包括力传感器的触敏界面的制作方法

本发明是设计成被效应器(例如手指)触摸的触敏界面，例如屏幕，该触敏界面被配置用于测量效应器接触板而施加的力。

背景技术：

伴随着许多发展，触摸屏的使用增加了，触摸屏特别地应用于平板电脑或移动电话类型的便携式设备。这些屏幕通常包括光滑的接触表面，在该接触表面上可以通过用手指的接触来控制各种参数或软件应用。已经开发了一种装置，其允许当用户将手指施加在这样的接触表面上时，可以感觉到纹理感。例如，在bietm的出版物“squeezefilmeffectforthedesignofanultrasonictactileplate”，ieee超声、铁电和频率控制汇刊，ieee，2007，54(12)，第2678-2688页，此后表示为biet2007，或专利申请ep1956466中描述了这种装置。在这些文献中，描述了一种包括光滑板的触敏界面，该光滑板形成设计为被手指触摸的接触表面。通过与板接触的配置在板下面的多个压电换能器将该板设置成振动。换能器和板形成谐振器，该谐振器有助于形成兰姆(lamb)波型的静挠曲波。当接触表面的振动共振频率处于超声域中时，例如在10khz至100khz，并且振动的振幅较低低时，通常为几微米，当用户的手指滑过所述表面时，用户能够感觉到接触表面的纹理。该效果是已知的并且通常用术语“挤压膜”表示。因此，用户能够感觉到粗糙感或一定的滑动阻力，同时接触表面保持光滑。

该效果已应用于能够形成屏幕的透明接触表面。专利us8780053或专利ep2707787尤其是这种情况。在这些文献中，压电换能器设置在接触表面的边缘附近，并允许接触表面进入共振。

文献us2010/0225596描述了一种包括柔性弹性体膜的触敏界面。弹性体膜被拉紧并通过换能器振动。在与用户的手指接触的作用下，振动波被改变并且由换能器检测这种改变。

此外，大多数当前触摸屏包括允许通过电容效应检测用户手指的接触的传感器。为此，接触表面包括透明导电网，以便定位由用户的手指触摸的屏幕区域。接触检测的性能足以允许包括这种触摸屏的装置由手指的位置或手指在屏幕上的路径来控制，或者通过手指的运动参数(例如速度或加速度)来控制。然而，尽管电容检测的性能对于定位手指在屏幕上的冲击是有利的，但是它不允许量化手指施加的力。冲击检测是一种全部类型或无类型的检测，并且只确定手指的接触或没有接触。

