WO2019030418A1 - Dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos y procedimiento de fabricación del mismo - Google Patents

Dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos y procedimiento de fabricación del mismo Download PDF

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WO2019030418A1
WO2019030418A1 PCT/ES2017/070572 ES2017070572W WO2019030418A1 WO 2019030418 A1 WO2019030418 A1 WO 2019030418A1 ES 2017070572 W ES2017070572 W ES 2017070572W WO 2019030418 A1 WO2019030418 A1 WO 2019030418A1
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WO
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insulating layer
dielectric elastomer
spherical
frame
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/ES2017/070572
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English (en)
French (fr)
Inventor
José Luis CÓRDOBA MANTILLA
José Antonio YANAC ZEGARRA
Original Assignee
Visión Tactil Portable, S. L.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Visión Tactil Portable, S. L. filed Critical Visión Tactil Portable, S. L.
Priority to PCT/ES2017/070572 priority Critical patent/WO2019030418A1/es
Publication of WO2019030418A1 publication Critical patent/WO2019030418A1/es

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B21/00—Teaching, or communicating with, the blind, deaf or mute
    • G09B21/001—Teaching or communicating with blind persons
    • G09B21/003—Teaching or communicating with blind persons using tactile presentation of the information, e.g. Braille displays

Definitions

  • the present invention relates to a technique for the manufacture of a tactile matrix optimized for the tactile transfer of information without interferences between taxels (taxel is a tactile pixel, a tactile element), of small size, easily scalable in resolution (number of rows and columns), ergonomic, high contact with the surface to stimulate and producible at industrial level.
  • the tactile matrix based on elastomer and activated for example by the method described in the international patent application WO201 1089274-A1 can be applied, among other applications, to generate tactile visual images in a tactile visual system, such as the disclosed tactile vision system in the Spanish patent application ES2353781 -A1.
  • WO2012004421-A1 discloses a tactile excitation device based on dielectric elastomers that solves many of the problems of the prior art.
  • the invention described in this document has the following drawbacks:
  • Scarce surface of contact of the pin with the skin The surface of the pin actuator that is in contact with the skin to be flat and very reduced ( ⁇ 0.3mm 2 ), does not generate an adequate stimulus, and does not help to meet the main objective of the device, which is to stimulate the cells and try to generate new connections between them. Under this approach, for an optimal excitation of the cells, an actuator pin with a geometry that meets two objectives is necessary: greater ergonomic contact surface with the skin and effect of vibration and excitation of the radial type skin.
  • Irritation of the skin by vibrations The edges of the contact area of the actuator pin with the skin, due to the vibration and friction generated, cause the skin to suffer micro irritations, which goes against the objective of the excitation device cellular and generation of new cellular connections.
  • the current connectivity is in practice very difficult to produce at an industrial level, it has a high electrical resistance, and a high risk of deformation of the connectivity system of the printed circuit in the dielectric elastomer membrane to the PCB, to be subject to vibrations products of the operation of the device.
  • the geometry, the area and the contact form of the circuit terminal with the dielectric elastomer membrane it tears it breaking the circuit.
  • the silicone is flexible in nature, the lower movement of the device affects the connectivity of the circuit with the electronic board (rupture of the membrane due to tearing produced by the terminal, absence of contact between the terminals, and deformation of the wire of 0.1 mm, between the main causes).
  • the present invention proposes a tactile excitation device, also based on dielectric elastomers, which improves the device disclosed in WO2012004421 -A1, solving all the problems listed above.
  • the tactile excitation device of the present invention transmits the mechanical energy produced in the core of the dielectric elastomer to the external point of mechanical action, introducing at the same time mechanical isolation and electrical between adjacent actuators.
  • This mechanical and electrical energy isolation allows reducing the separation area between actuators in the matrix, thus achieving devices with a density of actuators in tune with the density of receptor nerve endings in the skin and with a constant and adjustable force exerted by a printed circuit board of the electronic device, in the set of actuators that make up the matrix, sufficient for the correct stimulation of the nerve ending and the possible generation of new stimulations with the appropriate training.
  • the activation of a specific taxel can be carried out following the process disclosed in patent document EP2461306-B1.
  • the distribution of the circuit can take different forms, and the regulation of the voltage at a certain point (diode) is done following a certain relationship.
  • the stretched dielectric membrane has an upper and lower circuit, where the circuit matrix is directed by the selection of a taxel at the intersection of a certain upper and lower electrode (X, Y), by applying voltage between the upper electrode and corresponding lower
  • the taxeles are excited or activated by multiplexing by time division.
  • the device presents differentiating aspects with respect to previous developments, such as an ergonomic surface that facilitates greater contact of the taxeles with the skin, contact actuators of spherical geometry, high efficiency in mechanical transfer, high mechanical and electrical isolation between electrodes and actuators, Y electrical connectors optimized for a minimum electrical resistance. These characteristics optimize the stimulation of the nerve endings and facilitate the generation of new ones. It is also an object of the present invention to provide a method of manufacturing a tactile excitation device composed of a passive matrix of high efficiency in mechanical transfer and high mechanical and electrical isolation between electrodes and actuators.
  • a first aspect of the present invention relates to an ergonomic tactile excitation device based on dielectric elastomers comprising an array of dielectric actuating elastomers formed by a dielectric elastomer membrane linearly stretched with a circuit adhered on both sides (by printing, stamping, painted, flexible circuit adhesion, etc.).
  • Said circuit comprises a matrix of upper, preferably circular, electrodes, connected linearly in rows on the upper face of the membrane; and a matrix of lower, preferably circular, electrodes facing the upper electrodes and connected linearly in columns on the underside of the membrane.
  • the device also comprises a lower insulating layer, made with an electrical insulating elastomer, which covers the lower electrode matrix, and an upper insulating layer, made with an electrical insulating elastomer, which is embedded with a set of spherical actuators, facing the electrodes .
  • the lower insulating layer has on its perimeter a mechanical fastening system to a lower support frame
  • the upper insulating layer has on its perimeter a mechanical fastening system to an upper support frame.
  • the device also comprises a top frame, made of a rigid and insulating electrical material, which is embedded in a series of electric connectors of the multitrack type, which contact terminals located at the ends of the rows of the electrode array. higher, without perforating the dielectric elastomer membrane, increasing the useful life of the device and reducing the electrical resistance of the circuit.
  • This upper frame presents on its inner perimeter a mechanical fastening system for the upper layer of insulating elastomer.
  • the device preferably comprises a lower frame, of a rigid and insulating electrical material, with a support surface for the lower insulating layer of elastomer which gives the ergonomic shape to the upper insulating layer assembly, dielectric elastomer membrane and lower insulating layer.
  • This lower frame is embedded with multi-track electrical connectors that contact the terminals of the lower electrode array, without drilling the dielectric elastomer membrane, increasing the useful life of the device and reducing the electrical resistance of the circuit.
  • This lower frame has a mechanical fastening system for the lower layer of insulating elastomer on the inner perimeter.
  • This lower frame has a central surface, which serves as support for the lower layer, with an ergonomic geometry according to the area of the skin to be stimulated.
  • the device comprises a printed circuit board having at least an equal number of electrical terminals that rows and columns of electrodes join the upper and lower layers of the device.
  • each electrical terminal of the electrode array is made through multi-track connectors embedded in the frames, making direct contact with the stretched dielectric elastomer, but without damaging it.
  • the actuators are of spherical geometry, and are partially embedded, separated from each other by a distance according to the concentration of nerve terminals of the skin in which they will be in contact.
  • the method of manufacturing the device comprises a step of manufacturing the dielectric membrane by means of which a piece of dielectric elastomer is stretched to a point at which the mechanical reaction is sufficient to transmit without interference to the spherical actuator.
  • the stretching process is carried out in a numerical control machine, with control variables of ambient temperature, drawing speed, applied force and obtained thickness.
  • the stretching methods can be linear (X axis, Y) or radial (R1 ..Rn), linear stretch being a preferred method, since the internal structure of the elastomer is not deformed, and the Force transmission is uniform across the stretched dielectric elastomer membrane.
  • the electric circuit is elaborated, by means of which an electric circuit matrix is applied on both sides of the dielectric elastomer membrane, by means of printing, screen printing, painting or adhesion processes of a circuit.
  • the elaboration of the circuit is carried out by means of a screen printing process, through a numerical control machine configurable to control critical variables such as pressure of the conductive material, viscosity, electrical resistance, and final thickness of the material conductive.
  • the electrical circuit can have different shapes or paths (depending on the area of the skin to be stimulated), but with the terminals of the lower and upper face on opposite edges of the dielectric elastomer membrane.
