TWI573063B - Tactile sensing device - Google Patents

Description

觸覺感測裝置

本發明係關於一種感測裝置，且特別關於一種觸覺感測裝置。

碰觸感測器是一種感測元件或是系統，例如是觸覺感測器。觸覺感測器的功用例如在於模仿生物皮膚上的觸覺。藉由感測器與待測物體的直接接觸，所產生的物理效應，可以測得接觸時的狀態與待測物體表面的物理性質，例如接觸時的作用力或壓力的大小與在空間上的分佈。物理性質又例如是待測物體的位置、待測物體的形狀、物體表面的紋路質地，溫度、硬/軟度或濕度等特性。

單一的碰觸感測器可以用來做為開關。另外，若是二維的碰觸感測器就可以得到觸覺影像 (tactile image)。因此，碰觸感測器的應用領域非常地廣泛，例如在機器人上，碰觸感測器是控制機器人的動作，例如抓取物體，是運動時不可缺少的感測器。在資訊電腦領域方面，碰觸感測器結合顯示器，以用來做為觸控輸入裝置，目前已廣泛地應用於平板電腦(Tablet PC)或是個人數位助理(Personal Digital Assistant,PDA)上的觸控面板。此外，碰觸感測器也可以做為指紋辨識等用途。目前高解析度的碰觸感測器，如第1圖所示，主要是利用超音波感測器10搭配一不能太薄的緩衝層12，來達到保護作為壓力感測元件的超音波感測器10的目的，但若欲同時達到高解析力的壓力感測，此緩衝層12的厚度不能過厚，因為緩衝層12過厚會造成超音波感測器10收不到超音波被反射回來的訊號，亦達不到觸覺感測的效果。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種觸覺感測裝置，以解決習知所產生的問題。

本發明的主要目的，在於提供一種觸覺感測裝置，其係於超音波感測器上設有高低位差的緩衝結構，以達到具有保護元件及高解析力的能力，進而應用於機械人手指觸覺功能上。

為達上述目的，本發明提供一種觸覺感測裝置，其係包含一超音波感測器、複數個觸覺緩衝結構與複數個可壓縮式緩衝結構。超音波感測器具有一表面，例如為平面，此表面具有複數個第一單元與複數個第二單元，複數個第一單元與複數個第二單元呈交替式排列。複數個觸覺緩衝結構分別位於複數個第一單元上，複數個可壓縮式緩衝結構分別位於複數個第二單元上，每一觸覺緩衝結構與其相鄰之可壓縮式緩衝結構相間隔，且複數個可壓縮式緩衝結構之厚度大於複數個觸覺緩衝結構之厚度。在複數個可壓縮式緩衝結構與複數個觸覺緩衝結構接受外力時，複數個可壓縮式緩衝結構之厚度小於或等於複數個觸覺緩衝結構之厚度。

超音波感測器更包含一基板、一電極層與一壓電層，電極層設於基板上，壓電層設於電極層上，壓電層具有上述表面。

複數個觸覺緩衝結構之材質為有機材料、無機材料或有機無機混成材料。

複數個可壓縮式緩衝結構之材質為有機材料、無機材料或有機無機混成材料。

複數個觸覺緩衝結構與複數個可壓縮式緩衝結構之材質為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)。

複數個第一單元與複數個第二單元呈棋盤式排列。

觸覺緩衝結構之面積大於或等於壓縮式緩衝結構之面積。

複數個觸覺緩衝結構在上述表面佔有之面積密度大於或等於壓縮式緩衝結構。

複數個可壓縮式緩衝結構之厚度大於複數個觸覺緩衝結構之厚度時，複數個可壓縮式緩衝結構之厚度大於或等於3厘米。

複數個可壓縮式緩衝結構之厚度大於複數個觸覺緩衝結構之厚度時，複數個觸覺緩衝結構之厚度小於5厘米。

觸覺緩衝結構為可壓縮式材質。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

目前觸覺感測器應用層面相當廣泛，除了可應用於機械手臂外，在生醫方面，若將觸覺感測器置於義肢的表面，當使用者碰觸物體時，則可得到近似於人體皮膚觸摸般的觸覺。觸覺感測器也可以應用於足部感測，當使用者站在觸覺感測器上時，根據受力分佈及受力大小就可以確切得知腳掌形狀、重心位置等。而為了因應工業界、娛樂或生醫環境中多變的彎曲表面，甚至要將觸覺感測器應用於軟性顯示器上，則元件尚有可撓曲及透明度的要求。本發明所介紹的觸覺感測裝置，除了能應用於機械人手指觸覺功能外，亦可應用於其他如工業、娛樂或生醫的領域中。

