專利名稱：觸覺裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)流體元件的觸覺裝置，這些流體元件包含導(dǎo)電流體，液位可在每個(gè)元件中移動(dòng)，激勵(lì)器用于通過給上述流體元件加電來移動(dòng)多個(gè)選定流體元件的液位，其中每個(gè)流體元件具有觸覺元件，該觸覺元件與流體相接用于用戶感知液位。
通常，觸覺裝置被安排用于通過激活使用者觸感來傳遞信息。實(shí)際應(yīng)用中，有幾種類型的觸覺裝置廣為人知。例如，一種類型的觸覺裝置用于在游戲桿(joystick)，鼠標(biāo)，控制墊(control pad)等等上提供力反饋(force-feedback)，或者振動(dòng)手機(jī)。另外一種類型的觸覺裝置例如是用于在點(diǎn)字閱讀器(brail reading machines)中傳遞更復(fù)雜的信息的情況。
上面描述的設(shè)備類型從GB 2 212 336被認(rèn)識(shí)。已知的設(shè)備包括多個(gè)填充了液晶的流體室。為了利用麥克斯韋-法拉第效應(yīng)改變液位，每個(gè)流體室包括一對(duì)作為電極的套管用來給流體提供電場(chǎng)。漂浮在流體上的活塞銷(Piston Pin)擔(dān)當(dāng)指示液位的探測(cè)器。這種已知裝置構(gòu)成了點(diǎn)字閱讀器的局部。
這種已知的裝置的缺點(diǎn)是它消耗大量電力。而且，可移動(dòng)的機(jī)械銷噪音較大。實(shí)際應(yīng)用上，這種已知的裝置顯示出了可靠性低而且成本高。
本發(fā)明的目的是提供一種裝置類型來解決如上所述的這些問題。
因此依照本發(fā)明的裝置的特征為流體元件包括毛細(xì)管，毛細(xì)管中的液位由于電毛細(xì)壓移動(dòng)。利用電毛細(xì)壓的毛細(xì)管的應(yīng)用可以用最少的電力使液位被充分的變化。依照本發(fā)明的裝置可以包括應(yīng)用所需的那么多的流體元件，并且是動(dòng)態(tài)的和易編程的。因?yàn)榱黧w元件的大小可以保持很小，總計(jì)100×100個(gè)單元可以并且因此可以對(duì)手掌編址(address the palm of a hand)。
在依照本發(fā)明的觸覺裝置的第一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，激勵(lì)器安排用于當(dāng)液位變到新位置時(shí)在特定時(shí)間段來振動(dòng)觸覺裝置。使用者的觸感因此用自然的方式被激活，從而改善了傳遞給使用者的信息的質(zhì)量。
依照另一優(yōu)選實(shí)例，觸覺元件包括彈性材料的振動(dòng)膜。該振動(dòng)膜可以被迅速并安靜的移動(dòng)，使得信息在沒有不希望的噪聲的情況下可靠并迅速的傳遞。
更可取的，該振動(dòng)膜具有至少一個(gè)接觸點(diǎn)來提高使用者的觸感。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，在相對(duì)的端部配有一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管，帶有另外的彈性材料的振動(dòng)膜。多個(gè)毛細(xì)管是分開的，因此串?dāng)_能夠被有效地避免。
在再一個(gè)優(yōu)選實(shí)例中，激勵(lì)器被安排用作在預(yù)定預(yù)應(yīng)力水平下設(shè)定多個(gè)選定的毛細(xì)管的液位，并且該觸覺裝置包含探測(cè)器，該探測(cè)器被安排用作探測(cè)選定毛細(xì)管中液位的變化。在這個(gè)實(shí)例中，觸覺裝置非常有利地也可以作為拾取來自用戶的信號(hào)的傳感器發(fā)揮作用。
在一個(gè)實(shí)際的實(shí)例中，探測(cè)器被安排用作探測(cè)選定毛細(xì)管電容的變化。使用這種類型的探測(cè)器觸覺裝置可以有利地被制造成緊湊的形式。
依照另一個(gè)優(yōu)選實(shí)例，一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管具有不同電導(dǎo)率的一流體和第二流體，這些流體本質(zhì)上是不能混合的。這個(gè)實(shí)例允許依賴于電壓的壓力提供給毛細(xì)管來控制觸覺裝置的移動(dòng)程度。在另一個(gè)詳細(xì)的實(shí)例中，第一或第二流體中的一個(gè)是導(dǎo)電的，另一個(gè)即第二或第一流體是絕緣的。移動(dòng)的范圍因此最大程度地導(dǎo)致了觸覺裝置的最佳敏感性。
依照一個(gè)實(shí)際的實(shí)例，激勵(lì)器包括電源和多個(gè)電極。在這些實(shí)例中，激勵(lì)器由最小數(shù)量的元件構(gòu)成，它們是可靠的并且相對(duì)便宜。