  • the frames are rigid and include multitrack electrical connectors that transmit the voltage from the PCB to the circuit adhered to the dielectric elastomer membrane, through direct contact without potential rupture risks and with a minimum electrical resistance.
  • each frame has a mechanical fixing system in its internal perimeters to ensure the assembly of the dielectric elastomer membrane assembly with the layers of insulating elastomer.
  • the lower frame has a solid base that gives the ergonomic shape to the whole.
  • the final assembly of the frames is carried out in a numerical control assembly machine, controlling variables such as the set pressure, conductivity and alignment of actuators and electrodes through artificial vision systems.
  • each of the frames face the terminals of the circuit, the dielectric elastomer membrane (upper and lower), on opposite sides of the assembly (anterior / posterior), and make contact with the PCB by mechanical adjustment.
  • a third rigid frame may be included that seals the assembly and adds mechanical strength.
  • the present invention solves the problems of the tactile excitation device disclosed in WO2012004421 -A1.
  • the present invention proposes a new geometry of the actuator pin to facilitate the manufacturing process, replacing the actuator pin with an actuator of spherical geometry, which is embedded between 1/2 - 3/5 of its diameter, in one single top layer of silicone with a thickness equal to the diameter of the sphere.
  • the double layer of superior silicone has therefore been eliminated.
  • the spherical geometry of the new actuator also solves the problem of poor contact surface of the pin with the skin, by having a larger contact surface (between 1420 - 2200%) with respect to the actuator pin of WO2012004421 -A1. Additionally, the spherical geometry of the new actuator optimizes the vibration transmitted and consequently the excitation of the skin cells at the radial level.
  • the spherical geometry of the new actuator pin solves the problem of irritation of the skin by vibrations, by avoiding the irritation of the skin caused by the rubbing of the edges of the actuator pin of WO2012004421 -A1, also favoring the generation of new cellular connections.
  • the tactile excitation device of the present invention also improves the low level of cellular excitation of the device disclosed in WO2012004421 -A1, by providing a new ergonomic shape of the device.
  • the goal of the device is to stimulate a specific type of skin cells, and the optimal way to stimulate these cells is to be in direct contact with the skin.
  • the geometry of the device described in WO2012004421 -A1 does not help to achieve this goal, so its geometry has been modified following ergonomic factors and helping to prevent possible injuries due to use.
  • the device of the present invention also solves the connectivity problems of the PCB with the printed circuit in the dielectric elastomer membrane, by means of a new connectivity system of the circuit of the membrane with the electronic board.
  • the connectivity of the membrane with the PCB is done through a multi-track circuit made with elastomeric and conductive materials, integrated in the support of the set, reducing the electrical resistance of the same and generating an optimization of the voltage / intensity ratio (V / A ) supplied to the electrodes for excitation.
  • the device of the present invention incorporates a support structure of a rigid material and 100% electrical insulation, which includes a rigid frame that fulfills two functions: to give rigidity to the assembly (optimizing the operation of the product) and to serve as support for the multitrack circuits between the membrane circuit and the PCB.
  • the device of the present invention also solves the problem of the deformation of the dielectric elastomer membrane by pushing the lower layer of silicone. To do this, the hemispheres are removed from the base plate, using a rigid support base plate.
  • Figures 1 A and 1 B represent the operating principle of a dielectric elastomer actuator, according to the existing technique.
  • Figures 2A and 2B show the dielectric elastomer elements of the present invention in a matrix arrangement (dielectric elastomer membrane matrix).
  • Figures 3A and 3B represent, according to one embodiment of the present invention, a lateral section of the 2D and 3D tactile excitation device, respectively.
  • Figure 4 shows a scheme of action of the tactile excitation device on the skin.
  • Figure 5 shows a lateral and perimeter section of the device, just at the point where the electrical connectors contact the dielectric elastomer membrane.
  • Figure 6 shows a detail between the connection of the dielectric elastomer membrane circuit and the electrical connectors.
  • the invention relates to a tactile excitation device based on dielectric elastomers and their manufacturing process.
  • FIG. 1A and 1 B The operating principle of an elastomer dielectric actuator (3) is shown in Figure 1A and 1 B.
  • a high continuous voltage U is applied between both sides of a thin dielectric elastomer film (1), by means of a superior electrode (2) and a lower electrode (2 '), expands in the direction of the plane due to the pressure p in the thickness direction induced by an electric field.
  • the dielectric elastomer membrane regains its original shape.
  • This effect can be created, for example, the tactile sensations in a small area of the surface of the skin (the application zone) when the dielectric elastomer matrix is applied or fixed to a human body, preferably in a sensitive region (for example, example, the abdomen or lower back).
  • the pressure increases quadratically with the electric field and therefore is the main relation that regulates the response of the actuator. It is important to note that the dielectric elastomer behavior is the same regardless of the positive or negative sign of the applied voltage U.
  • the equivalent electric model for a dielectric elastomer is a parallel capacitor and resistance configuration, in which the capacitance is the result of two electrodes applied to the dielectric elastomer film, and the resistance is the Loss resistance caused by the conductivity of the dielectric elastomer film.
  • the thick mode technique is a recent realization of EPAM (Artificial Muscle of Electroactive Polymer).
  • the "active" polymer film is coated with a thicker passive layer, so that changes in polymer thickness during the performance of EPAM are transferred, at least partially, to the passive layer.
  • This passive layer can be considered as passive in relation to the polymer film in that it does not respond to the application of an electric field changing area or thickness as does the EPAM layer.
  • the passive layer is coupled to the EPAM film so that changes in area and thickness of the EPAM film induce shear forces in the passive layer that change the thickness of this layer. Therefore, this change in thickness of the passive layer can be used to expand, in absolute terms, the displacement produced by the change in thickness of the EPAM polymer film.
  • Figure 1 A shows a schematic diagram of this type of device and the results of the performance of the shear mode.
  • EPAM is shown during the performance of the shear mode, showing a schematic diagram of a proposed shear mode device.
  • this scheme presents several problems, such as the coupling between taxels through the same skin and the weak transmission of energy, which is intended to be solved with the present invention, while enhancing the mechanical transmission of the deformations executed in the dielectric elastomer.
  • Figure 2A shows the arrangement of the electrodes (2,2 ') in a dielectric elastomer membrane (1), following a matrix arrangement (circuit matrix), forming a matrix of dielectric actuating elastomers (3).
  • Figure 2B represents a detail of the dielectric elastomer membrane matrix, in which the connection of the upper electrodes (2), which are electrically connected in lines arranged in rows (20) by the upper face of the dielectric elastomer, are appreciated. (1) stretched, and the lower electrodes (2 ') which are electrically connected in lines arranged in columns (21), perpendicular to the rows (20), by the lower layer of the stretched dielectric elastomer (1).
  • the electrodes are preferably circular, as shown in Figure 2B, but could take other forms (e.g., square, rhomboidal, rectangular, etc.).
  • FIG. 3A shows a plan view and a 2D side section according to the cutting plane A-A
  • Figure 3B shows a perspective view and a 3D side section of the device (10).
  • the tactile excitation device (10) comprises the following elements, which contribute to a better and more effective action on the skin to be stimulated:
  • the central surface of the lower frame (4) has the ergonomic shape of the surface of the skin on which the device will be applied.
  • the spherical actuators (5) are stainless steel balls.
  • the device (10) has connection terminals (11). , 1 1 ') which serve to connect the electrode array with multipole electrical connectors (9, 9') which are embedded in an upper frame (7) of the device. These multitrack electric connectors (9, 9 ') in turn connect to a PCB.
  • the lower frame (4) has an ergonomic geometry support surface that brings the final shape to the assembly, as seen in the embodiment of Figure 3A. Starting from an elastomer with a lower insulating layer (8), in the upper part of the elastomer there is the other part of the enhancing device, formed by the embedded spherical actuators (5).
  • All components can be manufactured separately pending final assembly.
  • the whole process is carried out in a controlled environment, in temperature, humidity and free of impurities that affect the final operation.
  • the first stage of the manufacturing process of the dielectric elastomer membrane includes the stretching of the dielectric elastomer membrane (1).
  • the stretching process of the dielectric elastomer is carried out in a numerical control machine that controls the main variables of the process: stretching uniformity (preferably linear), pressure exerted in the process, and final thickness.
  • the final thickness control is carried out by means of laser measurement systems.
  • a microscopic vision system checks the uniform stretching of the film, up to the desired thickness.
  • the ideal relationship between the thickness of the dielectric elastomer and the applied voltage to react mechanically is inversely proportional and is determined by the type of dielectric elastomer to be used (acrylic, silicone, etc.).
