将配备有一个或多个致动器(5)的刚性像素(3)固定到由此沉积的所述层上，所述致动器放置在所述像素的外表面(3a)上，
优选地通过导电材料(46)的掩膜和溅射，将每个致动器(5)电连接到所述控制电路(6)，
用柔性材料(42)覆盖所述像素和所述致动器，所述柔性材料(42)优选为聚合物膜，以及
尤其是通过剥离，将由此产生的组件与所述制造载体(100)分离以露出所述第一层的下表面。
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