首先介紹本發明之第一實施例，請參閱第2(a)圖。本發明之觸覺感測裝置包含一超音波感測器14、複數個觸覺緩衝結構16與複數個可壓縮式緩衝結構18，觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18之材質可相同亦可相異。觸覺緩衝結構16之材質為有機材料、無機材料、有機無機混成材料或可壓縮式材質，例如為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)。可壓縮式緩衝結構18之材質為有機材料、無機材料或有機無機混成材料，例如為聚二甲基矽氧烷。超音波感測器14具有一表面，例如為一平面，此表面具有呈交替式排列之所有第一單元與所有第二單元，所有觸覺緩衝結構16分別位於所有第一單元上，所有可壓縮式緩衝結構18分別位於所有第二單元上。由於所有第一單元與所有第二單元呈交替式排列，故所有觸覺緩衝結構16與所有可壓縮式緩衝結構18亦呈交替式排列。此外，此交替式排列亦可以棋盤式排列呈現。且由於可壓縮式緩衝結構18在被施加外力時會產生形變，故每一觸覺緩衝結構16需與其相鄰之可壓縮式緩衝結構18相間隔。

本發明之第一實施例在尺寸上之設計中，觸覺緩衝結構16之面積大於或等於壓縮式緩衝結構18之面積，所有觸覺緩衝結構16在超音波感測器14之表面佔有之面積密度大於或等於所有壓縮式緩衝結構18在超音波感測器14之表面佔有之面積密度。在所有觸覺緩衝結構16與所有可壓縮式緩衝結構18未被施加外力時，所有可壓縮式緩衝結構18之厚度H2大於所有觸覺緩衝結構16之厚度H1，在實際製作上，所有可壓縮式緩衝結構18之厚度H2大於或等於3厘米，所有觸覺緩衝結構16之厚度H1則小於5厘米。因為觸覺緩衝結構16之厚度比較薄，保護能力較弱，所以設置更厚之可壓縮式緩衝結構18，以強化保護能力，但可壓縮式緩衝結構18並不是愈厚愈好，厚度太厚時，超音波之信號傳輸靈敏度會受影響，即可能會收不到超音波訊號。

當所有觸覺緩衝結構16與所有可壓縮式緩衝結構18接受如按壓力之外力時，如第2(b)圖所示，所有可壓縮式緩衝結構18之厚度H4小於或等於所有觸覺緩衝結構16之厚度H3。本發明為了避免收不到超音波訊號，將觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18設計成厚度相異型態，只有觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18齊平時，超音波感測器14才能收到訊號。換句話說，本發明未被按壓時，厚度較厚之可壓縮式緩衝結構18提供極佳之保護作用，按壓後，觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18之厚度相同，信號傳輸就不受影響，達到高解析力之壓力感測，同時按壓力也得到平均。

以下介紹本發明之第二實施例，請參閱第3(a)圖。本發明之觸覺感測裝置包含一超音波感測器14、複數個觸覺緩衝結構16與複數個可壓縮式緩衝結構18。超音波感測器14更包含一基板20、一電極層22與一壓電層24，電極層22設於基板20上，壓電層24設於電極層22上，壓電層24具有上述表面。當電極層22對壓電層24施加電壓時，壓電層24根據壓電效應會產生振動，進而影響周邊空氣產生超音波。當超音波被反射回來，並入射至壓電層24時，根據壓電效應，壓電層24因受振動而產生電壓，以供電極層22接收。觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18之材質可相同亦可相異。觸覺緩衝結構16之材質為有機材料、無機材料、有機無機混成材料或可壓縮式材質，例如為聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)。可壓縮式緩衝結構18之材質為有機材料、無機材料或有機無機混成材料，例如為聚二甲基矽氧烷。超音波感測器14具有一表面，例如為一平面，此表面具有呈交替式排列之所有第一單元與所有第二單元，所有觸覺緩衝結構16分別位於所有第一單元上，所有可壓縮式緩衝結構18分別位於所有第二單元上。由於所有第一單元與所有第二單元呈交替式排列，故所有觸覺緩衝結構16與所有可壓縮式緩衝結構18亦呈交替式排列。此外，此交替式排列亦可以棋盤式排列呈現。且由於可壓縮式緩衝結構18在被施加外力時會產生形變，故每一觸覺緩衝結構16需與其相鄰之可壓縮式緩衝結構18相間隔。