  • the membranes receive a reusable frame on both sides that allows to fix and maintain the stretch, facing the next phase of the process.
  • the initial dielectric elastomer (at rest) must have a square geometry, to obtain a certain number of membranes per operation.
  • the maximum number of stretched membranes that can be obtained from the material at rest is determined by the following formula: A (ei) x 16
  • N (und) is the number of units per operation
  • a (ei) is the initial area of the dielectric elastomer at rest
  • a (ef) is the final area of the stretched dielectric elastomer.
  • the final area of the stretched dielectric elastomer is determined by the desired thickness.
  • an upper and lower electric circuit is applied on both sides of the dielectric elastomer membrane (1), forming a matrix of upper electrodes (2) connected linearly in rows (20) on the upper face and a matrix of lower electrodes (2 ') connected linearly in columns (21) in the lower face.
  • the circuit matrix is elaborated in a highly conductive material (conductive silicone, conductive ink, etc.) by a numerical control machine and following a pattern appropriate to the surface of the skin to be stimulated.
  • the dielectric elastomer membranes (1) arrive at the application station of the circuit matrix, and receive the painting of the circuit on both sides of the membrane, controlling critical parameters in the process, such as:
  • Thickness of the conductive material ideal thickness between 10 ⁇ - 20 ⁇ .
  • the final circuit may have different shapes or distributions, however it is advisable to maintain the minimum safety distances to avoid "arc flash” effects or excessive temperatures that deteriorate the dielectric membrane.
  • the second stage of the manufacturing process of the device (10) proceeds to obtain the upper insulating layer (6) and lower (8) elastomer layer.
  • the distance (f) from the closest point of the base (5a) of spherical actuator to the upper electrode (2) is between 1/2 and 2/5 of the diameter (D) of the spherical actuator, which provides safety for possible short circuits by the fracture of the upper insulating layer (6) and the contact of the spherical actuator (5) with the upper electrode (2).
  • the upper insulating layer (6) is composed of a highly insulating elastomeric material, and a matrix of spherical actuators (5) is partially embedded in said upper insulating layer (6).
  • the insulating material must have a suitable hardness to allow transmitting the impulse of the dielectric elastomer membrane (1), but in turn isolate the transfer of this impulse to the adjacent spherical actuators (5).
  • the proper manufacturing method is compression molding, in which the spherical actuators are perfectly distributed and uniformly embedded in the upper insulating layer (6).
  • the base (5a) of the spherical actuator must be close enough to the action source (electrode 2) to capture most of the energy generated, taking care that it can not receive a direct discharge from the electrode, which could cause injuries to user.
  • the spherical actuator is embedded in the upper insulating layer (6) a depth (e) between 1/2 and 3/5 of its diameter (D): 1 ⁇ 2 D ⁇ e ⁇ 3 ⁇ 4D.
  • the upper frame (7) comprises coupling means (7a), or connecting or fitting means, on its perimeter, for example by means of one or several recesses and ridges or tongue and groove connections, which ensures the upper insulating layer (6) to the upper frame (7) and to the dielectric elastomer membrane (1).
  • the upper insulating layer (6) may comprise on its perimeter coupling means (6a) complementary to the coupling means (7a) of the upper frame (7), implemented for example by means of a set of projections and recesses that they allow a tongue-and-groove connection with the projections and recesses of the upper frame (7).
  • the upper frame (7) can be manufactured in one piece or several pieces (eg two pieces in the example of Figure 5).
  • the lower frame (4) can be formed by one or several pieces joined together.
  • the lower insulating layer (8) is composed of a highly insulating elastomer with a hardness similar to that of the upper insulating layer (6).
  • the lower frame (4) comprises coupling means (4a), or connecting means or fitting, on its perimeter for the fastening of the lower insulating layer (8).
  • the lower insulating layer (8) can also comprise on its perimeter coupling means (8a) complementary to the coupling means (4a) of the lower frame (4).
  • the lower frame (4) and the lower insulating layer (8) can have tongue-and-groove connections (projections and recesses) that fit together.
  • the upper (7) and lower (4) frames are obtained and electrical connectivity is realized.
  • the preferred process is to place the lower frame first, giving support to the assembly: lower insulation / dielectric membrane / upper insulation with actuators and above all giving the ergonomic shape to the assembly and giving rigidity for the placement of the upper frame.
  • the upper (7) and lower (4) frames have an ergonomic geometry according to the area of the skin to be stimulated, and are made of a rigid and insulating electrical material.
  • the frames (4, 7) have an inclusion of multitrack electrical connectors (9, 9 '), preferably embedded between both frames, which connect on the one hand to the connection terminals (1 1). , 1 1 ') of the dielectric elastomer membrane (1), in a contact area, and on the other hand with electrical terminals (13) printed on the PCB (12).
  • Multipole electrical connectors (9, 9 ') are made of a highly conductive material, metals or synthetic conductive compounds (eg Graphene), or a mixture of both.
  • the multi-track electrical connectors (9, 9 ') are embedded during the molding process of the frames, ensuring their fixation thereon.
  • Figure 6 shows the connection diagram for the upper and lower circuit printed on both sides in the dielectric elastomer membrane (1), where the upper (7) and lower (4) frames are not shown for clarity. layers insulating elastomers (6,8).
  • this method ensures that there are no risks of ruptures of the dielectric elastomer membrane (1) by friction or perforation.
  • the electrical resistance is minimal, optimizing the behavior of the device (10).
  • the multi-track electrical connectors (9 ') and the connection terminals (1 1') corresponding to the lower circuit of the dielectric elastomer membrane (1) are arranged on one side of the perpendicular device (10). where the multi-track electrical connectors (9) and the connection terminals (1 1) of the upper circuit of the dielectric elastomer membrane (1) are located.
  • the assembly of the pieces that make up the device (10) are made by several successive assemblies.
  • the dielectric elastomer membrane (1) and the insulating elastomer layers (6, 8) are assembled.
  • the lower frame (4) is joined, obtaining the ergonomic shape of the assembly.
  • the upper frame (7) is mounted.
  • the entire assembly of the device is carried out in a numerical control machine, with pressure, alignment and electrical conductivity controls.
  • the first assembly consists of the union of the dielectric elastomer membrane (1), already printed with the upper and lower circuits, with the upper (6) and lower (8) insulating layers. This process is necessary to maintain the distribution of the membrane circuit (1), which could be affected by the ergonomic curvature given by the lower frame (4) (the lower frame gives the ergonomic curvature to the whole).
  • the machine receives the printed membranes (1) and applies in adhesive regions (on both sides) adhesive for the insulating layers.
  • the insulating layers and in particular the spherical actuators 5 embedded in the upper insulating layer (6) with the electrodes (2, 2 ') are aligned.
  • An artificial vision system confirms the alignment, after which a uniform pressure along the entire surface, sealing the assembly.
  • the second assembly consists of the placement of the lower frame (4). Following the same procedure, adhesive is applied to the central ergonomic surface of the lower frame (4) and the face of the lower insulating layer (8) that is in contact with this surface. A sensor aligns the lower frame with the first assembly and by means of uniform pressure the seal is proceeded.
  • the third assembly consists of placing the upper frame (7) on the result of the second assembly. As in the second assembly, adhesive is applied on the inner perimeter of the upper frame (7) and on the outer perimeter of the upper insulating layer (6) with the embedded spherical actuators.
  • An automated system realizes the alignment and by means of uniform pressure in the perimeters the assembly is sealed, obtaining the final device.
  • an additional frame can be included that reinforces the structure and adds additional solidity to the assembly.
  • the device After assembly, the device is subjected to a test bench to confirm the displacement of the spherical actuators (using laser sensors), the vibration of the spherical actuators (with laser sensors) and the electrical resistance of the assembly (test with test bench electronic).

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Abstract

Dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos y procedimiento de fabricación del mismo. El dispositivo (10) comprende una membrana de elastómero dieléctrico (1); una matriz de electrodos superiores (2) e inferiores (2'); capas aislantes superior (6) e inferior (8) que recubren la membrana de elastómero dieléctrico (1); una PCB (12) con terminales (13) conectados eléctricamente a las matrices de electrodos (2, 2'); una matriz de actuadores esféricos (5) parcialmente embebidos en la capa aislante superior (6), estando su base (5a) enfrentada a los electrodos superiores (2) y sobresaliendo el extremo opuesto (5b) de los actuadores esféricos de la capa aislante superior (6); y un marco inferior (4) que adopta una forma curvada cóncava, configurado para recubrir inferiormente y mantener en tensión la capa aislante inferior (8), de forma que la membrana de elastómero dieléctrico (1) y la capa aislante superior (6) adoptan una forma curvada.

