振动触觉界面制造技术

触觉界面（１）包括：包括板（２０）和压电层（２１）的振动结构（２），和与压电层（２１）相连的供电装置（ＡＬ）。板（２０）的一个面（２０ａ）形成界面的所述振动接触表面，所述板的另一个面上固定有压电层（２１）。所述结构具有至少一种以１０ｋＨｚ－１００ｋＨｚ谐振频率为特征的弯曲模式。压电层（２１）和供电装置（ＡＬ）适用于激励振动结构（２）的所述弯曲模式，并在振动结构（２）中产生兰姆驻波，该兰姆驻波沿至少一个直线传播轴方向传播。通过改变触摸接触表面（２０ａ）的触觉感受以及调制“挤压膜”效应，触觉界面可以触觉地再现非常精细的纹理或粗糙度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种新的触觉界面，该触觉界面采用一个振动表面(最好是超声波的)，并可以获得一种挤压膜(squeeze film )效应。 通过调制挤压膜效应，该界面可以触觉地再现非常精细的紋理(不平) (texture)或粗糙度。
技术介绍
为了动态地再现可以通过触摸感知的非常精细的紋理或粗糙度， 至今众所周知的方法是构造触觉界面，这样的触觉界面包括一个振动 接触表面，以及一些产生振动的装置，用以在该接触表面上产生幅值 ^艮小的超声波机械振动。通常，根据具体情况，这类超声波触觉界面的接触表面的机械振 动由称作雷利(Rayleigh)的表面波或由兰姆(Lamb)波产生。雷利波或表面波(SAW)换能器在一个半无限的各向同性介质的表面， 一种具有两个分量的、称 作雷利的表面波可以传播。纵分量和横分量包含在由表面法线和波矢 量定义的矢状平面中，相位差tt/2。这两种分量的幅值随深度而不同 地衰减。波在通过时使表面产生波紋，这种波紋可以在直到波长k数 量级的微小深度的范围内被感觉到。例如， 一种采用雷利表面波(还可用SAW波(Surface Acoustic Wave,即表面声波)表示)的换能器的超声波触觉界面在如下文献 中有描述Masaya Takasaki等的《Two國dimensial Active Surface Acoustic Wave Tactile Display On a Computer Screen》(《在计算机 屏幕上的二维有源表面声波触觉显示》)，用于虛拟环境的触觉界面 及远程操作系统的学术报告会，2006年3月25-26日，IEEE,第49-54页(Symposium on Haptic Interface for Virtual Environment and Teleoperator Systems 2006， March 25-26， IEEE, page 49-54 )。这种换能器包括一些放置在一个光滑压电晶体上的呈梳状的电 极(叉指IDT)，在这种情况下，该压电晶体是一个非常薄的矩形基 体，其材料为通过Czochralsky合成得到的铌酸锂(LiNb03)。在所 述梳状电极(IDT)上施加一个电信号，以便在基体的表面产生SAW (或雷利)驻波。使用铌酸锂(LiNb03)将对致动器运行有用的频率 范围限制在lOMHz左右。SAW波触觉界面有多种弊病。构成振动接触表面的基体必须很 薄，因而易碎。基体表面快速发热，在基体表面产生的振动的幅值极 小，通常为纳米级。正如前述文献中所述，这种换能器的使用者也因 此不能用手指尖直接触摸该换能器，而是在手指和基体的振动表面之 间插入一个中间垫板。该中间垫板一方面可以放大基体表面的机械振 动，另一方面用于在手指和振动基体之间隔热。兰姆波换能器当一个固体被两个平行平面限定时，只要两平面之间的距离(板 的厚度)相对波长足够大，雷利波就在各个平面上独立传播。当板的 厚度与波长X在同一数量级时，表面波的各分量互相耦合，产生对称 或反对称的兰姆波，从而在固体的整个厚度内产生机械变形。采用兰姆波的超声波触觉界面的优点是能够产生明显高于用 SAW波的超声波触觉界面所获得的振幅的振幅的振动，通常为几个 微米级。这个振幅范围使得可以获得众所周知的、通常称为"挤压膜" 效应的润滑效果。为了理解"挤压膜，，效应，例如可以参考如下文献 M.Wiesendanger著的《采用压电弯曲构件的挤压膜空气轴承》，博 士论文，EPFL，瑞士， 2000年(M.Wiesendanger《Squeeze film air bearing using piezoelectric bending elements>>, PhD Dissertation, EPFL， Suisse, 2000 )。