本发明旨在通过提供一种装置来解决这个问题，该装置允许对手指或任何其他类型的效应器施加在触敏界面上的力进行量化。

技术实现要素：

本发明的第一主题是触敏界面，其包括限定能够被效应器触摸的接触表面的板，包括：

·换能器，称为致动换能器，其能够在板上施加压力，以便形成沿着板延伸的挠曲波，以根据共振频率，驱动板的振动；

触敏界面的特征在于其包括：

·至少一个检测器，其用于检测挠曲波的幅度，每个检测器连接到检测电路；

·检测电路被配置用于形成称为衰减信号的信号，衰减信号表示由效应器和接触表面之间的接触引起的挠曲波的衰减；

·处理电路，其被配置用于基于衰减信号估计由接触表面上的效应器施加的，特别是垂直于接触表面的力的大小。

该装置可包括以下特征之一，单独采用或根据技术上可行的组合采用：

-每个换能器在板上施加周期性调制，换言之，施加振荡压力。

-该板以第一横向边缘为边界，该板连接到平行于第一横向边缘对齐的多个致动换能器，至少一个检测器设置在第二横向边缘附近，第二横向边缘与第一横向边缘相对。

致动换能器(10n)以这样的方式配置：

·挠曲波的振幅小于10μm，甚至小于5μm；

·和/或共振频率高于10khz；

·和/或挠曲波(4)的波长(λ)在1mm至40mm的范围。

处理电路被配置为以这样的方式将校准函数应用于衰减信号，以估计由效应器施加的力的大小。由处理电路考虑的校准函数是预定的。

-至少一个致动换能器是压电换能器或mems类型的机电换能器。

-至少一个检测器是压电换能器或机电换能器。

-至少一个检测器设置成与板接触。

-该板是透明的，或包括透明部分。

-触敏界面被设计为产生称为控制信号的信号，该控制信号用于控制例如机器或微处理器之类的装置，该控制信号取决于估计的力的大小。

根据一个实施例，检测电路被配置用于：

-根据给定的测量频率来测量挠曲波的幅度；

-将测量的幅度与参考幅度进行比较，以形成衰减信号。参考幅度在先前步骤中确定。

根据一个实施例，

-每个致动换能器由电源信号供电；

-检测电路，其配置成用于在检测器检测到的挠曲波幅度与设定值不同时，建立称为反馈信号的电源信号；

检测电路配置成用于根据反馈信号形成衰减信号。

本发明的第二主题是用于估计由效应器按压在属于触敏界面的板的表面(称为接触表面)上施加的力的大小的方法，该方法包括以下步骤：

a)根据共振频率，通过至少一个致动换能器形成挠曲波，该挠曲波沿着板延伸；

b)通过检测器在给定的时间(称为测量时间)测量挠曲波幅度；

c)根据在步骤b)期间获得的测量值，获得表示在所述力的作用下挠曲波的衰减的衰减信号；

d)根据在步骤c)期间获得的衰减信号，估计所述力在所述测量时间的大小。

所述板可以设置在触敏界面中。

在步骤a)期间形成的挠曲波优选是驻波。优选地，在步骤a)期间形成的挠曲波包括以下特征中的至少一个：

-其幅度小于10μm，甚至小于5μm；

-谐振频率高于10khz，有利地低于200khz；

-其波长在1mm至40mm。

在步骤a)期间形成的挠曲波可以由平行于板的一个边缘延伸的多个致动换能器产生。换能器能够以与板周期性接触的方式变形，从而形成挠曲波。传感器可与板接触以周期性方式变形，从而导致挠曲波的形成。

根据一个实施例，步骤c)包括以下子步骤：

ci)考虑称为参考振幅的振幅，其代表在没有效应器按压接触表面的情况下挠曲波的振幅；

cii)基于在步骤b)期间在测量时间测量到的幅度，确定表示参考幅度和测量幅度之间的比较的比较信号；

ciii)根据所述比较信号获得衰减信号。

根据一个实施例：

-在步骤a)期间，每个致动换能器由电源信号以电源电压的形式供电；

-步骤b)包括：当测量到的幅度与设定点值不同时，根据在所述测量时间测量到的幅度形成称为反馈信号的电源信号；

-步骤c)包括根据反馈信号形成所述衰减信号。

步骤d)可以包括以下子步骤：

di)考虑校准函数；

dii)将所述校准函数应用于在步骤c)期间确定的衰减信号。

在步骤d)中，可以将估计的力的大小的值分配给最小值至最大值的范围中的值，在所述最小值和所述最大值之间包括若干中间值。

该方法可以通过根据本发明的第一主题的触敏界面来实现。

本发明的第三个主题是借助于包括形成在板上的接触表面的界面来控制装置的方法，该装置可由参数控制，该方法包括将效应器应用到接触表面上以调节参数值，该方法包括以下步骤：

i)将效应器应用到接触表面上的、接触表面的与所述参数相关联的区域中；

ii)根据对效应器施加在接触表面上的力的估计，调整所述参数的值，通过实施根据本发明第二主题的方法获得所述估计。

在步骤i)和步骤ii)之间，这种方法可以包括步骤i')，其用于定位由效应器接触的接触表面的区域，以及根据如此定位的区域选择参数。该装置可以是机器，特别是机器人机器或微处理器。

本发明的第四个主题是能够由参数控制的装置，并且包括触敏界面，该触敏界面被配置用于根据由效应器施加到触敏界面的壁的接触表面上的力来调节所述参数的值，该触敏界面对应于本发明的第一主题。触敏界面可以包括用于定位由效应器触摸的接触表面的区域的电路，以及用于根据所述区域选择参数的电路。该电路可以包括限定接触表面的网格的导电电路，以及用于，例如通过电容效应，确定效应器相对于所述网格的位置的处理单元。

通过以下在非限制性示例呈现并且在下面列出的附图中示出的本发明特定实施例的描述，其他优点和特征将变得更加清楚。

附图说明

图1a示出了根据本发明的触敏界面的一个示例。图1b是图1a的横截面。图1c示出了在板上形成挠曲波，该板是触敏界面的组成部分。

图2a、图2b和图2c示出了获得的信号的第一示例，该信号表示板被手指的接触的振动的衰减。图2d、图2e和图2f示出了获得的信号的第二示例，该信号表示板被手指的接触的振动的衰减。

