procedimiento de fabricación

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una técnica para la fabricación de una matriz táctil optimizada para la transferencia táctil de información sin interferencias entre taxeles (taxel es un píxel táctil, un elemento táctil), de pequeño tamaño, fácilmente escalable en resolución (número de filas y columnas), flexible y baja complejidad de producción. i

La matriz táctil basada en elastómero y activada por el método y dispositivo descritos en la solicitud de patente internacional N° PCT/ES20 0/000019 se puede aplicar, por ejemplo, para generar imágenes visuales táctiles en un sistema visual táctil, como el sistema de visión táctil divulgado en la solicitud de patente española N ⁰ 200900991.

Antecedentes de la invención

Está recogido en la literatura técnica el desarrollo y aplicación de elastómeros dieléctricos para actuadores mecánicos [1].

Actualmente existen invenciones de matrices para aplicaciones parecidas al braille [3] o para uso en un dedo [5], donde o ,bien usan varas capas de elastómero para ser capaces de obtener actuaciones suficientemente intensas para notarlas, o métodos neumáticos combinados con elastómeros, todo ello bastante complicado, costoso y difícil de industrializar. Además ninguna de las invenciones conocidas resuelve el problema de las interferencias tanto mecánicas como eléctricas entre taxeles.

Referencias bibliográficas

[1] R. Pelrine, R. Kornbluh, Q. Pei, and J. Joseph, "High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Over 100% Strain", Science, Vol. 287, No. 5454, pp. 836-839, 2000.

[2] R. Kornbluh, R. Pelrine, Q. Pei, R. Heydt, S. Stanford, S. Oh, and J. Eckerle, "Electroelastomers: Applications of Dielectric Elastomer Transducers for Actuation, Generation and Smart Structures", Smart Structures and Materials 2002: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies, ed. A. McGowan, Proc. SPIE, Vol. 4698, pp. 254-270, 2002. [3] R. Heydt and S. Chhokar, "Refreshable Braille Display Based on Electroactive Polymers", Proc. 23rd Intl. Display Research Conf., Phoenix, Arizona, 15-18 September 2003.

[4] H. Prahlad et al., "Programmable Surface Deformation: Thickness-Mode Electroactive Polymer Actuators and their Applications", Proc. SPIE's Conference on Smart Structures and Materials, 5759, Vol. 102, 2005.

[5] lg Mo Koo et al., "Development of Soft-Actuator-Based Wearable Tactile Display", IEEE Transactions on Robotics, Vol. 24, No. 3, June 2008 Descripción de la invención

Basado en este principio de actuación mecánica, lo que aquí presentamos es un nuevo método para optimizar la transferencia de la energía mecánica producida en el núcleo del elastómero dieléctrico al punto externo de actuación mecánica, introduciendo al mismo tiempo aislamiento mecánico entre taxeles adyacentes. Esto se hace además, sin partes mecánicas móviles, que dificultarían el mantenimiento del dispositivo y encarecerían su fabricación, pudiendo considerarse esta técnica apta incluso para dispositivos desechables.

Esta optimización en transferencia de energía permite reducir el área de los actuadores individuales en la matriz consiguiendo así dispositivos con una densidad de taxeles en sintonía con la densidad de terminaciones nerviosas receptoras en la piel con fuerzas en cada uno de los actuadores que componen la matriz suficientes para la correcta percepción del estimulo deseado.

La matriz es direccionada por la selección de un elemento, como los píxeles para pantallas visuales o taxel para los actuadores, en la intersección de una determinada fila y columna. Multiplexado es el término aplicado a la división en el tiempo por el que los píxeles se excitan o se activan. Es objeto de la presente invención proporcionar un método de fabricación de una matriz pasiva de alta eficiencia en transferencia mecánica y alto aislamiento entre taxeles.

Un primer aspecto de la presente invención es un dispositivo de excitación táctil basado en elastómeros dieléctricos que comprende: .

- una matriz de elastómeros dieléctricos actuadores formada por:

• una matriz de electrodos superiores, preferiblemente circulares, conectados en filas;

• una matriz de electrodos inferiores, preferiblemente circulares, enfrentados a los electrodos superiores y conectados en columnas; y • una capa de elastómero dieléctrico situado entre la matriz de electrodos superiores y la matriz de electrodos inferiores;

- una capa pasiva superior e inferior, preferentemente de silicona, que respectivamente recubren superior e inferiormente la matriz de elastomeros dieléctricos actuadores;

- una placa de circuito impreso que dispone de una pluralidad de terminales eléctricos conectados eléctricamente con las filas y columnas de electrodos de la matriz de elastomeros dieléctricos actuadores;

- una matriz de pines actuadores parcialmente embebidos en una capa de soporte de pines, preferentemente de silicona, situada sobre la capa pasiva superior, estando la base de dichos pines actuadores enfrentados a los electrodos superiores y sobresaliendo la cabeza de dichos pines actuadores de la capa de soporte de pines.

