CN110869885B - 触觉显示器以及相关的用途和*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种触觉显示器，触觉显示器具有带有极轮廓的磁双稳态轴对称线性致动器和开关矩阵，并且涉及一种具有触觉显示器的光学触觉助视器。通过电磁致动器可以实现简单机械设计的便宜的双稳态电磁线性驱动单元，致动器的杆由具有非常高矫顽力的材料组成，即不能改变其极性，杆由硬磁套筒轴向包围，硬磁套筒最多具有相同长度和具有相当低的矫顽力，即可以改变其极性，并且杆可在轴向方向自由移动，并且杆的致动距离由与硬磁套筒的长度相比杆的超出长度限定，使得副磁极形成在杆的一个端部处，以及平面主磁极形成在相对端部处。本发明属于触觉显示器和光学触觉助视器领域。

Description

触觉显示器以及相关的用途和***
技术领域
本发明涉及触觉显示器。本发明还涉及将触觉显示器用于直观可用的光学触觉助视器来代替人的视力的用途。本发明还涉及由光学触觉助视器和触觉显示器构成的***。
背景技术
一直以来，大家熟知的是为视力受损的人群从计算机(PC)输出数据的触觉显示器(盲文线)。随着图形用户界面(例如，“视窗”操作***)引入个人电脑以及面向屏幕的操作***和图形用户软件的日益普及，视觉受损者对基于触觉的新型图形显示的需求也随之增加。这里，例如，在可与DIN A4相比的扫描表面上提供了200x400的触觉销的矩阵。因此，销驱动所需的致动器必须按区域进行对准。特别是随着移动信息技术装置(笔记本电脑、膝上型电脑、智能手机或智能手表)越来越多，还特别要注意显示单元的结构高度尽可能低，并同时实现最小的能量需求。特别地，需要提供具有大量单独销(例如，200×400)的大面积触觉显示装置。特别是对于纯图形输出，与用于文本符号表示的盲文单元相比(8个销，距离＝每个符号2.5mm，各个符号之间具有附加横向间距)，附加地需要最大2.0mm的销间距代表了更高的要求。
基于使用触觉盲文线时复杂的边界条件，用于销的压电驱动器已经投放市场。通常用作弯曲元件的非常昂贵的陶瓷致动器需要附加的机械力偏转，以便实现完全垂直于扫描表面运行的销移动。结合致动器控制所需的高电压，到目前为止价格到了相当高的水平，特别是在表面显示器方面。最近对触觉表面显示器(7600个销)价格的估计接近非常好领薪的雇员的年薪的数量级。
现有压电模块的机械、电气和经济缺点也导致这样一个事实，即到目前为止，盲人在整个自助服务领域没有“无障碍设计”。对于带有图形路线表示的售票机、饮料机或货币/银行机，盲人可能没有机会自主使用这些装置，因为通常这些装置没有安装适合他的触觉输出介质。
结合通过感觉手指进行可靠的扫描操作所需的最小力(例如：0.3N)，小的销间距是基本性的问题，因为在考虑触觉销附近的所有轴向致动器类型的情况下，必须附接足够量的功能材料-在这种情况下，例如在磁性致动器，尤其是具有大量绕线的线圈的情况下。因此，由于空间原因，触觉显示器的所有轴向致动器在平面(平行于触觉销的平面)中简单对准是不可能的。
当然，紧密屏蔽的问题也出现在致动器的常规电致动。特别是在压电应用的情况下，这尤其重要，因为使用了高压电气模块。最后，在所有致动器类型的情况下，将提供用于容纳正常集成电路(IC)的相当大的面积。这通常是通过将集成电路横向附接到致动器表面旁边来实现的，也就是说，使显示器整体上不太紧凑。
考虑到触觉显示器的当前市场状况，可以将重心放在压电陶瓷致动器上进行以下观察。这项技术目前仍然代表着这一领域的最新技术，例如对“超盲文”项目的预研究(联邦经济技术部报告，10115柏林，2010年4月，www.bmwi.de)。
对于大面积显示器，致动器必须排列成彼此非常靠近。在压电解决方案的情况下，通过例如多个电路板的复杂堆叠技术，这会导致相当可观的整体高度，这使得尤其对于移动应用而言，压电技术不是最优的——至少出于安全方面以及与控制实际弯曲元件所需的高压(>100V)有关的考虑。
特别是在每种压电解决方案中，缺点在于只能通过永久电气控制来实现至少一个稳定的销位置(“向上”或“向下”)。在整个显示器的节能“关闭”状态下，因此不能确保数据的有效显示。