图3a和图3b示出了确定校准函数的一个示例。

图4a和图4b是界面的实施的示例，其允许估计手指在界面上施加的力。

图5示出了根据本发明的触敏界面的另一示例。

图6示出了根据本发明的触敏界面的应用的一个示例。

具体实施方式

图1a和图1b示出了根据本发明的触敏界面的一个示例。该界面包括板2，板2在平面xy中延伸，并在该平面中形成长度l(沿着轴线x)并且宽度l(沿着轴线y)的矩形。在该示例中，l＝195mm，并且l＝125mm。板沿z轴的厚度ε为1.5mm。术语板表示相对于其宽度或长度较薄的刚性元件。宽度和长度不是关键参数，并且可以在几厘米之间的范围内，例如3厘米至30厘米或更多。触敏界面1被设计为对装置进行控制，该装置例如为允许执行软件程序的机器人或微处理器。因此，触敏界面能够向装置提供控制信号。

如下所述，厚度ε必须允许板2根据静挠曲波4振动。厚度ε取决于形成板的材料和目标应用，但优选小于10mm，甚至小于5mm。在该实例中，形成板的材料是玻璃。其他材料也可以是合适的，特别是其杨氏模量在30gpa至100gpa，优选在30至80gpa的材料。板的材料可以是例如聚碳酸酯、pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)或其他有机聚合物、或铝。当板旨在覆盖触摸屏时，该板由透明材料形成。

在该示例中，板2以两个横向边缘21和22为边界，在横向边缘21和22附近设置有致动换能器101...10n。“在附近”应理解为意指小于2cm的距离。在该示例中，n＝18。十个致动换能器10n平行于第一横向边缘21对齐，而八个致动换能器10n平行于第二横向边缘22对齐，第二横向边缘22与第一横向边缘21相对。索引n表示换能器，n在1至n的范围内。致动换能器10n能够沿着与板在其中延伸的平面xy垂直的轴z周期性地与板2接触地变形，以在板上施加振荡压力。该板包括上部2s和下部2i，上部2s用于形成接触表面。在该示例中，致动换能器贴靠板的下部2i。这里，换能器是压电式的，其包括设置在两个电极之间的压电材料，例如ain、zno或pzt。压电致动器可以通过粘合来抵靠板的下部2i固定。它们也可以采用薄膜的形式，形成通过微技术制造方法获得的集成电路。

板2可包括不透明的护罩3，以便罩住致动换能器。

可以预期其他类型的致动换能器，例如mems(微机电系统的首字母缩写)类型的机电装置，或者能够沿垂直于平面xy的轴线z传递周期性机械变形的其他换能器。这些可以是例如磁致伸缩或电致伸缩换能器。

通过变形，致动换能器10n引起板2沿轴线z的位移，换句话说，引起板2在垂直于其所延伸的平面xy的方向上的位移。传感器的变形随振动而变化。然后沿着板的长度l产生挠曲波4，挠曲波4沿着纵向轴线x传播。考虑到板的尺寸以及构成它的材料的性质，特别是杨氏模量或密度，以及共振模式，可以在共振频率下，形成沿着纵轴x延伸的驻波。例如，与现有技术相关引用的出版物“biet2007”第三部分或专利us8780053中描述了产生这种静波的一个示例。在该示例中，致动压电换能器通过正弦电源信号以同步方式被激活，正弦电源信号由电源11产生。在该示例中，施加到每个换能器的电源信号具有相同的电振幅，从一个换能器到另一换能器没有相位差。本领域技术人员将能够根据谐振模式调整每个换能器的电源电压的幅度或相移，以获得沿着板2传播的静挠曲波4。挠曲波4的共振频率优选高于10khz，并且优选低于200khz。这样的频率范围位于超声域中，不产生任何声学干扰。在共振频率下，沿着板2形成静挠曲波4。共振频率取决于构成板的材料，其几何特性以及致动换能器10n的特性。在该示例中，谐振频率是68khz。挠曲波4的波长λ可以在3mm至40mm的范围内。在本例中，波长λ为16mm。

挠曲波的振幅优选小于10μm，更优选小于5μm或3μm。在该示例中，挠曲波4是兰姆波，其幅度在2μm至3μm的范围内。

每个压电致动器10n根据大约10mm×5mm的长度(平行于轴线x)和宽度(平行于轴线y)延伸。两个相邻的压电换能器10n之间沿轴线y的间距等于5mm。这里每个压电换能器的厚度约为0.5mm。压电换能器可以类似于vezzolie的出版物“texturerenderingstrategieswithahighfidelitycapacitivevisual-hapticfrictioncontroldevice”，人类触觉感知和触摸计算机应用国际会议，第251-260页，伦敦，2016年中描述的那些压电换能器，。