更可取的，探測(cè)器包含電壓源和電流測(cè)量裝置。由于電壓源已經(jīng)存在，只需要增加電流測(cè)量裝置來實(shí)現(xiàn)由探測(cè)器提供的傳感器功能。
更可取的，一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管包含至少一個(gè)附在毛細(xì)管壁上的電極。
本發(fā)明將進(jìn)一步通過附圖解釋，其中

圖1示意性地展示了一個(gè)依照本發(fā)明的作為第一狀態(tài)中的裝置的一部分的流體元件的優(yōu)選實(shí)例。
圖2示意性地展示了第二狀態(tài)中圖1中流體元件。
圖3示意性地展示了依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例。
在所有圖中，同樣的對(duì)象用同樣的參考數(shù)字指示。
圖1和圖2示意性的展示了依照本發(fā)明流體元件1作為裝置一部分的優(yōu)選實(shí)例。流體元件1包含被第一導(dǎo)電流體3填充的毛細(xì)管2。在導(dǎo)電流體的頂端有電絕緣流體4。流體3和4本質(zhì)上不能混合，這通過流體/流體的彎液面(meniscus)5顯示。在另一可替換的實(shí)例中，流體3是電絕緣的，而流體4是導(dǎo)電的。合適的導(dǎo)電流體的例子如水溶液(aqueous solution)。合適的電絕緣流體的例子如氣體或非極性油(nonpolar oil)。
激勵(lì)器被用作將電力提供到毛細(xì)管2。結(jié)果，其中電毛細(xì)壓被引入導(dǎo)致毛細(xì)管的液位變化。激勵(lì)器包含電源V和多個(gè)電極6。在優(yōu)選實(shí)例中顯示了電極6與每個(gè)毛細(xì)管2壁中整合。電極6包含一層導(dǎo)電材料。也可以添加絕緣層和防水涂層。
每個(gè)毛細(xì)管2配備有觸覺元件7，觸覺元件7與流體接觸來由使用者感知液位。該觸覺元件在一端基本靠近毛細(xì)管2的流體的頂部包含彈性材料的振動(dòng)膜。在優(yōu)選實(shí)例中，振動(dòng)膜7包含彈性薄片。一種適當(dāng)?shù)牟牧鲜菑椥运芰?。該彈性薄片被粘合或密封在毛?xì)管壁。振動(dòng)膜7配備有更堅(jiān)硬的材料的接觸點(diǎn)8，例如一個(gè)更硬的塑料。接觸點(diǎn)8比振動(dòng)膜7小，并且可以是任何形狀，例如一個(gè)點(diǎn)或圓盤。
當(dāng)通過電源V和電極6電力被提供到毛細(xì)管2，產(chǎn)生了電毛細(xì)壓，依靠毛細(xì)壓液位可以被操縱。液位的變化直接導(dǎo)致振動(dòng)膜7的位置變化。作為例子其中有兩個(gè)不同的情形被顯示在圖1和2中。在圖1中，顯示了在第一狀態(tài)下的毛細(xì)管2，其中振動(dòng)膜7向上彎曲。在圖2中，顯示了在第二狀態(tài)下的毛細(xì)管2，其中振動(dòng)膜7向下彎曲?；谟|感的激活，振動(dòng)膜7作為傳輸信息給使用者的探測(cè)器來發(fā)揮作用。
值得注意的是，電毛細(xì)壓現(xiàn)象在該領(lǐng)域本質(zhì)上是大家知道的。簡(jiǎn)單說，流體/流體彎液面5上的毛細(xì)壓是由不同的兩種表面張力的不同決定的。一方面，表面張力介于毛細(xì)管2的壁和導(dǎo)電流體3之間，另一方面，表面張力介于毛細(xì)管2的壁和絕緣體4之間。張力影響流體/流體彎液面5的位置并且因此也影響振動(dòng)膜7的位置。關(guān)于電毛細(xì)壓現(xiàn)象更詳細(xì)的討論參考在此引入作為參考的文章“Fluid Control inMultichannel Structures by Electro capillary Pressure”，Prinsetal，Science，Volume 291，2001年1月12日。
激勵(lì)器V，6被安排用作在特定的時(shí)間段使振動(dòng)膜7振動(dòng)。典型地，當(dāng)振動(dòng)膜7由于液位變化成為另一狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)被應(yīng)用。振動(dòng)用更自然的方式激活觸感。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，存在多種適當(dāng)?shù)募?lì)器是可用的，諸如在上述時(shí)間段振蕩電源V提供的電壓的裝置。
