提供触觉反馈的柔性振动电机、触觉反馈系统及电子设备 专利技术说明

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及触觉反馈技术领域，尤其涉及提供触觉反馈的柔性振动电机、触觉反馈系统及电子设备。背景技术：2.传统技术中触觉反馈的生成主要基于硬质的电机驱动装置。这种电机驱动装置具有外形笨重、输出信号较为单一及振动频域窄的缺陷，且其坚硬材料的本质属性阻碍了对柔性需求的应用，非透明的特性限制了光学功能的集成，难以覆盖在现有电子产品的触摸屏幕上。3.为解决传统电机驱动装置的缺陷，目前相关研究主要集中于研发柔性振动电机。柔性振动电机按照振动机理可基本分为：基于流体压力驱动的振动电机、磁体式振动电机、基于软性材料形变的振动电机和基于静电力驱动的薄膜式振动电机。其中，基于流体压力驱动的振动电机需要使用泵或者压缩机来产生流体压力差，装置的便携性以及静音性受到了限制；磁体式振动电机需要在磁场覆盖的环境中运行，对工作环境具有依赖性；软性材料包括形状记忆合金/弹性体复合物、形状记忆高分子以及热变形高分子纤维，这些软性材料的形变都需要经历加热和放热过程来驱动，限制了相应振动电机的振动频域；基于静电力驱动的薄膜式振动电机虽然具有高驱动速率、大应变、高输出功率密度和超薄等优势，但是容易产生介电击穿而失效，运行寿命短。4.因此，有必要提供新的柔性电机振动机理，以在满足柔性及光学功能的集成需求的同时，有效扩宽柔性振动电机的振动频域范围，提高使用便捷性和运行寿命。技术实现要素：5.本发明提供了提供触觉反馈的柔性振动电机、触觉反馈系统及电子设备，通过新的柔性电机振动机理来提供触觉反馈，解决了现有用以提供触觉反馈的柔性振动电机存在振动频域窄、使用便捷性差和运行寿命短的缺陷的技术问题。6.本发明第一方面提供一种提供触觉反馈的柔性振动电机，包括被动振动信号传递层和振动驱动层；7.所述被动振动信号传递层与所述振动驱动层上下相邻设置；8.所述振动驱动层包括电极阵列；9.所述电极阵列被施加控制信号时产生电场，从而诱导所述被动振动信号传递层产生感应电荷，所述被动振动信号传递层在所述电场和所述感应电荷的相互作用下产生振动而提供触觉反馈。10.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述振动驱动层还包括电极隔离层；11.所述电极阵列封装于所述电极隔离层内。12.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述电极阵列由若干间隔相同的电极构成；13.或者，所述电极阵列由插指电极构成，所述插指电极包括两个具有若干导电指条的单边电极，两个所述单边电极的导电指条交错设置。14.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述柔性振动电机还包括封装隔离部分；15.所述封装隔离部分与所述被动振动信号传递层之间形成气体空间，所述振动驱动层位于所述气体空间内。16.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述气体空间内填充有气体。17.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述封装隔离部分包括封装层和两隔离间隔单元；18.所述隔离间隔单元的一端与所述封装层连接，所述隔离间隔单元的另一端与所述被动振动信号传递层连接。19.根据本发明第一方面的一种能够实现的方式，所述柔性振动电机整体为透明薄膜结构。20.本发明第二方面提供一种触觉反馈系统，包括多个如上任意一项能够实现的方式所述的提供触觉反馈的柔性振动电机，各所述柔性振动电机按预设规则以阵列方式布置。21.