板2还连接到两个检测器201和202。在该示例中，每个检测器是类似于先前描述的致动换能器10n的压电换能器，对板2没有任何驱动动作，但允许根据测量频率检测板的振动幅度，该振动幅度是由微控制器25控制。这里的采样频率等于10khz。探测器被定位为接近挠曲波4的振荡最大值。

可以预期不同于图1a中所示的其他布置：致动压电换能器可以仅沿着板的一个边缘，或沿着板的3或4个边缘延伸。它们也可以延伸到板的中心。作为检测器20操作的换能器的数量可以为1至10，或甚至更多。在图5中示出了一种特定的布置，根据该布置，致动换能器10n和检测器20q垂直于板2的平面xy设置。

图1b示出了图1a中所示的板2的横截面视图。界面1包括检测电路21，其与处理电路22一起耦合到检测器201、202。微控制器25提供对致动换能器10n和检测器20q的控制。索引q表示任何检测器。致动换能器由电源单元11供电，该电源单元11产生调制的特别是正弦的电源信号v(电压)，以便允许致动换能器10n的周期性变形。

在致动换能器10n的变形的作用下，在共振频率下，形成静挠曲波4，如图1c所示。在挠曲波4的作用下，板2根据共振模式，以对应于挠曲波4的振幅的振动振幅振动。这里，振幅被理解为表示垂直于接触表面2s所延伸的平面xy的方向上的振幅。

振动的幅度可以通过与接触表面2s接触的手指5、刚性元件或另一效应器来调节。发明人已经确定，通过测量由这种接触产生的衰减，不仅可以检测手指的接触，而且可以对手指施加在板2上的垂直于板2的力进行量化。效应器5可以是手指或触笔。通过测量振动幅度的衰减，可以获得对手指施加的力的定量测量。所采用的方法与现有技术中显着不同，根据引用的文献，使用振动波来由手指获得板上纹理的感觉：根据这种方法，手指充当由板2的振动引起的效果的检测器。根据本发明，它是板的振动，更准确地说，是振动幅度的衰减，这允许检测手指5的接触，同时量化它施加在板2上的垂直于板所延伸的平面xy的力。

连接到检测电路21的每个检测器20q被设计成形成称为衰减信号的信号satt，其表示在手指5的作用下波4的衰减。手指按压在板上施加的力越大，衰减越大。因此，衰减的测量允许估计被手指按压在板上施加的力的大小。根据高测量频率来激活检测器，例如1khz。耦合到检测器20q的检测电路21允许在每个测量时间t根据测量频率获得衰减信号satt。下面将描述如何获得衰减信号satt。

处理电路22考虑在每个测量时间由检测电路21提供的衰减信号satt，并且使用该衰减信号估计由手指施加的力的大小。这种估计可以特别地基于校准，在校准期间，同时测量由手指施加的力以及衰减信号satt。校准允许建立校准函数f，将施加的力的大小f与衰减信号satt相关联，使得f＝f(satt)(1)。下面参考图3a和图3b描述这种校准。

图2a、图2b和图2c示出了形成衰减信号satt的第一示例。图2a示出了板2根据谐振模式振动，而没有受到手指5的接触。波4的幅度对应于参考幅度aref。当手指5被施加到板2上时，其根据相同的谐振模式产生振动幅度的衰减，这导致由检测器测量到的幅度的减小，如图2b所示。每个检测器20q根据微控制器25的给定测量频率提供振动幅度(a(t))的测量。在每次测量幅度(a(t))之后，检测电路21建立称为比较信号的信号sδ(t)，该信号表示测量到的幅度(a(t))和参考幅度之间aref之间的比较。比较应理解为表示差或比值。参考幅度aref可以在初始化期间确定，例如在界面1的制造期间，或者在初始化期间，例如在界面的操作的第一时刻。比较信号可以与参考幅度和测量的幅度之间的差成比例，以这种方式使得sδ∝(aref-a(t))，符号∝表示比例关系。比较信号sδ表示由手指产生的衰减。因此它形成衰减信号：satt＝sδ。处理电路22随后根据表达式(1)使用校准函数f基于衰减信号satt估计所施加的力的大小。