圖3示意性地展示了依照本發(fā)明的包含毛細(xì)管2的陣列的裝置10。每個(gè)振動(dòng)膜7的位置依賴于施加到相應(yīng)毛細(xì)管2的電壓。在這個(gè)例子中，裝置10包括只有八個(gè)毛細(xì)管2的一排。依照本發(fā)明的裝置中毛細(xì)管的數(shù)量和配置可變是可以理解的。更可取的是裝置中毛細(xì)管被排列成矩陣結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用中，毛細(xì)管的數(shù)量只被實(shí)際約束限制，例如設(shè)備的大小和電連接的數(shù)量。因?yàn)榱黧w元件包含微通道，例如毛細(xì)管，天生具有小尺寸，依照本發(fā)明的裝置可以包含很大數(shù)量的流體元件并且很容易處理。通過改變毛細(xì)管的物理特性，毛細(xì)管的類似閾值的行為(threshold-like behaviour)可以被獲得。通過設(shè)計(jì)毛細(xì)管，這樣物理特性導(dǎo)致類似閾值的行為，額外的元件，例如晶體管或二極管變得多余。這更一步地減小了依照本發(fā)明的裝置的大小。在已公開的國際發(fā)明申請(qǐng)WO 02/39462 A2中，在此引入作為參考，公開了包含具有分段電極的毛細(xì)管矩陣的裝置顯示了類似閾值的行為的例子。
通過應(yīng)用該領(lǐng)域本身的眾所周知的矩陣尋址方法，電連接的數(shù)量可以被有利地減少。如果每個(gè)毛細(xì)管被連接到單獨(dú)的電線，需要的電控元件的數(shù)量與N2成比例。一個(gè)眾所周知的減少控制元件到N級(jí)(orderN)的方法是通過矩陣尋址。矩陣尋址意味著行數(shù)(索引i，i∈{1，...，N}，電壓Vi)是在編程信號(hào)置于線列(索引j，j∈{1，...，N}，電壓Vj)上被一個(gè)接一個(gè)的激活。為了將矩陣尋址應(yīng)用到觸覺裝置上，在每個(gè)毛細(xì)管中需要一個(gè)電子矩陣結(jié)構(gòu)，也就是每個(gè)毛細(xì)管(i，j)需要連接到電壓Vi和Vj。在引用的WO 02/39642 A2中展示了三個(gè)例子。
除了上面描述的激勵(lì)器功能，依照本發(fā)明的裝置也可以作為傳感器使用。另外，包括電壓源和電流測(cè)量裝置I的每個(gè)探測(cè)器被連接到毛細(xì)管2用于探測(cè)電容量變化。當(dāng)振動(dòng)膜7的位置被主動(dòng)地改變，例如由使用者在上面施加壓力，這將導(dǎo)致相應(yīng)的毛細(xì)管2中的電容量的變化，它被探測(cè)器裝置探測(cè)到。電源V可以作為電壓源，例如提供一個(gè)電壓波動(dòng)(voltage ripple)或電壓脈沖。通過使用裝置I測(cè)量電流，任何電容的變化都能被檢測(cè)到。通過將壓力施加在一個(gè)或多個(gè)選定的毛細(xì)管2的振動(dòng)膜7上，信息現(xiàn)在可以被簡(jiǎn)便地傳送到裝置。振動(dòng)膜需要被預(yù)加應(yīng)力到足夠的程度，這可以由激勵(lì)器極好地提供。用于探測(cè)電容量的變化的探測(cè)器裝置在這些文章中被更詳細(xì)的描述“Contactangles and wetting velocity measuredelectrically”，H.J.J.Verheijen與M.W.J.Prins，Rev.Sci.Instr.，70(9)，3668-73(1999)，和“Fluid control in multichannel structuresby electro capillary pressure”，M.W.J.Prins，W.J.J.Welters，與J.W.Weekamp，Science 291(5502)，277-280(2001).多個(gè)合適的替代探測(cè)器，例如振動(dòng)膜7或彎液面5的變形的光學(xué)探測(cè)裝置，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是可用的。
裝置10中每個(gè)毛細(xì)管2都是依靠第二振動(dòng)膜9在底部關(guān)閉的。振動(dòng)膜9可以與振動(dòng)膜7有相同的特性。毛細(xì)管2因此是分開的實(shí)體并且流體靜力學(xué)的串?dāng)_被充分的預(yù)防。作為選擇，毛細(xì)管可以用第一流體的共享槽(shared reservoir)。雖然生產(chǎn)成本將或許比較低，但是串?dāng)_不可避免地使得這個(gè)可選實(shí)例只能用于某些不那么關(guān)鍵的應(yīng)用。在兩個(gè)實(shí)例中某一個(gè)在流體中較低壓力是有用的，如此振動(dòng)膜9還沒有到達(dá)它最高的向上彎曲位置。不同的在壓力下創(chuàng)建的裝置對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是可用的，例如毛細(xì)管壁的防水涂層。
一般來說，依照本發(fā)明的裝置涉及利用毛細(xì)管的觸覺裝置，毛細(xì)管中的液位是通過電毛細(xì)壓被操縱的，來傳遞信息，。該觸覺裝置還作為激勵(lì)器或傳感器或兩種功能結(jié)合。