本发明第三方面提供一种触觉反馈系统，包括如上任意一项能够实现的方式所述的提供触觉反馈的柔性振动电机，还包括控制单元；22.所述控制单元连接电极阵列，用于向所述电极阵列施加控制信号。23.本发明第四方面提供一种电子设备，包括如上所述的触觉反馈系统。24.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：25.本发明的柔性振动电机包括被动振动信号传递层和振动驱动层；所述被动振动信号传递层与所述振动驱动层上下相邻设置；所述振动驱动层包括电极阵列；所述电极阵列被施加控制信号时产生电场，从而诱导所述被动振动信号传递层产生感应电荷，所述被动振动信号传递层在所述电场和所述感应电荷的相互作用下产生振动而提供触觉反馈；本发明提供了新的柔性电机振动机理，通过控制振动驱动层产生电场来使被动振动信号传递层产生电荷，进而发生振动，振动频率可达1000hz，具有振动频域宽的优点；本发明的柔性振动电机区别于现有振动电机的硬质属性，能够满足柔性及光学功能的集成需求；结构简单，易于制造、成本低，且通过施加不同强度的控制信号便可以使被动振动信号传递层提供多种振动模式的触觉反馈信号，具有良好的使用便捷性；本发明的柔性振动电机在施加较强的控制信号时虽然会暂时被击穿，但把控制信号幅值降低到安全值以下时仍可以继续使用，大大增加了运行寿命。附图说明26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。27.图1为本发明一个可选实施例提供的一种提供触觉反馈的柔性振动电机的结构连接框图；28.图2为本发明一个可选实施例提供的振动驱动层的结构连接框图；29.图3为本发明另一个可选实施例提供的一种提供触觉反馈的柔性振动电机的结构连接框图；30.图4为本发明一个可选实施例提供的图3所示提供触觉反馈的柔性振动电机的纵向截面示意图；31.图5为本发明一个可选实施例提供的向电极阵列施加控制信号后振动驱动层出现可控电场分布的示意图；32.图6为本发明一个可选实施例提供的振动驱动层的电场分布诱导被动振动信号传递层产生感应电荷的示意图；33.图7为本发明一个可选实施例提供的电场和感应电荷间的相互作用力使振动驱动层向上运动而与被动振动信号传递层接触的示意图；34.图8为本发明一个可选实施例提供的电场和感应电荷间的相互作用力消失时振动驱动层向下运动而恢复至初始平衡状态的示意图；35.图9为本发明一个可选实施例提供的振动驱动层的上下往复运动带动被动振动信号传递层产生周期性振动的示意图；36.图10为本发明一个可选实施例提供的当使用者手指接触该柔性振动电机时，被动振动信号传递层对应振动模式传递到手指皮肤，进而使接触者产生触觉反馈的示意图；37.图11为本发明一个可选实施例提供的触觉反馈信号感受强度与控制信号关系图。38.附图标记：39.1-被动振动信号传递层；2-振动驱动层；3-封装隔离部分；4-气体空间；5-手指；21-电极阵列；22-电极隔离层；31-封装层；32-隔离间隔单元。具体实施方式40.本发明实施例提供了提供触觉反馈的柔性振动电机、触觉反馈系统及电子设备，用于解决现有用以提供触觉反馈的柔性振动电机存在振动频域窄、使用便捷性差和运行寿命短的缺陷的技术问题。41.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。42.本发明提供了一种提供触觉反馈的柔性振动电机。43.请参阅图1，图1示出了本发明实施例提供的一种提供触觉反馈的柔性振动电机的结构连接框图。44.本发明实施例提供的一种提供触觉反馈的柔性振动电机，包括被动振动信号传递层1和振动驱动层2；45.所述被动振动信号传递层1与所述振动驱动层2上下相邻设置；46.所述振动驱动层2包括电极阵列21；47.所述电极阵列21被施加控制信号时产生电场，从而诱导所述被动振动信号传递层1产生感应电荷，所述被动振动信号传递层1在所述电场和所述感应电荷的相互作用下产生振动而提供触觉反馈。