En una realización preferida el dispositivo de excitación táctil comprende una matriz de soportes inferiores, preferentemente semiesféricos, dispuestos sobre la placa de circuito impreso y enfrentados a los electrodos inferiores, y están encargados de generar una compresión de la capa pasiva inferior en una zona de compresión sustancialmente centrada con respecto al electrodo inferior. ;

La conexión eléctrica de cada terminal eléctrico de la placa de circuito impreso con la fila o columna de electrodos se realiza preferiblemente a través de una terminación de conexión situada en un extremo de la fila o columna correspondiente.

Las capas pasivas están preferentemente dispuestas estiradas sobre la placa de circuito impreso.

En una realización preferente las filas de electrodos superiores y las columnas de electrodos inferiores están dispuestas perpendicularmente.

La base y la cabeza de los pines actuadores son preferentemente circulares, siendo el diámetro de la basé mayor que el diámetro de la cabeza. Cuanto más fino sea la cabeza del pin, más presión ejerce en la piel (para una misma fuerza de actuación del pin, la presión de éste en la piel es inversamente proporcional al diámetro del pin que ejerce la fuerza).

'

Otro aspecto de la presente invención es un procedimiento de fabricación de un dispositivo de excitación táctil basado en elastomeros dieléctricos. El procedimiento comprende: - Estirar una capa de elastómero dieléctrico (1 ), preferentemente hasta obtener un grosor menor de 20 ó 30 μητι. No hay un grosor máximo, aunque a mayor grosor mayor voltaje se necesita para producir el mismo resultado mecánico. Cuanto más finos sean los elastómeros, más sencilla es la electrónica empleada. El grosor del elastómero también influye en la respuesta mecánica, pero al ser las capas pasivas que se utilizan de materiales muy elásticos, estas capas pasivas son predominantes en la respuesta mecánica. Por ello, cuanto más fino sea el elastómero empleado, se obtendría un peor resultado mecánico pero eléctricamente sería mas ventajoso, siendo las capas pasivas las que facilitan la respuesta mecánica.

- Aplicar pasta conductora sobre la cara superior de la capa de elastómero dieléctrico para formar una matriz de electrodos superiores conectados en filas y sobre la cara inferior para formar una matriz de electrodos inferiores conectados en columnas, formando el conjunto una matriz de elastómeros dieléctricos actuadores.

- Depositar silicona sobre la parte superior de la matriz de elastómeros dieléctricos actuadores para formar una capa pasiva superior y sobre la parte inferior de la matriz de elastómeros dieléctricos actuadores para formar una capa pasiva inferior.

- Cubrir la parte pasiva superior con una capa de soporte de pines, compuesta de silicona y encargada de embeber parcialmente una matriz de pines actuadores cuyas bases quedan enfrentadas a los electrodos superiores y cuyas cabezas sobresalen de la capa de soporte de pines.

- Disponer sobre la capa pasiva inferior una placa de circuito impreso que. dispone de una pluralidad de terminales eléctricos.

- Conectar eléctricamente los terminales eléctricos con las filas y columnas de electrodos de la matriz de elastómeros dieléctricos actuadores.

En una realización preferente del procedimiento de fabricación, los pines actuadores son colocados sobre los electrodos superiores con anterioridad a la colocación dé la capa de soporte de pines.

Los pines actuadores están preferentemente embebidos en la capa de soporte de pines con anterioridad a la colocación de dicha capa de soporte de pines sobre la capa pasiva superior.

La placa de circuito impreso dispone preferentemente de una matriz de soportes inferiores dispuestos sobre dicha placa de forma que, una vez terminado el proceso de fabricación, quedan enfrentados a los electrodos inferiores generando una compresión de la capa pasiva inferior en una zona de compresión sustancialmente centrada con respecto al electrodo inferior. Esta placa inferior pude ser un circuito impreso en cuya fabricación se incluyen los círculos donde más tarde se puede depositar semiesferas de estaño de forma automatizada (soldadura por ola o aporte de estaño con esténcil). También podría ser un soporte plástico con la forma deseada incluyendo semiesferas y detrás de este plástico el circuito impreso de conexión.