Description

DISPOSITIVO DE EXCITACIÓN TÁCTIL BASADO EN ELASTÓMEROS DIELÉCTRICOS Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DEL MISMO
DESCRIPCIÓN Campo de la invención
La presente invención se refiere a una técnica para la fabricación de una matriz táctil optimizada para la transferencia táctil de información sin interferencias entre taxeles (taxel es un píxel táctil, un elemento táctil), de pequeño tamaño, fácilmente escalable en resolución (número de filas y columnas), ergonomico, de alto contacto con la superficie a estimular y producible a nivel industrial.
La matriz táctil basada en elastomero y activada por ejemplo por el método descrito en la solicitud de patente internacional WO201 1089274-A1 se puede aplicar, entre otras aplicaciones, para generar imágenes visuales táctiles en un sistema visual táctil, como el sistema de visión táctil divulgado en la solicitud de patente española ES2353781 -A1 . Antecedentes de la invención
El desarrollo y aplicación de elastómeros dieléctricos para actuadores mecánicos está recogido en la literatura técnica [1 ].
Actualmente existen invenciones de matrices para aplicaciones parecidas al braille [3] o para uso en un dedo [5], donde o bien usan varas capas de elastomero para ser capaces de obtener actuaciones suficientemente intensas para notarlas, o métodos neumáticos combinados con elastómeros, todo ello bastante complicado, costoso y difícil de industrializar. Ninguna de estas invenciones resuelve el problema de las interferencias tanto mecánicas como eléctricas entre taxeles.
El documento WO2012004421 -A1 divulga un dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos que resuelve muchos de los problemas de la técnica anterior. Sin embargo, la invención descrita en este documento presenta los siguientes inconvenientes:
- Complejo procedimiento de fabricación: Según el procedimiento actual de fabricación, se requiere una doble capa de silicona, una para colocar temporalmente el pin actuador, y una segunda para fijarlo fusionando ambas capas en una única. Además, la geometría del pin actuador hace difícil y costosa la fabricación del dispositivo, al no poder automatizar la fijación de los pines actuadores en la capa superior de silicona, siendo ésta una labor manual y casi artesanal.
Escasa superficie de contacto del pin con la piel: La superficie del pin actuador que está en contacto con la piel al ser plana y muy reducida (<0,3mm2), no genera un estímulo adecuado, y no ayuda a cumplir el objetivo principal del dispositivo, que es estimular las células e intentar generar nuevas conexiones entre ellas. Bajo este enfoque, para una óptima excitación de las células, es necesario un pin actuador con una geometría que cumpla dos objetivos: mayor superficie ergonómica de contacto con la piel y efecto de vibración y excitación de la piel de tipo radial.
Irritación de la piel por las vibraciones: Las aristas de la zona de contacto del pin actuador con la piel, debido a la vibración y el roce generado, hacen que la piel sufra micro irritaciones, lo que va en contra del objetivo del dispositivo de excitación celular y generación de nuevas conexiones celulares.
Bajo nivel de excitación celular y mayor tiempo de entrenamiento requerido: La geometría del dispositivo obliga a que el usuario esfuerce el contacto de la piel con el dispositivo, lo que genera problemas a nivel muscular y una baja transferencia del estímulo.
Conectividad del circuito con la electrónica: La conectividad actual es en la práctica muy difícil de producir a nivel industrial, posee una alta resistencia eléctrica, y un alto riesgo de deformación del sistema de conectividad del circuito impreso en la membrana de elastomero dieléctrico al PCB, al estar sujeto a vibraciones productos del funcionamiento del dispositivo. Por otro lado, por la geometría, el área y la forma de contacto del terminal de circuito con la membrana de elastomero dieléctrico, lo desgarra rompiendo el circuito. Tampoco existe un soporte rígido para este tipo de conectividad, y al ser la silicona de naturaleza flexible el menor movimiento del dispositivo afecta a la conectividad del circuito con la placa electrónica (rotura de la membrana por desgarramiento producido por el terminal, ausencia de contacto entre los terminales, y deformación del alambre de 0,1 mm, entre las principales causas). - Deformación de la membrana de elastómero dieléctrico por empuje de la capa inferior de silicona: La placa base con semiesferas de soporte produce una tensión sobre la capa inferior de silicona, generando una deformación de la misma (por las características mecánicas de la silicona). Esta deformación es trasmitida a la membrana del elastómero dieléctrico estirado, haciendo que la deformación que sufre (producto de la excitación eléctrica dada por el circuito), no sea perfectamente planar, sino convexa, irradiando la deformación a las regiones adyacentes, y minimizando el empuje vertical sobre el pin actuador enfrentado sobre sí.
La presente invención propone un dispositivo de excitación táctil, también basado en elastómeros dieléctricos, que mejora el dispositivo divulgado en WO2012004421 -A1 , resolviendo todos los problemas anteriormente enumerados. Referencias bibliográficas
[1 ] R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei, and J. Joseph, "High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Over 100% Strain", Science, Vol. 287, No. 5454, pp. 836-839, 2000.
[2] R. Kornbluh, R. Pelrine, Q. Pei, R. Heydt, S. Stanford, S. Oh, and J. Eckerle, "Electroelastomers: Applications of Dielectric Elastomer Transducers for Actuation, Generation and Smart Structures", Smart Structures and Materials 2002: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies, ed. A. McGowan, Proc. SPIE, Vol. 4698, pp. 254-270, 2002. [3] R. Heydt and S. Chhokar, "Refreshable Braille Display Based on Electroactive Polymers", Proc. 23rd Intl. Display Research Conf., Phoenix, Arizona, 15-18 September 2003.
[4] H. Prahlad et al., "Programmable Surface Deformation: Thickness-Mode Electroactive Polymer Actuators and their Applications", Proc. SPIE's Conference on Smart Structures and Materials, 5759, Vol. 102, 2005.
[5] Ig Mo Koo et al., "Development of Soft-Actuator-Based Wearable Tactile Display", IEEE Transactions on Robotics, Vol. 24, No. 3, June 2008 Descripción de la invención
Basado en el principio de actuación mecánica de un material elastómero dieléctrico sometido a un voltaje, el dispositivo de excitación táctil de la presente invención trasmite la energía mecánica producida en el núcleo del elastómero dieléctrico al punto externo de actuación mecánica, introduciendo al mismo tiempo aislamiento mecánico y eléctrico entre actuadores adyacentes. Este aislamiento mecánico y eléctrico de energía permite reducir el área de separación entre actuadores en la matriz, consiguiendo así dispositivos con una densidad de actuadores en sintonía con la densidad de terminaciones nerviosas receptoras en la piel y con una fuerza ejercida constante y regulable, por una placa de circuito impreso del dispositivo electrónico, en el conjunto de actuadores que componen la matriz, suficiente para la correcta estimulación de la terminación nerviosa y la posible generación de nuevas estimulaciones con el entrenamiento adecuado. La activación de un taxel concreto se puede realizar siguiendo el proceso divulgado en el documento de patente EP2461306-B1 . Según esta patente, la distribución del circuito puede adoptar distintas formas, y la regulación del voltaje en un determinado punto (diodo) se realiza siguiendo una relación determinada. La membrana dieléctrica estirada presenta un circuito superior e inferior, donde la matriz del circuito es direccionada por la selección de un taxel en la intersección de un determinado electrodo superior e inferior (X,Y), mediante la aplicación de tensión entre el electrodo superior e inferior correspondiente. Los taxeles se excitan o se activan mediante multiplexado por división de tiempo.
La intercepción de los voltajes (+) y (-) en un punto (X,Y) determinado, genera la excitación del taxel de ese punto. Esta excitación no debe afectar el comportamiento deseado (supongamos, una vibración de un taxel erróneo o varios a la vez), ya que las entradas de corriente se encuentran en ubicaciones contrarias, evitando el posible corto circuito u arco voltaico generado por el alto voltaje que soportan.