48.本发明实施例中，创新性地采用了新的电机振动机理，即通过振动驱动层2排布的电极阵列21控制电场分布，进而诱导相邻被动振动信号传递层1产生感应电荷而与振动驱动层2发生相互作用力，引发接触振动。相对于现有振动电机，该电机振动机理将振动电机的振动频率范围拓展了至少一个数量级，使得本发明的电机振动频率能达到1000hz；传统振动电机均为硬质金属类器件，不具备柔性功能，本技术的被动振动信号传递层1和振动驱动层2为层状结构，可以采用薄膜材料例如pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)进行制备，使得本技术的柔性振动电机在发生弯曲、扭曲等形变的状态下仍然可以保持振动功能，能够满足柔性及光学功能的集成需求；本技术的柔性振动电机结构简单、易于制造，使用成本低廉的柔性薄膜材料便能够制造，具备成本低的优点，且通过施加不同强度的控制信号便可以使被动振动信号传递层1提供多种振动模式的触觉反馈信号，具有良好的使用便捷性；本发明的柔性振动电机在施加较强的控制信号时虽然会暂时被击穿，但把控制信号幅值降低到安全值以下时仍可以继续使用，大大增加了运行寿命。49.需要说明的是，上述控制信号可以通过现有的商业信号发生装置进行施加，本实施例中，对此不做限定。作为具体的实施方式，该电极阵列21可以通过导线与现有的商业信号发生装置进行连接，可以在振动驱动层2上设置导向封装孔，以引出所述导线。50.在一种能够实现的方式中，所述柔性振动电机整体为透明薄膜结构。作为具体的实施方式，本发明的振动电机中各组成部分均可使用透明材质制造，从而使其具备光学透过性。当把触觉反馈屏幕包裹在其它物体表面时，比如手机屏幕。该触觉反馈屏幕不会阻碍使用者观看手机屏幕，但却可以在手机屏幕集成给使用者产生触觉反馈的功能。进而使使用者与手机在视觉听觉基础上，增加触觉交互的维度。51.在一种能够实现的方式中，如图2所示，所述振动驱动层2还包括电极隔离层22，所述电极阵列21封装于所述电极隔离层22内。52.在一种能够实现的方式中，所述电极阵列21由若干间隔相同的电极构成。53.本发明实施例中，电极阵列21被施加控制信号时，相邻两电极之间会产生电场，从而诱导所述被动振动信号传递层1产生感应电荷。54.在另一种能够实现的方式中，所述电极阵列21由插指电极构成，所述插指电极包括两个具有若干导电指条的单边电极，两个所述单边电极的导电指条交错设置。55.本发明实施例中，电极阵列21被施加控制信号时，相邻导电指条之间会产生电场，从而诱导所述被动振动信号传递层1产生感应电荷。56.其中，该导电指条采用可导电的物质材料构成。作为一种实施方式，所述导电指条为金属指条。57.在一种能够实现的方式中，如图3、图4所示，所述柔性振动电机还包括封装隔离部分3，所述封装隔离部分3与所述被动振动信号传递层1之间形成气体空间4，所述振动驱动层2位于所述气体空间4内。58.本发明实施例中，通过设置封装隔离部分3，能够有效封装所述振动驱动层2的振动空间。59.作为具体的实施方式，所述封装隔离部分3包括封装层31和两隔离间隔单元32；所述隔离间隔单元32的一端与所述封装层31连接，所述隔离间隔单元32的另一端与所述被动振动信号传递层1连接。60.需要说明的是，在其他实施方式中，所述封装隔离部分3也可以直接是带有凹槽的封装隔离层，该封装隔离层与被动振动信号传递层1连接后，该凹槽构成所述气体空间4。61.在一种能够实现的方式中，所述气体空间4内填充有气体，以提高柔性振动电机的性能。62.作为一种实施方式，所述的气体为惰性气体。63.为更详细地阐述本技术的电机振动机理，下面以图4所示的柔性振动电机为例进行电机振动机理和效果描述。64.通过在电极阵列21的相邻电极之间施加控制信号，使得相邻电极之间产生电场排布，如图5所示。