La conexión eléctrica de cada terminal eléctrico de la placa de circuito impreso con la fila o columna de electrodos se realiza preferentemente a través de una terminación de conexión situada en un extremo de la fila o columna correspondiente.

Breve descripción de los dibujos

Una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que están expresamente relacionados con una realización de dicha invención, presentados como un ejemplo no limitativo del mismo, son brevemente descritos a continuación.

Las Figuras 1A y 1 B representan el principio de funcionamiento de un actuador de elastomero dieléctrico, de acuerdo a la técnica existente.

Las Figuras 2A y 2B muestran los elementos de elastomero dieléctrico en una disposición de matriz (matriz de elastomero).

Las Figuras 3A y 3B representan una sección lateral de la matriz de actuadores de elastómeros en 2D y en 3D, respectivamente.

La Figura 4 muestra con más detalle una sección lateral de la matriz de actuadores de elastómeros.

Descripción de una realización preferida de la invención

La invención se refiere a un método' para la optimización de transferencia de energía mecánica generada por medio de un elastomero dieléctrico.

El principio de funcionamiento de un elastomero dieléctrico actuador 3 se muestra en la Figura 1A y 1B. Cuando un alto voltaje continuo U se aplica entre ambas caras de una fina película de elastomero dieléctrico 1 , por medio de por un electrodo superior 2 y un electrodo inferior 2', se expande en la dirección del plano debido a la presión p en la dirección del espesor inducida por un campo eléctrico. Cuando desaparece el voltaje aplicado, la película de elastomero recupera la forma original. Este efecto se puede crear, por ejemplo, las sensaciones táctiles en una pequeña área de la superficie de la piel (la zona de aplicación) cuando la matriz de elastómero se aplica o fija a un cuerpo humano, preferentemente en una región sensible (por ejemplo, el abdomen o la parte inferior de !a espalda).

Suponiendo que el volumen permanece constante, la presión efectiva es la siguiente:

p =E,EoU/d

donde E _r caso es la permitividad relativa de los elastómeros, E ₀ = 8854 · 10 ² As/Vm es la permitividad en el vacío, U es el voltaje aplicado y d es el espesor de la película de elastómero en posición de reposo. La presión aumenta de forma cuadrática con el campo eléctrico y por lo tanto es la relación principal que regula la respuesta del actuador. Es importante señalar que el comportamiento de elastómero es el mismo independientemente del signo positivo o negativo de la tensión aplicada U.

El modelo eléctrico equivalente para un elemento elastómero es una configuración de condensador y resistencia en paralelo, en la que la capacitancia es e! resultado de dos electrodos aplicados sobre la película de elastómero, y la resistencia es la resistencia de pérdidas originada por la conductividad de la película de elastómero.

La técnica de modo grueso es una realización reciente de EPAM (Músculo Artificial de Polímero Electroactivo). En esta realización, se recubre la película de polímero "activo" con una capa pasiva más espesa, de modo que los cambios en el espesor del polímero durante la actuación de EPAM se transfieren, al menos parcialmente, a la capa pasiva. Esta capa pasiva puede considerarse como pasiva, en relación la película de polímero en cuanto a que no responde a la aplicación de un ' campo eléctrico cambiando de área ni de espesor como hace la capa de EPAM. Sin embargo, la capa pasiva se acopla a la película de EPAM de modo que los cambios de área y de espesor de la película de EPAM inducen fuerzas de cisión en la capa pasiva que cambian el espesor de esta capa. Por lo tanto, este cambio de espesor de ia capa pasiva puede utilizarse para ampliar, en términos absolutos, el desplazamiento producido por el cambio de espesor de la película de polímero EPAM. En la Figura 1A se muestra un diagrama esquemático de este tipo de dispositivo y de los resultados de la actuación del modo de cizalla. En la Figura 1 B se muestra EPAM durante la actuación del modo de cizalla, mostrando un diagrama esquemático de un dispositivo de modo de cizalla propuesto.

Para aplicaciones de transmisión táctil este esquema presenta varios problemas, como acoplamiento entre taxeles a través de la misma piel, transmisión débil de energía. Estos problemas que se pretende resolver con al presente invención, al tiempo que se potencia la transmisión mecánica de las deformaciones ejecutadas en el elastómero.