El dispositivo presenta aspectos diferenciadores con respecto a anteriores desarrollos, como son una superficie ergonomica que facilita mayor contacto de los taxeles con la piel, actuadores de contacto de geometría esférica, alta eficiencia en transferencia mecánica, alto aislamiento mecánico y eléctrico entre electrodos y actuadores, y conectares eléctricos optimizados para una resistencia eléctrica mínima. Estas características optimizan el estímulo de las terminaciones nerviosas y facilitan la generación de nuevas. Asimismo, es objeto de la presente invención proporcionar un método de fabricación de un dispositivo de excitación táctil compuesto de una matriz pasiva de alta eficiencia en transferencia mecánica y alto aislamiento mecánico y eléctrico entre electrodos y actuadores. Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo ergonómico de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos que comprende una matriz de elastómeros dieléctricos actuadores formada por una membrana de elastómero dieléctrico estirada linealmente con un circuito adherido por ambas caras (por impresión, estampación, pintado, adhesión de circuito flexible, etc.). Dicho circuito comprende una matriz de electrodos superiores, preferiblemente circulares, conectados linealmente en filas en la cara superior de la membrana; y una matriz de electrodos inferiores, preferiblemente circulares, enfrentados a los electrodos superiores y conectados linealmente en columnas en la cara inferior de la membrana. El dispositivo también comprende una capa aislante inferior, elaborada con un elastómero aislante eléctrico, que recubre la matriz de electrodos inferiores, y una capa aislante superior, elaborada con un elastómero aislante eléctrico, que lleva embebidos un conjunto de actuadores esféricos, enfrentados a los electrodos. En una realización, la capa aislante inferior presenta en su perímetro un sistema de fijación mecánico a un marco soporte inferior, y la capa aislante superior presenta en su perímetro un sistema de fijación mecánico a un marco soporte superior.
En una realización preferida, el dispositivo también comprende un marco superior, de un material rígido y aislante eléctrico, que lleva embebidos una serie de conectores eléctricos de tipo multipista, que contactan con unos terminales situados en los extremos de las filas de la matriz de electrodos superiores, sin perforar la membrana de elastómero dieléctrico, incrementando la vida útil del dispositivo y reduciendo la resistencia eléctrica del circuito. Este marco superior presenta en su perímetro interior un sistema de sujeción mecánico para la capa superior de elastómero aislante. El dispositivo comprende preferentemente un marco inferior, de un material rígido y aislante eléctrico, con una superficie de soporte para la capa aislante inferior de elastomero que da la forma ergonomica al conjunto capa aislante superior, membrana de elastomero dieléctrico y capa aislante inferior. Este marco inferior lleva embebido unos conectores eléctricos de tipo multipista que contactan con los terminales de la matriz de electrodos inferior, sin perforar la membrana de elastomero dieléctrico, incrementando la vida útil del dispositivo y reduciendo la resistencia eléctrica del circuito. Este marco inferior presenta en el perímetro interior un sistema de sujeción mecánico para la capa inferior de elastomero aislante. Este marco inferior presenta una superficie central, que sirve de soporte a la capa inferior, con una geometría ergonomica según el área de la piel a estimular.
El dispositivo comprende una placa de circuito impreso que dispone al menos de un número igual de terminales eléctricos que filas y columnas de electrodos sumen las capas superior e inferior del dispositivo.
La conexión eléctrica de cada terminal eléctrico de la matriz de electrodos se realiza a través de unos conectores tipo multipista embebidos en los marcos, haciendo contacto directo con el elastomero dieléctrico estirado, pero sin dañarlo. Los actuadores son de geometría esférica, y se encuentran embebidos parcialmente, separados entre sí una distancia según la concentración de terminales nerviosos de la piel en la cual estará en contacto.
Asimismo, se presenta como parte de la presente invención un procedimiento de industrialización y las máquinas necesarias para una fabricación industrial del dispositivo de excitación táctil.
En primer lugar, el procedimiento de fabricación del dispositivo comprende una etapa de elaboración de la membrana dieléctrica mediante la cual una pieza de elastomero dieléctrico es estirada hasta un punto en el cual la reacción mecánica es suficiente para trasmitirse sin interferencias al actuador esférico. El proceso de estirado se realiza en una máquina de control numérico, con variables de control de temperatura ambiente, velocidad de estirado, fuerza aplicada y espesor obtenido. Los métodos de estirado pueden ser lineal (ejes X,Y) o radial (R1 ..Rn), siendo un método preferente el estirado lineal, ya que la estructura interna del elastomero no se deforma, y la trasmisión de fuerza es uniforme en toda la membrana de elastomero dieléctrico estirada.
A continuación, se procede a la elaboración del circuito eléctrico, por la que se aplica por ambas caras de la membrana de elastomero dieléctrico una matriz de circuito eléctrico, mediante procesos de impresión, serigrafía, pintado o adhesión de un circuito. En una realización preferida de la presente invención, la elaboración del circuito es realizado mediante un proceso de serigrafía, a través de una máquina de control numérico configurable para controlar variables críticas como presión del material conductivo, viscosidad, resistencia eléctrica, y espesor final del material conductivo. El circuito eléctrico puede presentar diferentes formas o trazados (según la zona de la piel a estimular), pero con los terminales de la cara inferior y superior en bordes opuestos de la membrana de elastomero dieléctrico. Una vez se procede a la colocación de las capas aislantes de elastomero inferior y superior. Las capas de elastomero aislantes se elaboran por separado, y son ensambladas en una máquina de control numérico, enfrentando perfectamente los actuadores esféricos de la capa superior con los electrodos superiores e inferiores del circuito. El control del proceso incluye alineación de actuadores/electrodos y presión aplicada.
Por último, se procede a la colocación de los marcos superior e inferior. Los marcos son rígidos e incluyen unos conectores eléctricos multipista que trasmiten el voltaje desde el PCB al circuito adherido a la membrana de elastomero dieléctrico, mediante contacto directo sin riesgos potenciales de ruptura y con una resistencia eléctrica mínima. Asimismo, cada marco presenta un sistema mecánico de fijación en sus perímetros interiores para asegurar el montaje del ensamble membrana de elastomero dieléctrico con las capas de elastomero aislante. Para obtener la forma ergonomica necesaria para la correcta trasmisión y generación de las terminales nerviosas de la piel, el marco inferior presenta una base sólida que da la forma ergonomica al conjunto. El ensamblaje final de los marcos se realiza en una máquina de montaje de control numérico, controlando variables como la presión del conjunto, conductividad y alineación de actuadores y electrodos mediante sistemas de visión artificial. Los pines conectares de cada uno de los marcos van enfrentados a las terminales del circuito la membrana de elastómero dieléctrico (superior e inferior), en lados opuestos del conjunto (anterior/posterior), y hacen contacto con la PCB mediante ajuste mecánico. En una realización preferente, se puede incluir un tercer marco rígido que selle el conjunto y agregue resistencia mecánica.
La presente invención resuelve los problemas del dispositivo de excitación táctil divulgado en WO2012004421 -A1 . Por un lado, la presente invención propone una nueva geometría del pin actuador para facilitar el procedimiento de fabricación, reemplazando el pin actuador por un actuador de geometría esférica, el cual va embebido entre 1/2 - 3/5 de su diámetro, en una única capa superior de silicona con un espesor igual al diámetro de la esfera. Se ha eliminado por tanto la doble capa de silicona superior. La geometría esférica del nuevo actuador también resuelve el problema de escasa superficie de contacto del pin con la piel, al poseer una superficie de contacto mayor (entre 1420 - 2200%) respecto al pin actuador de WO2012004421 -A1 . Adicionalmente, la geometría esférica del nuevo actuador optimiza la vibración trasmitida y en consecuencia la excitación de las células de la piel a nivel radial.
La geometría esférica del nuevo pin actuador resuelve el problema de irritación de la piel por las vibraciones, al evitar la irritación de la piel producto del roce de las aristas del pin actuador de WO2012004421 -A1 , favoreciendo además la generación de nuevas conexiones celulares.
El dispositivo de excitación táctil de la presente invención también mejora el bajo nivel de excitación celular del dispositivo divulgado en WO2012004421 -A1 , al aportar una nueva forma ergonómica del dispositivo. El objetivo del dispositivo es estimular un tipo específico de células de la piel, y la forma óptima de estimular estas células es estar en contacto directo con la piel. La geometría del dispositivo descrito en WO2012004421 -A1 no ayuda a conseguir este objetivo, por lo que se ha modificado su geometría siguiendo factores ergonómicos y que ayuden a prevenir posibles lesiones debido al uso. El dispositivo de la presente invención también resuelve los problemas de conectividad de la PCB con el circuito impreso en la membrana de elastomero dieléctrico, mediante un nuevo sistema de conectividad del circuito de la membrana con la placa electrónica. La conectividad de la membrana con la PCB se realiza a través de un circuito multipista elaborado con materiales elastómeros y conductivos, integrado en el soporte del conjunto, reduciendo la resistencia eléctrica del mismo y generando una optimización de la relación tensión/intensidad (V/A) suministrado a los electrodos para la excitación. Adicionalmente, el dispositivo de la presente invención incorpora una estructura de soporte de un material rígido y 100% aislante eléctrico, que incluye un marco rígido que cumple dos funciones: dar rigidez al conjunto (optimizando el funcionamiento del producto) y servir de soporte para los circuitos multipista entre el circuito de la membrana y la PCB.