图2d、2e和2f示出了形成衰减信号satt的另一示例。根据该示例，包括反馈回路的检测电路21根据称为闭路模式的模式进行操作。图2d和图2e分别示出了在没有接触的情况下以及在手指5压在板2的接触表面2s上的情况下板的振动。当按下手指时，反馈回路作用于换能器10n的电源信号，以保持与设定点幅度对应的基本恒定的振动幅度a，换言之，恒定在5或10％之内。图2f示意性地示出了该操作。当一个或更多个检测器20q检测到幅度减小时，校正模块12寻址称为反馈信号的电源信号δv，将该电源信号与致动换能器10n的电源电压v相加，以调制致动换能器10n的供电。因此，挠曲波的幅度a基本上是恒定的并且对应于设定点幅度。反馈信号δv代表手指产生的衰减。这可以是加到电源电压v的电压。因此，根据该示例，衰减信号取决于反馈信号δv。例如，satt∝δv.。处理电路22随后根据表达式(1)，使用校准函数f估计所施加的力的大小，作为衰减信号satt的函数。

参考图3a和图3b，现在描述一个示例性校准，其允许获得校准函数f。在校准期间，板2连接到力传感器30，例如标尺或测力计。用大小可变的施加力将手指5施加到板2上。力传感器30测量力的大小f，并且还测量对应于每个测量的力的大小的衰减信号satt。获得校准函数f，该函数在图3b中示出。

校准可以取决于效应器。如果使用各种效应器，例如手指或触笔，则优选为每种类型的效应器建立校准。

图4a和图4b示出了根据类似于参考图1a和图1b描述的配置进行的实验试验的结果。板2是透明玻璃屏。所测试的装置是包括软件应用程序的平板电脑，其允许以图表的形式显示测量的力的大小水平。该图表由白色虚线轮廓线包围。在该图表上，幅度水平以条的形式出现，其长度随着测量的力的大小而变化。白色虚线轮廓线示出了图4a(低施加力)和图4b(高施加力)之间的条的变化。

本发明允许精确量化所施加力f的大小。它可以允许区分至少5种不同水平的施加力，或甚至更多，其中测量动态范围可以包括最小水平fmin至最大水平fmax的十或几十或甚至更多不同水平。因此，估计的力的大小在最小值fmin(例如，没有接触)至最大值fmax的范围内，其中幅度可以取至少一个，但优选地至少为5或10，或者甚至更多，最小值fmin至最大值fmax范围内的中间值。两个连续中间值之间的步长定义了测量的精度。

图5示意性地示出了另一实施例，其受专利ep2707787中描述的配置的启发。根据该实施例，板2包括在下表面2i和上表面2s之间延伸的平面部分2p，上表面2s形成接触表面2s。平面部分在平面xy中延伸。在每个横向边缘21和22与平面之间，板包括在平面yz中垂直于平面部分2p延伸的称为致动部分2a的部分。致动换能器10n和检测器20q设置成与致动部分2a接触。致动部分沿轴线z延伸至优选地小于2cm的高度。平面部分2p和每个致动部分2a之间的交点优选地对应于板2的振动模式的节点。如专利ep2707787中所述，这种配置允许平面部分2p的面积被优化。

触敏界面1可以用于控制各种类型的装置。当板2是透明的时，它可以形成触摸屏并且允许根据手指施加的力来控制软件应用程序或机器。这种界面可以配备便携式消费者通信装置，例如移动电话或平板电脑。它还可以用于控制设备，例如工业设备。触敏界面允许添加额外的自由度，同时考虑关于手指施加的力的大小的信息。然后，它可以与由电容检测提供的用于定位手指的信息组合。手指的定位允许选择待调整的操作参数、所施加的力的大小然后允许调整参数的值。

图6示出了触敏界面1，其接触表面2s形成触摸屏。在该示例中，界面允许调整六个参数p1、p2、p3、p4、p5和p6。屏幕的区域采用图标的形式，对应于每个参数。该界面包括用于定位手指5的位置的电路。定位电路可以基于通过电容效应检测手指。当手指被施加到屏幕上时，界面检测其在屏幕上的位置，根据该位置，选择待调整的参数。在所示的示例中，调整的参数是参数p3。根据手指施加在接触表面2s上的力，界面1产生控制信号，允许在最小值p3min和最大值p3max之间调节参数值。本发明允许选择多个参数并调整它们中的每一个。