該觸覺裝置可以被用于廣泛的各種各樣的應(yīng)用，其中一些在這里提到。第一個(gè)應(yīng)用是作為通訊裝置，特別是在視覺系統(tǒng)已經(jīng)超過負(fù)荷的情況下提供附加信息，例如飛機(jī)，操作間，車輛等。第二個(gè)應(yīng)用是虛擬現(xiàn)實(shí)裝置，例如通過遍布使用者的手掌和指尖提供完全觸覺的手套。其他的應(yīng)用可以是適合于視力障礙人士的電視機(jī)器人操縱器和電子書。
本發(fā)明當(dāng)然不局限于描述和展示的實(shí)例，而是通?？梢詳U(kuò)展到落入依照上述說明和繪圖的權(quán)利要求的范圍內(nèi)的任意實(shí)例。
權(quán)利要求
1.一種具有多個(gè)流體元件的觸覺裝置，包括導(dǎo)電流體，可在每個(gè)元件中移動(dòng)的液位，激勵(lì)器用于通過給上述流體元件施加電力來移動(dòng)多個(gè)選定流體元件的液位，其中每個(gè)流體元件在一端提供有觸覺元件，該觸覺元件與流體相接用于用戶感知液位，其特征在于，流體元件包含毛細(xì)管，作為電毛細(xì)壓現(xiàn)象的結(jié)果，液位可在毛細(xì)管中移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的觸覺裝置，其中激勵(lì)器被設(shè)置用于使觸覺元件在預(yù)定的時(shí)間段振動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的觸覺裝置，其中觸覺元件包含彈性材料的振動(dòng)膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的觸覺裝置，其中該振動(dòng)膜配有至少一個(gè)接觸點(diǎn)。
5.根據(jù)前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求的觸覺裝置，其中在相對(duì)的端部配有一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管，帶有另外的彈性材料振動(dòng)膜。
6.根據(jù)前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求的觸覺裝置，其中激勵(lì)器被安排用作在規(guī)定預(yù)應(yīng)力水平下設(shè)定多個(gè)選定的毛細(xì)管的液位，并且該裝置還包含探測(cè)器，該探測(cè)器被安排用作探測(cè)選定毛細(xì)管中液位的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的觸覺裝置，其中探測(cè)器被安排用于探測(cè)選定毛細(xì)管中的電容量的變化。
8.根據(jù)前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求的觸覺裝置，其中一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管包括具有不同電導(dǎo)率的第一流體和第二流體，這些流體本質(zhì)上是不能混合的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的觸覺裝置，其中第一或第二流體中的一個(gè)是導(dǎo)電的，另一個(gè)流體即第二或第一流體是絕緣的。
10.根據(jù)前面一個(gè)或多個(gè)權(quán)利要求的觸覺裝置，其中探測(cè)器包括電源和多個(gè)電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求6-10的觸覺裝置，其中探測(cè)器包含電壓源和電流測(cè)量裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的觸覺裝置，其中一個(gè)或多個(gè)毛細(xì)管包含至少一個(gè)附在毛細(xì)管壁上的電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有多個(gè)流體元件(1)的觸覺裝置，包括導(dǎo)電流體(3，4)。通過激勵(lì)器(V，6)給上述流體元件施加電力來使液位在每個(gè)元件中移動(dòng)。每個(gè)流體元件在一端提供有觸覺元件(7)，該觸覺元件與流體相接用于用戶感知液位。該流體元件包含毛細(xì)管(2)，作為電毛細(xì)壓現(xiàn)象的結(jié)果，液位可在毛細(xì)管中移動(dòng)。
文檔編號(hào)G06F3/01GK1663104SQ03814425
公開日2005年8月31日 申請(qǐng)日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月19日
發(fā)明者M·W·J·普林斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司