Finalmente, el dispositivo de la presente invención también resuelve el problema de la deformación de la membrana de elastomero dieléctrico por empuje de la capa inferior de silicona. Para ello se eliminan las semiesferas de la placa base, empleando una placa base de soporte rígido.
Breve descripción de los dibujos
Una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que están expresamente relacionados con una realización de dicha invención, presentados como un ejemplo no limitativo del mismo, son brevemente descritos a continuación.
Las Figuras 1 A y 1 B representan el principio de funcionamiento de un actuador de elastomero dieléctrico, de acuerdo a la técnica existente.
Las Figuras 2A y 2B muestran los elementos de elastomero dieléctrico de la presente invención en una disposición de matriz (matriz de membrana de elastomero dieléctrico).
Las Figuras 3A y 3B representan, según una realización de la presente invención, una sección lateral del dispositivo de excitación táctil en 2D y en 3D, respectivamente.
La Figura 4, muestra un esquema de actuación del dispositivo de excitación táctil sobre la piel. La Figura 5, muestra una sección lateral y perimetral del dispositivo, justo en el punto que los conectores eléctricos contactan con la membrana de elastomero dieléctrico. La Figura 6, muestra un detalle entre la conexión del circuito de la membrana de elastomero dieléctrico y los conectores eléctricos.
Descripción de una realización preferida de la invención
La invención se refiere a un dispositivo de excitación táctil basada en elastómeros dieléctricos y su procedimiento de fabricación.
El principio de funcionamiento de un elastomero dieléctrico actuador (3) se muestra en la Figura 1A y 1 B. Cuando un alto voltaje continuo U se aplica entre ambas caras de una fina película de elastomero dieléctrico (1 ), por medio de un electrodo superior (2) y un electrodo inferior (2'), se expande en la dirección del plano debido a la presión p en la dirección del espesor inducida por un campo eléctrico. Cuando desaparece el voltaje aplicado, la membrana de elastomero dieléctrico recupera la forma original. Este efecto se puede crear, por ejemplo, las sensaciones táctiles en una pequeña área de la superficie de la piel (la zona de aplicación) cuando la matriz de elastomero dieléctrico se aplica o fija a un cuerpo humano, preferentemente en una región sensible (por ejemplo, el abdomen o la parte inferior de la espalda).
Suponiendo que el volumen permanece constante, la presión efectiva es p =ErE0U/d, donde Er caso es la permitividad relativa del elastomero dieléctrico, E0 = 8854- 1012As/Vm es la permitividad en el vacío, U es el voltaje aplicado y d es el espesor de la película de elastomero dieléctrico en posición de reposo. La presión aumenta de forma cuadrática con el campo eléctrico y por lo tanto es la relación principal que regula la respuesta del actuador. Es importante señalar que el comportamiento de elastomero dieléctrico es el mismo independientemente del signo positivo o negativo de la tensión aplicada U.
El modelo eléctrico equivalente para un elastomero dieléctrico es una configuración de condensador y resistencia en paralelo, en la que la capacitancia es el resultado de dos electrodos aplicados sobre la película de elastomero dieléctrico, y la resistencia es la resistencia de pérdidas originada por la conductividad de la película de elastómero dieléctrico.
La técnica de modo grueso es una realización reciente de EPAM (Músculo Artificial de Polímero Electroactivo). En esta realización, se recubre la película de polímero "activo" con una capa pasiva más espesa, de modo que los cambios en el espesor del polímero durante la actuación de EPAM se transfieren, al menos parcialmente, a la capa pasiva. Esta capa pasiva puede considerarse como pasiva en relación la película de polímero en cuanto a que no responde a la aplicación de un campo eléctrico cambiando de área ni de espesor como hace la capa de EPAM. Sin embargo, la capa pasiva se acopla a la película de EPAM de modo que los cambios de área y de espesor de la película de EPAM inducen fuerzas de cisión en la capa pasiva que cambian el espesor de esta capa. Por lo tanto, este cambio de espesor de la capa pasiva puede utilizarse para ampliar, en términos absolutos, el desplazamiento producido por el cambio de espesor de la película de polímero EPAM. En la Figura 1 A se muestra un diagrama esquemático de este tipo de dispositivo y de los resultados de la actuación del modo de cizalla. En la Figura 1 B se muestra EPAM durante la actuación del modo de cizalla, mostrando un diagrama esquemático de un dispositivo de modo de cizalla propuesto.
Para aplicaciones de transmisión táctil este esquema presenta varios problemas, como el acoplamiento entre taxeles a través de la misma piel y la transmisión débil de energía, que se pretende resolver con la presente invención, al tiempo que se potencia la transmisión mecánica de las deformaciones ejecutadas en el elastómero dieléctrico.
La Figura 2A muestra la disposición de los electrodos (2,2') en una membrana de elastómero dieléctrico (1 ), siguiendo una disposición de matriz (matriz de circuito), formando una matriz de elastómeros dieléctricos actuadores (3). La Figura 2B representa un detalle de la matriz de membrana de elastómero dieléctrico, en el cual se aprecian la conexión de los electrodos superiores (2), los cuales están conectados eléctricamente en líneas dispuestas en filas (20) por la cara superior del elastómero dieléctrico (1 ) estirado, y los electrodos inferiores (2') que están conectados eléctricamente en líneas dispuestas en columnas (21 ), perpendiculares a las filas (20), por la capa inferior del elastómero dieléctrico (1 ) estirado. Los electrodos son preferentemente circulares, tal como se muestra en la Figura 2B, pero podrían adoptar otras formas (por ejemplo, cuadrada, romboidal, rectangular, etc.).
La estructura de una realización del dispositivo de excitación táctil (10) según la presente invención está representada en las Figuras 3A y 3B, donde se aprecian los distintos componentes en varias capas. La Figura 3A muestra una vista en planta y una sección lateral en 2D según el plano de corte A-A, mientras que la Figura 3B representa una vista en perspectiva y una sección lateral en 3D del dispositivo (10). El dispositivo de excitación táctil (10) comprende los siguientes elementos, los cuales contribuyen a una mejor y más eficaz actuación en la piel a estimular:
- Marco inferior (4) con soporte ergonómico, con funciones de patrón ergonómico, concentrador de actuación y elemento de pre-tensado de la capa aislante inferior (8) de elastómero. En una realización, la superficie central del marco inferior (4) presenta la forma ergonómica de la superficie de la piel sobre la cual será aplicado el dispositivo.
- Capa aislante inferior (8) de elastómero, que recubre la matriz de electrodos inferiores (2').
Estimuladores o actuadores esféricos (5) embebidos en una capa aislante superior (6) para captura directa de la energía generada en el actuador esférico por su base semiesférica (5a), la cual recibe la presión ejercida por la deformación de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ) y se trasmite como desplazamiento al extremo opuesto del actuador esférico (5b), estimulando los receptores (41 ) de la piel (40), según se aprecia en la Figura 4, que representa el dispositivo de excitación táctil (10) aplicado sobre la piel 40 (en concreto la palma de la mano 42) de un usuario. En una realización, los actuadores esféricos (5) son bolas de acero inoxidable.
Como se aprecia en la Figura 3B, en los extremos de cada fila (20) de electrodos superiores (2) y columnas (21 ) de los electrodos inferiores (2'), el dispositivo (10) dispone de terminales de conexión (1 1 , 1 1 ') que sirven para conexionar la matriz de electrodos con unos conectores eléctricos multipista (9, 9') que están embebidos en un marco superior (7) del dispositivo. Estos conectores eléctricos multipista (9, 9') a su vez se conectan con una PCB. El marco inferior (4) presenta una superficie de soporte de geometría ergonómica que aporta la forma final al conjunto, como se aprecia en la realización de la Figura 3A. Partiendo de un elastómero con una capa aislante inferior (8), en la parte superior del elastómero se encuentran la otra parte del dispositivo potenciador, formado por los actuadores esféricos (5) embebidos.
Con respecto al proceso de fabricación del dispositivo (10), se puede subdividir en la fabricación de tres componentes principales:
- Membrana de elastómero dieléctrico (1 ).
- Capas superior (6) e inferior (8) aislantes.
- Marcos superior (7) e inferior (4) y conectividad eléctrica.
Todos los componentes se pueden fabricar por separado a la espera del montaje final. Todo el proceso se realiza en un ambiente controlado, en temperatura, humedad y libre de impurezas que afecten el funcionamiento final.