La Figura 2A muestra la disposición de los electrodos (2,2') en el elastómero dieléctrico 1 , en una disposición de la matriz (matriz de elastómero). La Figura 2B representa un detalle de la matriz de elastómero, en el cual se aprecian cómo los electrodos superiores (2) están conectados eléctricamente por filas (20) y los electrodos inferiores (2') están conectados eléctricamente por columnas (21). En la figura se aprecia que las filas (20) y las columnas (21 ) son perpendiculares; sin embargo, esto no es esencial, ya que podrían estar dispuestas formando cualquier ángulo (incluso paralelas), aunque para una mayor facilidad para la excitación de los electrodos es recomendable que sean perpendiculares. Los electrodos son preferentemente circulares, tal como se muestra en la Figura 2B, pero podrían adoptar otras formas (por ejemplo, cuadrada, romboidal, rectangular, etc.)

La estructura de la matriz de actuadores de elastómeros está representada en la Fig. 3A y 3B, donde se aprecian los distintos componentes en varias capas. La Figura 3A muestra una sección lateral en 2D, mientras que la Figura 3B representa una sección lateral en 3D. Cada uno de los elementos aquí descritos contribuye a una mejor actuación del taxel. Básicamente los elementos incorporados son:

Soporte inferior 4 con funciones de concentrador de actuación y. elemento de pre-tensado de las capas pasivas superior 8 e inferior 8'. El soporte inferior 4 es preferentemente semiesférico para que la tensión se reparta de forma uniforme y no produzca rupturas del material

Pines actuadores 5 embebidos en una capa de soporte de pines 6 para captura directa de la energía generada en el taxel por la base del pin 5a, la cual está en contacto con la capa pasiva superior 8, y para concentración de la presión ejercida en el extremo opuesto del pin (cabeza dei pin 5b) con un diámetro mucho menor que la base, por lo que la presión es aumentada en relación cuadrática respecto al ratio de diámetro base/cabeza pin. En una realización preferente se emplea una relación 1.8/0.6, siendo 0.6 mm el diámetro del pin en contacto con la piel y 1.8 mm el tamaño de la base del pin, menor que el diámetro del actuador que es de 2.5 mm. Todos estos parámetros se pueden modificar y optimizar basado en resultados experimentales y simulaciones. Placa, de circuito impreso 7 con funciones de soporte y de conexionado eléctrico.

Pre-tensado de las capas pasivas del elastómero dieléctrico en modo grueso. Se puede conseguir por varias técnicas, como realización a escala inferior o tensado por presión del soporte inferior 4 en la placa.

Empezando por la parte inferior tenemos una PCB, placa de circuito impreso 7, que sirve de soporte y sujeción del resto elementos, así como soporte para las conexiones eléctricas (terminales eléctricos 9) necesarias para la actuación de la matriz. Este PCB 7 puede ser muy fino, ofreciendo así flexibilidad al dispositivo final, lo cual es conveniente para una mejor adaptación a la parte del cuerpo con la que estará en contacto. Como se aprecia en la Figura 3B en los extremos de las filas y columnas de electrodos existe un pequeño volumen de pasta conductora (terminación de conexión 10), la misma usada para los electrodos, que sirve para conexionar la matriz de elastómero con el terminal eléctrico 9 en el PCB 7, mediante unos elementos de conexión 12. De esta manera las conexiones se pueden realizar una vez terminado el proceso de fabricación de la matriz, lo cual es muy conveniente para simplificar dicho proceso.

Sobre este PCB y localizados justo debajo de cada taxel tenemos un soporte inferior semiesférico 4 cuya función es concentrar la actuación del taxel en el centro de éste. Este apoyo en forma semiesférica cumple una segunda función, la de pre-tensar las capas pasivas (8,8') de silicona del elastómero en modo grueso, consiguiendo con este pre-estiramiento una respuesta de actuación más intensa, ya que esta actuación no solo depende de la fuerza que sea capaz de generar el taxel en sí, sino de parte de esta fuerza que la capa pasiva es capaz de transmitir. Como se aprecia en la Figura 3A, si partimos de una elastómero con una capa pasiva inferior 8' uniforme, al colocarlo contra la placa base 7 con las semiesferas debajo de los taxeles, se produce una compresión de la capa pasiva en unos puntos o zonas de compresión 11 centrados debajo del taxel, lo que equivale a un estiramiento de la silicona sobre la semiesfera produciendo una tensión en estado de reposo que ayuda a mejorar la intensidad y rapidez de la respuesta mecánica del taxel. Otros métodos de pre- estiramiento pueden ser la elaboración de la matriz a una escala inferior para mediante un estirado adherirla a la placa base en escala original. Las semiesferas inferiores 4 ayudan a canalizar y concentrar la energía en el punto central del pin. En la parte superior del elastómero se encuentran la otra parte del dispositivo potenciador, formado por un pin embebido 5. La cabeza del pin debe estar lo suficientemente cerca del foco de actuación para que capture la mayor parte de la energía generada. Este pin 5 captura y canaliza la energía del actuador para llevarla al extremo exterior en contacto con la piel. Con la idea de minimizar los componentes mecánicos y simplificar el proceso de fabricación de la matriz, estos pines quedan sujetos por una capa adicional de silicona, capa de soporte de pines 6, que los mantiene en contacto con la capa pasiva superior 8 del elastómero en todo momento. Las proporciones entre el diámetro de los electrodos (2,2') del actuador, el grosor de las capas pasivas superior 8 (distancia del pin 5 al actuador) e inferior 8' y la altura del soporte inferior semiesférico 4 determinarán los parámetros del comportamiento de la respuesta del taxel, habiendo de buscar un compromiso en función del parámetro a optimizar, como desplazamiento vertical, fuerza de actuación, tiempo de respuesta, etc.