产生的电场排布可以诱导被动振动信号传递层1产生感应电荷分布，如图6所示。振动驱动层2通过感应电荷与电场的相互作用，向被动振动信号传递层1运动，并与被动振动信号传递层1接触，如图7所示。当振动驱动层2施加控制信号幅度为0时，感应电荷消失，振动驱动层2向下运动回到初始状态位置，如图8所示。通过改变振动驱动层2的控制信号，可以控制被动振动信号传递层1的振动模式，实现被动振动信号传递层1振幅与频率的变化，如图9所示，振动驱动层2的上下往复运动带动被动振动信号传递层1产生周期性振动。当手指接触被动振动信号传递层1时，如图10所示，被动振动信号传递层1对应振动模式传递到手指5的皮肤，进而使接触者产生触觉反馈。通过在1-1000hz范围内对振动驱动层2施加的控制信号进行变化，接触者可以感受到多种模式的触觉反馈信号。65.为验证本技术的柔性振动电机提供触觉反馈的功能，发明人将控制信号施加在本技术的柔性振动电机的电极阵列21，并在1-1000kz范围内逐渐调节所施加控制信号的频率，记录各频率下使用者的触觉反馈信号感受强度。以数字0-5度量使用者感受到的触觉反馈信号强度，该实验得出的使用者感受到的触觉反馈信号强度与控制信号关系图如图11所示。其中，“0”代表感受不到；“1”代表较难感受到；“2”代表可以感受到；“3”代表容易感受到；“4”代表感受较强烈；“5”代表感受很强烈。66.实验发现，随着控制信号频率的增加，使用者感受到的触觉反馈信号随之增加，大约在100hz到300hz达到感受最为强烈的区域，之后触觉反馈信号感受强度随着控制频率的增加而减小，大约在900到1000hz时触觉反馈信号感受强度减弱为“0”。采用触觉反馈信号感受强度可以反应本技术振动电机作为触觉反馈装置的性能，但不能完全反应装置的振动情况，比如不同的控制信号对应的触觉反馈信号感受强度可以相等，但是振动模式可能不同。比如5hz与400hz对应的触觉反馈信号感受强度均为“4”，但是振动模式可以展示出明显的区别，5hz控制信号对应的感受振动模式为拍打，而400hz控制信号对应的感受振动模式为震动。此外，人体皮肤的触觉感受器对振动频率的感知范围也是有限的。比如实验中在控制频率为1000hz时，实验员可以听到1000hz对应的由装置振动而发出的声音，但是皮肤却感受不到对应1000hz产生的振动触觉反馈。67.本实验样品采用的控制信号振幅为1kv，对应的触觉反馈信号感受强度也可以通过调节控制信号的振幅来实现。但是振幅强度被装置设计参数以及材料特性限制，如果太高会导致装置的电击穿。但是实验中发现，本技术的柔性振动电机对应的电击穿是暂时性的。实验中对本技术的柔性振动电机施加了高于其运行电压两倍的电压(2kv)，通电后本技术的柔性振动电机立即被击穿。但是在把电压降低到1kv后，本技术的柔性振动电机重新恢复运行能力。电击穿只是导致了本技术的柔性振动电机暂时的失效，而不是永久失效。同一个被电击穿的柔性振动电机在控制信号恢复到运行电压之后，可以继续保持运行能力。该特性可大大增强装置的容错性、鲁棒性和运行寿命。68.本发明还提供一种触觉反馈系统，包括多个如上任意一项能够实现的方式所述的提供触觉反馈的柔性振动电机，各所述柔性振动电机按预设规则以阵列方式布置。69.本发明还提供一种触觉反馈系统，包括如上任意一项能够实现的方式所述的提供触觉反馈的柔性振动电机，还包括控制单元；70.所述控制单元连接电极阵列21，用于向所述电极阵列21施加控制信号。71.本发明还提供一种电子设备，包括如上所述的触觉反馈系统。72.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。









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