本發明之第二實施例在尺寸上之設計中，觸覺緩衝結構16之面積大於或等於壓縮式緩衝結構18之面積，所有觸覺緩衝結構16在超音波感測器14之表面佔有之面積密度大於或等於所有壓縮式緩衝結構18在超音波感測器14之表面佔有之面積密度。在所有觸覺緩衝結構16與所有可壓縮式緩衝結構18未被施加外力時，所有可壓縮式緩衝結構18之厚度H2大於所有觸覺緩衝結構16之厚度H1，在實際製作上，所有可壓縮式緩衝結構18之厚度H2大於或等於3厘米，所有觸覺緩衝結構16之厚度H1則小於5厘米。因為觸覺緩衝結構16之厚度比較薄，保護能力較弱，所以設置更厚的可壓縮式緩衝結構18，以強化保護能力，但可壓縮式緩衝結構18並不是愈厚愈好，厚度太厚時，超音波之信號傳輸靈敏度會受影響，即可能會收不到超音波訊號。

當所有觸覺緩衝結構16與所有可壓縮式緩衝結構18接受如按壓力之外力時，如第3(b)圖所示，所有可壓縮式緩衝結構18之厚度H4小於或等於所有觸覺緩衝結構16之厚度H3。本發明為了避免收不到超音波訊號，將觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18設計成厚度相異型態，只有觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18齊平時，超音波感測器14才能收到訊號。換句話說，本發明未被按壓時，厚度較厚之可壓縮式緩衝結構18提供極佳之保護作用，按壓後，觸覺緩衝結構16與可壓縮式緩衝結構18之厚度相同，信號傳輸就不受影響，達到高解析力之壓力感測，同時按壓力也得到平均。

綜上所述，本發明於超音波感測器上安裝具有不同厚度之緩衝結構，以得到兼具保護能力與高解析力之觸覺感測裝置，並將其應用於機械人手指觸覺功能上，使機械人手指在不會損壞之前提下，達到高靈敏感測之能力。

10‧‧‧超音波感測器
12‧‧‧緩衝層
14‧‧‧超音波感測器
16‧‧‧觸覺緩衝結構
18‧‧‧可壓縮式緩衝結構
20‧‧‧基板
22‧‧‧電極層
24‧‧‧壓電層

第1圖為先前技術之碰觸感測器之結構示意圖。 第2(a)圖為本發明之第一實施例於未被施加外力時之結構示意圖。 第2(b)圖為本發明之第一實施例於被施加外力時之結構示意圖。 第3(a)圖為本發明之第二實施例於未被施加外力時之結構示意圖。 第3(b)圖為本發明之第二實施例於被施加外力時之結構示意圖。

14‧‧‧超音波感測器

16‧‧‧觸覺緩衝結構

18‧‧‧可壓縮式緩衝結構

Claims (11)

1. 一種觸覺感測裝置，包含：一超音波感測器，其係具有一表面，該表面具有複數個第一單元與複數個第二單元，該些第一單元與該些第二單元呈交替式排列；複數個觸覺緩衝結構，其係分別位於該些第一單元上；以及複數個可壓縮式緩衝結構，其係分別位於該些第二單元上，每一該觸覺緩衝結構與其相鄰之該可壓縮式緩衝結構相間隔，且該些可壓縮式緩衝結構之厚度大於該些觸覺緩衝結構之厚度，在該些可壓縮式緩衝結構與該些觸覺緩衝結構接受外力時，該些可壓縮式緩衝結構之厚度小於或等於該些觸覺緩衝結構之厚度。
2. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該超音波感測器更包含：一基板；一電極層，其係設於該基板上；以及一壓電層，其係設於該電極層上，該壓電層具有該表面。
3. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些觸覺緩衝結構之材質為有機材料、無機材料或有機無機混成材料。
4. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些可壓縮式緩衝結構之材質為有機材料、無機材料或有機無機混成材料。
5. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些觸覺緩衝結構之材質為聚二甲基矽氧烷，該些可壓縮式緩衝結構之材質為聚二甲基矽氧烷。
6. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些第一單元與該些第二單元呈棋盤式排列。
7. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該觸覺緩衝結構之面積大於或等於該壓縮式緩衝結構之面積。
8. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些觸覺緩衝結構在該表面佔有之面積密度大於或等於該些可壓縮式緩衝結構。
9. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些可壓縮式緩衝結構之厚度大於該複數個觸覺緩衝結構之厚度時，該些可壓縮式緩衝結構之厚度大於或等於3厘米。
10. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該些可壓縮式緩衝結構之厚度大於該些觸覺緩衝結構之厚度時，該些觸覺緩衝結構之厚度小於5厘米。
11. 如請求項1所述之觸覺感測裝置，其中該觸覺緩衝結構為可壓縮式材質。