多种触觉显示器使用压电致动器，所述压电致动器与它们所有的缺点相关(昂贵的价格、大的结构高度、永久高压、用于力传递的机械附加装置)，例如在DE 103 49 100A1中针对10个销的表面模块所描述的。在DE 103 49 100A1中通过多个单独板的复杂堆叠方法解决了在平板显示器中使用压电致动器时的问题，特别是机械和电气需求。当与触觉销结合使用时，需要这样的致动器，使得清楚地限定相应的“向上”和“向下”位置，并提供足够的保持力(例如，400mN)。同样地，DE 103 49 100A1提供了一种压电表面解决方案，但是使用附加的机械元件(切换杠杆传动)同样增加了确保销的明确清晰的触觉“向上”或“向下”状态的基本困难。仅机械力传输装置就在几何上占据了相当大的空间，总线***中控制集成电路和***式连接器的物理容纳导致整体高度在竖向方向上再次增加。
DE 10 201 0 005 933A1同样示出了这个问题：在这里，附加于在销的复位中使用楔形齿轮，它甚至是与重力有关的，在移动应用的背景下，重力会导致关于数据显示的正确性的问题。
US 2010/0085168 A1提供了线性致动器的平面布置，即平行于销平面的各个压电元件的平面布置，然而，明确地提及了线性压电致动器，其完全遗漏如何能够在技术上实现大约0.7毫米的相当可观的必要触觉行程。已从图示(1)中清晰地看到难以获得较小的销间距(小于2.5毫米)。在US 2010/0085168 A1中，没有提及如何能够结合压电部件的尺寸设计实现所需的最小力。
在DE 10 200 7 022 056A1中，尝试在现实条件下(关于压电致动器的力和空间尺寸)实现平面显示器。然而，需要多个电路板，其中仅使用一个边缘区域来容纳压电致动器。整个显示器的组装是复杂的，并且导致装置的构造高度例如对于移动应用而言是不可接受的。
DE 198 27 666A1公开了一种配备有磁性致动器的表面显示器，特别是用于移动解决方案的显示投影，其中，附加于压电致动器，还提到了电磁致动器，然而，这里，通过机械地移位的附加控制托架，仅逐行进行销的控制。图示的磁性版本还包括多个附加的机械锁扣和杠杆装置。因此，在这里通过磁性致动器将销从机械移动的控制托架仅逐行移出至“向上”或“向下”位置来解决驱动线圈的高空间要求的问题。此处完全没有给出销的快速电气个体寻址，电气个体寻址对图形电脑应用是绝对必要的。
DE 10 201 4 011 326A1描述了一种基本类似的程序。同样，在这种情况下，不能单独寻址触觉表面显示器的位置，并且存在大量的机械引导、保持和支撑元件来实现触觉销的稳定的向上/向下位置。在说明书中，迄今为止尚未解决的在触觉环境(典型的网格大约为2.5毫米)中使用电磁铁仍是突出的问题。对于紧凑的甚至是移动的触觉表面显示装置，所提出的解决方案同样不合适。
美国专利No.4,259,653A1描述了一种具有永磁体的双稳态线性致动器。然而，对于触觉应用很重要的“向上”位置在这里是最不稳定的(***的最低力)，当线圈断电时，***立即落入“向下位置”，并且最重要的是，在显示器的“关闭”状态下数据的可靠表示不再是可能的。
同样，US 4,831,372 A中描述的磁致动信息显示装置原则上是电磁双稳态的，然而，这里没有任何力被传递到外部；只有在封闭光学显示单元的内部，中间壁发生了移位。这里也需要大量的附加引导和端部止动元件。信息显示装置包括刚性永久磁化显示部分，所述部分可移动地安装在非磁性室内，所述非磁性室具有透明观察窗口并且包含颜色与显示装置的颜色形成对比的不透明流体。能够选择性磁化附接在室背面的芯，以根据芯的选定磁极性排斥或吸引显示部分。芯对显示部分的排斥使显示部分朝向透明窗口移动，其中当不透明流体移位离开透明窗口时，通过所述窗口可以看到显示部分的颜色。芯对显示部分的吸引使显示部分移动远离透明窗口，从而使显示部分移动远离透明窗口，即不透明流体影响显示部分的观看。在这个位置，通过透明窗口可以看到不透明液体的颜色。通过作用在永久磁化显示部分上的芯中的剩磁来实现磁致动信息显示装置的双稳态。最小化必须施加的能量的持续时间和量级以启动信息显示的改变，可以将多个显示装置组合成阵列，以形成其中显示图像分辨率提高的显示场。
