[发明专利]具有平衡负载的双极投影触觉

说明书

一种间接触觉设备，包括具有顶表面和底表面的基板，以及布置在顶表面上的多个触觉电极和多个孤岛电极。该设备还包括布置在底表面上的多个发射电极和多个接收电极、位置传感器，以及摩擦调制器。该设备还包括控制设备，该控制设备被配置为向所述多个发射电极施加双极电信号以检测用户的肢体的触摸位置并调制用户的肢体和触摸表面之间的摩擦。所述多个触觉电极中的每个触觉电极基本上与所述多个发射电极中的对应两个发射电极对准并电容耦合。

对相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月28日提交的美国临时专利申请序列No.62/853,419和2020年5月27日提交的美国非临时专利申请序列No.16/884,932的权益和优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及触觉设备，并且更具体地涉及通过调制设备的触摸表面的摩擦来向用户提供间接触觉反馈和纹理感觉的触觉设备。

背景技术

在本领域中已知用于调制人的指尖和触摸表面之间的摩擦以便产生在手指滑过表面时经历的间接触觉效果的电粘附技术。通过改变电粘附效果的强度而产生的摩擦的变化造成触感效果，这可以被经历为振动、纹理、边缘、表面波纹和诸如击球之类的事件。电粘附是一种用于递送丰富触觉感觉的有吸引力的技术，因为它不涉及机械运动(即，它是固态的)，它高效地使用功率，它具有高带宽，并且它可以定位在表面的不同区域上。常常期望在诸如触摸屏之类的透明触摸表面上采用电粘附。在这些应用中，还期望有一种手段来测量每个手指触摸表面的位置。换句话说，期望表面应当用作触摸屏、触控板或其它触摸输入设备，同时还向触摸表面的每个指尖提供触觉反馈。

电粘附取决于电场的形成，该电场作用于指尖与其触摸的表面之间存在的气隙。由于皮肤的粗糙度(也可能是表面的粗糙度)而存在气隙：真正的接触仅发生在少数点上，而在大部分明显接触区域上空气保留在两个表面之间。在实践中，也可以存在其它流体，诸如水或皮脂。其它流体的存在并不阻止电粘附的发生。因此，我们使用术语“气隙”，理解为其它流体可以部分地填充间隙。气隙中的电场在皮肤和表面中所含的束缚或极化电荷之间施加吸引力。这种吸引力的增加造成摩擦的增加，也称为摩擦调制。对于给定的系统配置，摩擦调制效果的强度主要取决于气隙中的电场强度。在实际设备中，期望使用尽可能低的电压来创建电场。

作为粗略的指导，经验表明手指和轻微纹理的表面(诸如防眩玻璃)之间的气隙平均大约为2微米。在这种尺寸的间隙中，可以持续而不会击穿的最大电场可以优选地是大约1e8V/m，但是该数字可以基于多种因素而变化，包括气隙的尺寸。在这个场强下，最大可用电压可以优选地是2e-6m x le8V/m＝200V，但是该数字也可以基于多种因素而变化，包括气隙的尺寸。在实践中，稍低的电压可以提供安全性和可靠性的余量。出于解释的目的，这里假设期望在气隙两端生成100V，但是可以使用更低或更高的电压。

100V是个方便的值，因为有许多硅工艺可以用于构建集成电路以用于切换不超过几百伏的电压。但是，还有其它因素使设计复杂化并且趋于要求更高的电压。

第一个复杂因素是期望顶部绝缘层，这常常是确保触摸屏寿命的要求。如果触摸表面是导电的，那么空气间隙将趋于因接触点而短路，尤其是在有水的情况下。此外，如果系统需要是透明的，那么难以在顶部表面上放置透明导体而不使其受到过度磨损。出于这些原因，电粘附系统通常用耐用的绝缘层涂覆导体。但是，这个层与气隙电串联。照此，所施加电压的某个部分可以在绝缘层两端下降，从而减少要施加到气隙的可用电压。

取决于频率以及材料特性、电场强度和厚度，绝缘层的电阻抗可以由复电抗、电阻或两者的组合支配。但是，这种复杂的阻抗行为可以用不太复杂的线性电容和电阻模型表示。出于解释的目的，绝缘层在本文仅被描述为串联线性电容，但本发明不限于这种情况。如果C_i是绝缘层的集总电容并且C_gap是气隙的集总电容，那么在气隙两端产生100V电压降可能必需施加的电压是：

V_applied＝[(C_i+C_gap)/C_i]*100伏