Si bien en un actuador en modo grueso la deformación en la capa pasiva de silicona es mayor a mayor grosor de esta capa para aproximaciones donde el diámetro de! actuador es mucho mayor que el grosor de la capa, también es cierto que la energía se expande en forma esférica dentro del núcleo de silicona (conjunto de elastómero en modo grueso) de modo que la energía por unidad de superficie es menor a medida que nos alejamos del foco de actuación (en proporción cubica), de aquí el compromiso entre grosor de la capa pasiva sobre la que descansa la cabeza del pin para obtener resultado óptimos de actuación en el pin por la energía captada por éste.

Al quedar el actuador taxel comprendido entre el soporte inferior 4, sujeto a la placa 7 de soporte común y el propio pin 5, toda la actuación mecánica queda trasladada al pin actuador 5. ^

La relación entre los grosores de las capas pasivas (8,8') repercute en las propiedades de actuación del pin y del aislamiento entre pines 5 adyacentes. Por un lado a mayor grosor mayor desplazamiento vertical en un modelo donde el diámetro del pin 5 es mucho mayor que el grosor de la capa pasiva 8. A medida que el diámetro es comparable al grosor de la capa pasiva este desplazamiento vertical disminuye debido a la deformación del volumen total de la capa pasiva.- En una realización preferida se emplean diámetros de actuadores de unos 2,5mm para permitir una distancia de 3mm entre actuadores, la capa pasiva inferior 8' es de 1 mm de grosor, la capa pasiva superior 8 sobre la que descansa el pin 5 es de 0,5mm de grosor y la capa de soporte de pines 6 es de otros 0,5 a 0,7mm de grosor. El diámetro de la cabeza del pin es de 1,8mm y la punta de 0,6mm. Sin embargo, distintas medidas se podrían emplear.

El proceso de fabricación del dispositivo empieza con el estiramiento' del elastómero hasta dejarlo en 20um de grosor, -aplicación de los electrodos (2,2') mediante máscara y deposición de pasta conductora. Posteriormente se deposita la silicona para formar las dos capas pasivas, la inferior 8' de 1 mm de grosor y la superior de 0,5mm de grosor.

En este punto se realiza la conexión del PCB a cada una de las terminaciones en el elastómero mediante la inserción de un hilo conductor fino, el elemento de conexión 12, (del orden de 0,1 mm de diámetro) (que atraviesa en perpendicular las capas pasivas y el elastómero en el punto de conexión preparado para ello (terminación de conexión 10), atravesando también el orificio en el PCB que existe en cada terminal eléctrico (9). El hilo será soldado en la parte posterior del PCB y cortado justo por encima de la capa pasiva (8) de modo que al añadir la capa de soporte de pines 6 las conexiones quedan cubiertas y eléctricamente aisladas.

A continuación de colocan los pines 5 sobre cada uno de los electrodos superiores 2 y se cubren con la última capa de silicona de 0,5 a 0,7mm de espesor, la capa de soporte de pines 6.

Este último paso también se puede realizar por separado, fabricando una alfombrilla de 0,5 a 0,7mm de espesor con los pines embebidos, para posterior adhesión de esta alfombrilla sobre el resto de la matriz-actuador, simplificando el proceso de fabricación.

Aunque están descritas como dos capas en el proceso de fabricación, la capa de soporte de pines 6 y la capa pasiva superior 8 una vez terminadas están fundidas y forman una sola con ios pines 5 embebidos.

En el proceso de fabricación la capa de elastómero dieléctrico (1 ) siempre esta estirada. Además, y de manera opcional, se pueden estirar las capas pasivas (8,8') para mejorar la transmisión de la presión.

REIVINDICACIONES