US 3,755,766和US 4,072,918中也描述了磁性线性致动器。在这里通过附加的弹簧***来解决稳定的端部位置问题。然而，这些弹簧阻止了***对控制信号(相反方向)的快速响应，削弱了“向上保持力”，并使结构更加复杂。为了解决力的问题，还需要软磁通量传导装置，结果致动器既不紧凑且生产也不便宜。
特别是对于盲文符号的移动触觉显示器，在EP 0925570 B1中描述了一种微型电磁体。这里的特征还在于，必须为线圈的至少一个端部位置提供永久能量，并且还必须为使用的复位板簧和O形环提供永久能量。
在US 5,466,154 A中，在盲文板具有可移动点销的情况下，示出了先前电磁解决方案的持续通电时间和可获得的触觉力(这里只有50mN)的问题。在这里提出的盲文板的解决方案的情况下其具有微处理器和多个固态开关芯片，其中为了翻译字母数字信息，在微处理器和芯片控制器的控制下选择性地致动致动器中的每个致动器，或者通过空气线圈移动硬磁杆，或者在没有进一步的磁规范的情况下使用具有场增强铁芯的空气线圈，也就是说，完全正常的“导铁”。在“向上位置”的情况下，需要永久通电，因此当电流施加到10mA时，最大力达到50mN。该方法基于10000个销的触觉表面显示器，然后平均而言，其中5000个部分将必须被永久地供应电流，即使对于50mN的此低力也要50A的电流需量。这特别解释了为什么压电技术的使用决定了现有技术的水平。
DE 102 60 668A1具有板状电枢，但也使用附加弹簧以实现“向上”位置。
DE 102 34 863A1描述了一种带有触觉反馈的电磁按钮。这里，为了硬磁内芯的移动和端部位置固定，除了线圈通电的持续时间之外，还需要附加的弹簧元件。
EP 1 681 687 B1的主要方法是磁性复合材料的高度复杂的开发、生产和使用，其用于优化随这些新材料的微/纳米磁性结构变化的外部场特性。尽管此发明的支出相当大(甚至根本无法检测其成本相关序列)，所呈现的实施例示出了双稳态线性致动器单元，其具有两种不同矫顽力的硬磁性材料以用于具有现有技术已知缺点的“盲文应用”的特殊情况。这里，一个接一个地排列(至少)两个可移动的硬磁性主体。在文中没有明确定义“向上”和“向下”位置，这在重点解释悬浮技术应用的装置时没有起到重要作用，但是对于触觉应用是必不可少的。此外，清楚地表明，为了保持“向上”位置，需要流动通过附加移动的励磁线圈的永久电流。
所有提出的电磁解决方案的共同之处在于，没有基于触觉表面显示器的特殊要求做出极形状的几何配置细节(例如轮廓或纵横比)。此外，也通过“记忆金属”讨论了解决方案(例如，参见Haga、Makishi等人，传感器和致动器A，第119卷，2005年4月13日，第316-322页)。然而，这些配置的时间响应不能满足快速寻址的要求。
对于盲文文字显示器和图形表面显示器中紧密定位的触觉销，应当提供机械结构简单且便宜的双稳态电磁线性驱动单元，其中机械地明确定义“向上”和“向下”位置。这是为了在没有额外的保持、杠杆和阻尼装置的情况下进行，并且允许后面的整个显示器具有较小的整体高度。特别是“向上”位置的保持力和保持位置可通过简单的设计措施根据触觉要求相应地进行调节。特别是对于移动应用，致动器应该特别节能，并且即使在整个装置的“关闭”状态下，也保持上一个计算机数据的正确表示。对于图形内容的大面积表示，必须确保各个致动器的无限窄(＝网格间距小于或等于2.5毫米)平面排列。必须最小化各个致动器之间的干扰和耦合。
此种计算机显示器的琐细边界条件当然是触觉销的快速个体寻址可能性(类似于“随机存取存储器”)。此外，在这种情况下，以此方式定位多个销是可能的，这些销将以预定的窄网格间距在大面积上竖向移动，尽管单个驱动单元的横向尺寸明显超过实际的销网格尺寸，但是可以实现销的期望的窄网格间距。必须以显示器的最小总高度来实现致动器的机械力传输和供电。
随着面向屏幕的操作***和图形用户软件的日益普及，需要提供具有大量单独销(例如，200×400)的大面积触觉显示装置。由于单独销的数量很大，因此单独触觉销的完美功能是长时间使用的先决条件，从而保证显示器作为整体实现令人满意的功能。因此，仅从误差统计的角度来看，就显著增加了对单个销功能可靠性的要求。