La primera etapa del proceso de fabricación de la membrana de elastómero dieléctrico incluye el estirado de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ). El proceso de estirado del elastómero dieléctrico se realiza en una máquina de control numérico que controla las variables principales del proceso: uniformidad del estirado (preferentemente lineal), presión ejercida en el proceso, y espesor final. El control del espesor final es realizado mediante sistemas de medición láser. Un sistema de visión microscópica comprueba el estirado uniforme de la película, hasta el espesor deseado. La relación ideal entre el espesor del elastómero dieléctrico y el voltaje aplicado para que reaccione mecánicamente es inversamente proporcional y viene determinada por el tipo de elastómero dieléctrico a emplear (acrílico, silicona, etc.).
Una vez estirado el elastómero dieléctrico, las membranas reciben un marco reutilizable por ambas caras que permite fijar y mantener el estirado, de cara a la siguiente fase del proceso.
El elastómero dieléctrico inicial (en reposo) debe tener una geometría cuadrada, para obtener un número determinado de membranas por operación. El número máximo de membranas estiradas que se pueden obtener del material en reposo viene determinado por la siguiente formula: A (ei ) x 16
N (und )
Mef )
Dónde N(und) es el número de unidades por operación, A(ei) es el área inicial del elastomero dieléctrico en reposo, y A(ef) es el área final del elastomero dieléctrico estirado. El área final del elastomero dieléctrico estirado es determinada por el espesor deseado.
A continuación, se procede a la aplicación de un circuito eléctrico superior e inferior sobre ambas caras de la membrana de elastomero dieléctrico (1 ), formando una matriz de electrodos superiores (2) conectados linealmente en filas (20) en la cara superior y una matriz de electrodos inferiores (2') conectados linealmente en columnas (21 ) en la cara inferior. La matriz del circuito es elaborada en un material altamente conductivo (silicona conductiva, tinta conductiva, etc.) por una máquina de control numérico y siguiendo un patrón adecuado a la superficie de la piel a estimular.
Las membranas de elastomero dieléctrico (1 ) llegan a la estación de aplicación de la matriz de circuito, y reciben el pintado del circuito por ambas caras de la membrana, controlando parámetros críticos en el proceso, como son:
• Presión ejercida en la aplicación, parametrizable según el tipo de elastomero dieléctrico.
• Espesor del material conductivo: espesor ideal entre 10μ - 20μ.
• Alineamiento de los electrodos en caras superior e inferior, mediante sistema de visión artificial.
En una realización preferida, la relación entre diámetros de los electrodos (2, 2') y de los actuadores esféricos (5) son iguales, y la distancia (S) entre los centros de los actuadores esféricos está comprendida entre dos y tres veces el diámetro (D) del actuador esférico, y preferiblemente es S = 5 R ^ donde R es el radio del actuador esférico.
El circuito final puede presentar diferentes formas o distribuciones, sin embargo es recomendable mantener las distancias mínimas de seguridad para evitar efectos de "arco voltaico" o temperaturas excesivas que deterioren la membrana dieléctrica. En la segunda etapa del proceso de manufacturación del dispositivo (10) se procede a la obtención de la capa aislante superior (6) e inferior (8) de elastómero. En una realización preferida, la relación entre el espesor de las capas aislantes superior/inferior y el diámetro del actuador esférico es G = D donde, G es el espesor de las capas aislantes y D el diámetro del actuador esférico (5). La distancia (f) del punto más próximo de la base (5a) de actuador esférico al electrodo superior (2) está comprendida entre 1/2 y 2/5 del diámetro (D) del actuador esférico, lo cual aporta seguridad para posibles corto circuitos por la fracturacion de la capa aislante superior (6) y el contacto del actuador esférico (5) con el electrodo superior (2). La capa aislante superior (6) está compuesta por un material elastómero altamente aislante, y embebidos parcialmente en dicha capa aislante superior (6) se dispone una matriz de actuadores esféricos (5). El material aislante debe presentar una dureza adecuada para que permita trasmitir el impulso de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), pero a su vez aisle la transferencia de este impulso a los actuadores esféricos (5) adyacentes. El método adecuado de fabricación es de moldeo por compresión, en la cual los actuadores esféricos van perfectamente distribuidos y embebidos uniformemente en la capa aislante superior (6). La base (5a) del actuador esférico debe quedar lo suficientemente cerca del foco de actuación (electrodo 2) para que capture la mayor parte de la energía generada, teniendo cuidado de que no pueda recibir una descarga directa del electrodo, lo cual podría generar lesiones al usuario. En una realización preferente el actuador esférico está embebido en la capa aislante superior (6) una profundidad (e) entre 1 /2 y 3/5 de su diámetro (D): ½ D < e < ¾D.
Asimismo, tal como se muestra en la Figura 5, el marco superior (7) comprende medios de acople (7a), o medios de conexión o de encaje, en su perímetro, por ejemplo mediante uno o varios rehundidos y resaltes o conexiones machihembradas, que asegura la capa aislante superior (6) al marco superior (7) y a la membrana de elastómero dieléctrico (1 ). Para facilitar su fijación, la capa aislante superior (6) puede comprender en su perímetro medios de acople (6a) complementarios a los medios de acople (7a) del marco superior (7), implementados por ejemplo mediante un conjunto de resaltes y rehundidos que permiten una conexión machihembrada con los resaltes y rehundidos del marco superior (7). El marco superior (7) puede estar fabricado en una única pieza o en varias (e.g. en dos piezas en el ejemplo de la Figura 5). De la misma forma, el marco inferior (4) puede estar formado por una o varias piezas unidas entre sí. Al igual que la capa aislante superior (6), la capa aislante inferior (8) está compuesta por un elastómero altamente aislante con una dureza similar a la de la capa aislante superior (6). El marco inferior (4) comprende medios de acople (4a), o medios de conexión o encaje, en su perímetro para la sujeción de la capa aislante inferior (8). La capa aislante inferior (8) también puede comprender en su perímetro medios de acople (8a) complementarios a los medios de acople (4a) del marco inferior (4). Por ejemplo, el marco inferior (4) y la capa aislante inferior (8) pueden disponer de conexiones machihembradas (resaltes y rehundidos) que ajustan entre sí.
Finalmente, en la tercera etapa del proceso de fabricación del dispositivo (10), se obtienen los marcos superior (7) e inferior (4) y se realiza la conectividad eléctrica. El proceso preferido es colocar el marco inferior en primer lugar, dando soporte al conjunto: aislante inferior / membrana dieléctrica / aislante superior con actuadores y sobre todo dando la forma ergonómica al conjunto y dando rigidez para la colocación del marco superior.
Los marcos superior (7) e inferior (4) presentan una geometría ergonómica según la zona de la piel a estimular, y están elaborados en un material rígido y aislante eléctrico. Como se aprecia en las Figuras 5 y 6, los marcos (4, 7) presentan una inclusión de conectores eléctricos multipista (9, 9'), preferentemente embebidos entre ambos marcos, que conectan por una parte con los terminales de conexión (1 1 ,1 1 ') de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), en una zona de contacto, y por otra con unos terminales eléctricos (13) impresos en la PCB (12). Los conectores eléctricos multipista (9, 9') están fabricados en un material altamente conductivo, metales o compuestos conductivos sintéticos (ej. Grafeno), o una mezcla de ambos. En un desarrollo preferente, los conectores eléctricos multipista (9, 9') son embebidos durante el proceso de moldeo de los marcos, asegurando su fijación en los mismos.
En la Figura 6 se muestra el esquema de conexión para el circuito superior e inferior impreso en ambas caras en la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), donde para mayor claridad no se representan los marcos superior (7) e inferior (4) ni las capas elastomeras aislantes (6,8). Por el lado de los conectores eléctricos multipista (9) que conectan con los terminales de conexión (1 1 ) del circuito superior de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), este método asegura que no existan riesgos de roturas de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ) por rozamiento o perforación. Además, la resistencia eléctrica es mínima, optimizando el comportamiento del dispositivo (10). Como se aprecia en la Figura 6, los conectores eléctricos multipista (9') y los terminales de conexión (1 1 ') correspondientes al circuito inferior de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ) se disponen en un lateral del dispositivo (10) perpendicular a donde se ubican los conectores eléctricos multipista (9) y los terminales de conexión (1 1 ) del circuito superior de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ).
El montaje de las piezas que conforman el dispositivo (10) se realizan mediante varios ensambles sucesivos. En un primer ensamble se monta la membrana de elastómero dieléctrico (1 ) y las capas elastomeras aislantes (6, 8). En un segundo ensamble, se une el marco inferior (4), obteniendo la forma ergonómica del conjunto. Finalmente, en un tercer ensamble, se monta el marco superior (7).