采用"挤压膜"效应的触觉界面的首个解决方案在如下文献中有描述T.Watanabe， S. A. Fukui著的"一种用超声波振动来控制表面粗 糙度的触觉感受的方法"，IEEE机器人学和自动化会i义，第1134-1139 页，1995年(T.Watanabe， S， A， Fukui. "A method for ControllingTactile Sensation of Surface Roughness Using Ultrasonic Vibration", IEEE Conference on robotics and automation, pp. 1134-1139， 1995 )。这种触觉界面包括一个薄的矩形梁和一些产生超声波振动的装 置，这些装置和梁耦合，并适用于在梁上产生振动驻波，从而使所述 梁变形并在该梁的上表面获得"挤压膜"效应。所述梁的表面精细紋理 可以通过手指直接触摸该表面(不必用力太大，以免消除由"挤压膜" 效应带来的支撑手指的效果)，并沿梁的纵向移动手指而感觉到。这 种产生超声波振动的装置尤其是由朗之万(Langevin )型振动器构成， 具有例如77kHz的谐振频率，并被放置在梁的相对两端。这些朗之万 型振动器可以对梁的两端施加垂直于该板的机械激励。这类触觉界面的弊病在于太笨重，因而不适宜于工商业应用，而 只能用于实验室的对"挤压膜，，效应的试验性研究。此外，对于这类界面，精细紋理只能通过与板接触的手指沿唯--个方向移动而感觉到，因而局限了这类界面的使用的可能性。采用"挤压膜，，效应的触觉界面的另一个解决方案在如下文献中 有描述Melisande Biet、 Fr6d6ric Giraud、 Frangois Martinot、 Betty Semail著的《采用兰姆行波的压电显示器》，欧洲触觉学学报，第 567-570页，2006年7月(Melisande Bie仁F"d6ric Giraud， Francois Martinot， Betty Semail， <<A Piezoelectric Display Using Travelling Lamb Wave , Proceedings of Eurohaptics， pp 567-570， juillet 2006 )。在该文献中，触觉界面采用ShinseiUSR60型旋转电机的环形定 子。该环形定子受一些压电陶瓷的激励，这些压电陶瓷可以在定子的 环形结构中产生前进(非驻)兰姆波。该解决方案可以在定子的环形表面产生"挤压膜"效应。不过，一 方面，这类界面体积很大；另一方面，与波的传播方向垂直的方向上的接触表面的尺寸(环的宽度)必然很小，因而不利地限制了^f吏用者 手指可以探查的面积。此外，在该文献描述的解决方案中，只采用了 沿唯一一个方向(沿着环的圆周)传播的前进兰姆波，显然不可能产生沿着另一个方向、尤其是沿着环的径向的波。因此这类触觉界面只 是一维的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新的触觉界面-这种触觉界面减轻了 SAW波界面所固有的前述弊病，因为这 种触觉界面有坚固耐用的机械性能，而且可以用手指直接接触，而不 会引起手指明显发热；-这种触觉界面体积很小，并且，与采用兰姆波的现有技术的前 述界面相比较，制作更简便；-这种触觉界面在必要时还有这样的优点相对于采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括振动接触表面和产生振动的装置的触觉界面（１），所述产生振动的装置适合于产生所述接触表面的振动机械变形，从而改变触摸所述接触表面的触觉感受；所述触觉界面（１）的特征在于包括：　－包括板（２０）和压电层（２１）的振动结构（２），板 （２０）的一个面（２０ａ）形成该界面的所述振动接触表面，所述板的另一个面上被固定有压电层（２１），所述结构呈现至少一种以１０ｋＨｚ－１００ｋＨｚ之间的谐振频率为特征的弯曲模式，　－与所述压电层（２１）相连接的供电装置（ＡＬ），　 还在于：压电层（２１）和供电装置（ＡＬ）适用于激励振动结构（２）的所述弯曲模式，并在振动结构（２）中产生兰姆驻波，该兰姆驻波具有沿至少一个直线传播轴的传播方向。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M比耶，F吉罗，B勒迈尔塞马伊，
申请(专利权)人：里尔科学技术大学，
类型：发明
国别省市：FR[法国]