Todo el montaje del dispositivo se realiza en una máquina de control numérico, con controles de presión, alineación, y conductividad eléctrica. El primer ensamble consiste en la unión de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), ya impresa con los circuitos superior e inferior, con las capas aislantes superior (6) e inferior (8). Este proceso es necesario para mantener la distribución del circuito de la membrana (1 ), que podría verse afectado por la curvatura ergonómica dada por el marco inferior (4) (el marco inferior da la curvatura ergonómica al conjunto).
En el primer ensamble, la máquina recibe las membranas (1 ) impresas y aplica en regiones puntuales (en ambas caras) adhesivo para las capas aislantes. Mediante un sensor se alinean las capas aislantes (y en especial los actuadores esféricos 5 embebidos en la capa aislante superior (6) con los electrodos (2, 2'). Un sistema de visión artificial confirma la alineación, tras lo cual se aplica una presión uniforme a lo largo de toda la superficie, sellando el conjunto.
El segundo ensamble consiste en la colocación del marco inferior (4). Siguiendo el mismo procedimiento, se aplica adhesivo en la superficie ergonómica central del marco inferior (4) y la cara de la capa aislante inferior (8) que va en contacto con esta superficie. Un sensor alinea el marco inferior con el primer ensamble y mediante presión uniforme se procede al sellado.
El tercer ensamble consiste en colocar el marco superior (7) sobre el resultado del segundo ensamble. Al igual que en el segundo ensamble, se aplica adhesivo en el perímetro interior del marco superior (7) y en el perímetro exterior de la capa aislante superior (6) con los actuadores esféricos embebidos. Un sistema automatizado realiza la alineación y mediante presión uniforme en los perímetros se sella el conjunto, obteniéndose el dispositivo final.
En una realización preferente puede incluirse un marco adicional que refuerce la estructura y aporte solidez adicional al conjunto.
Posterior al montaje, el dispositivo es sometido en un banco de prueba para confirmar el desplazamiento de los actuadores esféricos (empleando sensores láser), la vibración de los actuadores esféricos (con sensores láser) y la resistencia eléctrica del conjunto (test con banco de pruebas electrónico).

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos, que comprende: una membrana de elastomero dieléctrico (1 );
una matriz de electrodos superiores (2) dispuestos en la cara superior de la membrana de elastomero dieléctrico (1 ) y conectados eléctricamente en filas (20); una matriz de electrodos inferiores (2') dispuestos en la cara inferior de la membrana de elastomero dieléctrico (1 ), enfrentados a los electrodos superiores (2) y conectados eléctricamente en columnas (21 );
una capa aislante superior (6) que recubre superiormente la membrana de elastomero dieléctrico (1 );
una capa aislante inferior (8) que recubre inferiormente la membrana de elastomero dieléctrico (1 );
una placa de circuito impreso (12) que comprende una pluralidad de terminales (13) conectados eléctricamente con las filas (20) y columnas (21 ) de la matriz de electrodos superior (2) e inferior (2');
caracterizado por que el dispositivo de excitación táctil (10) comprende adicionalmente:
una matriz de actuadores esféricos (5) parcialmente embebidos en la capa aislante superior (6), estando la base (5a) de los actuadores esféricos enfrentada a los electrodos superiores (2) y sobresaliendo el extremo opuesto (5b) de los actuadores esféricos de la capa aislante superior (6);
un marco inferior (4) que adopta una forma curvada cóncava, y configurado para recubrir inferiormente y mantener en tensión la capa aislante inferior (8), de forma que la membrana de elastomero dieléctrico (1 ) y la capa aislante superior (6) adoptan una forma curvada.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 , donde el marco inferior (4) es de un material rígido y aislante eléctrico.
3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el marco inferior (4) comprende medios de acople (4a) en su perímetro para la sujeción de la capa aislante inferior (8).
4. Dispositivo según la reivindicación 3, donde la capa aislante inferior (8) comprende en su perímetro medios de acople (8a) complementarios a los medios de acople (4a) del marco inferior (4).
5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un marco superior (7) que recubre parcialmente la capa aislante inferior (6).
6. Dispositivo según la reivindicación 5, que comprende una pluralidad de conectores eléctricos multipista (9, 9'), embebidos al menos parcialmente entre el marco inferior (4) y el marco superior (7), y que conectan eléctricamente las filas (20) y columnas (21 ) de la matriz de electrodos superior (2) e inferior (2') con terminales (13) de la placa de circuito impreso (12).
7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, donde el marco superior (7) comprende unos medios de acople (7a) en su perímetro para la sujeción de la capa aislante superior (6).
8. Dispositivo según la reivindicación 7, donde la capa aislante superior (6) comprende en su perímetro medios de acople (6a) complementarios a los medios de acople (7a) del marco superior (7).
9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los actuadores esféricos (5) son bolas de acero inoxidable.
10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los actuadores esféricos (5) están embebidos en la capa aislante superior (6) una profundidad (e) entre 1/2 y 3/5 del diámetro (D) del actuador esférico (5).
1 1 . Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende terminales de conexión (1 1 , 1 1 ') en los extremos de las filas (20) y columnas (21 ) de la matriz de electrodos superior (2) e inferior (2').
12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las filas (20) y las columnas (21 ) de la matriz de electrodos superior (2) e inferior (2') discurren perpendiculares entre sí.
13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los electrodos (2, 2') son circulares y con el mismo diámetro (D) de los actuadores esféricos (5).
14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la distancia
(5) entre actuadores esféricos (5) está comprendida entre dos y tres veces el diámetro (D) del actuador esférico.
15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la capa aislante superior (6) está elaborada con un elastómero aislante eléctrico.
16. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la capa aislante inferior (8) está elaborada con un elastómero aislante eléctrico.
17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el diámetro (D) del actuador esférico (5) coincide con el espesor (G) de la capa aislante superior
(6) .
18. Procedimiento de fabricación de un dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos, caracterizado por que comprende:
- estirar una membrana de elastómero dieléctrico (1 );
- aplicar un circuito eléctrico superior e inferior sobre ambas caras de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ) estirado, formando una matriz de electrodos superiores (2) conectados eléctricamente en filas (20) sobre la cara superior, y una matriz de electrodos inferiores (2') conectados eléctricamente en columnas (21 ) y enfrentados a los electrodos superiores (2) sobre la cara inferior;
- embeber parcialmente, en una capa aislante superior (6), una matriz de actuadores esféricos (5) a una profundidad (e) entre 1/2 y 3/5 del diámetro (D) del actuador esférico (5);
- disponer, sobre la cara superior de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), la capa aislante superior (6) de elastómero que comprende unos medios de acople (6a) en su perímetro para su acoplamiento con un marco superior (7), de forma que los actuadores esféricos (5) quedan enfrentados a los electrodos superiores (2); - disponer, sobre la cara inferior de la membrana de elastómero dieléctrico (1 ), una capa aislante inferior (8) de elastómero que comprende unos medios de acople (8a) en su perímetro para su acoplamiento con un marco inferior (4);
- acoplar a la capa aislante superior (6) un marco superior (7) de un material rígido y aislante eléctrico y que comprende en su perímetro unos medios de acople
(7a) complementarios a los medios de acople (6a) de la capa aislante superior (6);
- acoplar a la capa aislante inferior (8) un marco inferior (4) de un material rígido y aislante eléctrico y que comprende en su perímetro unos medios de anclaje (4a) complementarios a los medios de anclaje (8a) de la capa aislante inferior (8);
- disponer en la parte inferior del dispositivo (10) una placa de circuito impreso
(12) con una pluralidad de terminales eléctricos (13);
- disponer una pluralidad de conectores eléctricos multipista (9, 9') embebidos al menos parcialmente entre el marco inferior (4) y el marco superior (7), y que conectan eléctricamente las filas (20) y columnas (21 ) de la matriz de electrodos superior (2) e inferior (2'), con los terminales eléctricos (13) de la placa de circuito impreso (12).
19. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 18, donde la capa aislante inferior (8) y la capa aislante superior (6) tienen el mismo espesor (G).
20. Procedimiento de fabricación según la reivindicación 18 o 19, donde la capa aislante superior (6) tiene el mismo espesor (G) que el diámetro de los actuadores esféricos (5).
21 . Procedimiento de fabricación según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 20, donde la conexión eléctrica de los conectores eléctricos multipista (9, 9') con las filas (20) y columnas (21 ) de la matriz de electrodos superior (2) e inferior (2') se realiza a través de terminales de conexión (1 1 ,1 1 ') situados en un extremo del circuito eléctrico superior o inferior correspondiente.
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