缺乏鲁棒性和较短的服务间隔也是之前在公共空间很难找到触觉显示器的重要原因。就目前而言，对于盲人几乎没有“无障碍设计”，例如，在整个自助服务区，无论是售票机、饮料机还是货币/银行机：盲人都没有机会自主使用这些装置，因为通常根本没有已安装合适的阅读器。
完全独立于所使用的致动器的类型为终端用户提供显示器的易读性，也就是说尽可能高的最小致动力(例如，0.3N)用于通过感觉手指进行可靠的扫描操作，并且最重要的是前景中整个装置的可靠性。然而，干扰的主要来源是污染，其仅来源于阅读期间或输入过程中触觉操作的性质：在使用显示器时由人直接引入脂肪、皮肤颗粒、毛发和汗液。灰尘、湿气和显示器由液体润湿也会或早或晚导致维护。
如DE 101 27 039B4中所述，一种减少外部影响的方法是通过将膜应用于触觉传感器表面。这里的缺点是触觉销相对于显示器平面的高度不太明显，也就是说，触觉信息的读取因此变得更加麻烦和不太可靠。由于这个原因，显示器盖还未投入使用。
覆盖显示器顶面的替代方法是将单个销密封在其引导件中，例如在DE 103 06230B4中所述。这种方法对于致动器通常较低的致动力是极为重要的。此外，这使得单元的结构更加复杂，并且实现单个销的简单移除(在理想情况下由视力受损的最终用户自己进行)在所示实施例的情况下是不可能的。
为了能够消除销区域的污染问题，最终用户通常必须将整个触觉显示器发送给制造商以进行清洁。因此，DE 37 06 286 A1提出了一种具有完全可更换的读取销单元的显示器，可以从压电致动器部分整体分离读取销单元。以这种方式，在维护的情况下，致动器部分可以保留在最终用户处，然而，其仅能够通过待购买的额外完整的备用销单元来进一步操作显示器。这里的缺点是即使在只有单个销发生故障的情况下，也必须移除整个销单元，因为销本身结合在它们的单元中使得它们不能被移除，也就是说，它们不容易被最终用户本身拆卸，并且购买备用销单元自然会导致附加的成本。为了确保致动器和实际触觉销之间的力耦合，以及为了实现完整销单元的替换，保持磁体附接到读取销的下侧，所述保持磁体提供与致动器的自由端部上的铁磁材料相互作用。除了在显示器制造中的额外的材料支出和复杂的精密工程组装工作之外，通过磁性材料的这种特殊布置，由于硬磁体总质量的增加，致动器/销***的动态负载在此至关重要。此外，由于硬磁和软磁材料的这种布置中的连接，不能精确发挥机械配件产品的性能，因为所描述的磁体在销端部处的平面构造可能会导致不准确的机械配合连同横向力，这会阻碍销和致动器的自由竖向移动。因此，在从属权利要求中，还完整地指出需要附加的缝合来确保模块主体和读取销单元之间的配合功能。因此，很明显的是，两个复杂零件的机械精度(公差问题)需要相当大的花费。为了在不施加横向力的情况下可靠地调节单个销，在没有附加机械装置的情况下决不能完成在销端部处与扁平永磁体的图示磁耦合的任务。
对于触觉笔，将创造一种简单且廉价的可能性，以最小化无处不在的污染源对于单个销的完美功能的负面影响，而这种措施不会损害显示器的触觉质量。如果需要维修，单个销都应易于拆卸/清洁，并且即使不熟练、有视觉障碍的最终用户也可以毫无问题地再次使用。
通过图形用户界面将处理内容一致地传递到PC上视障人士的使用区域，还需要将触觉显示器作为输入单元的交互的、直观的可用性，即双向操作模式。在上面已经描述过的DE 103 49 100A1的主题中，还必须将各个电路板彼此布线以便电气控制。在整个装置中，所描述的致动器布置也仅被动地作为显示装置进行操作。为了能够实现用于控制整个装置的输入，还需要另外的致动开关，除了空间要求之外，这也增加了电接线的复杂性。
此外，US 2005/0158695 A1公开了一种触觉显示装置，其中图像信息显示为以矩阵排列的十字形方式驱动的触觉销之间的高度差，并且其中与触觉销摩擦配合的引导板布置在销板的平面下方。
此外，从JP 2004-7101677-A中已知一种触觉显示装置，其中实际的触觉探针销在一个端部处牢固地连接到致动杆，所述致动杆的直径小于实际探针销的直径。由可移动单元控制控制触觉销的伸出或缩回的控制元件，所述可移动单元可以高速进行竖向和水平移动，从而可以实现具有高分辨率的清晰触觉显示。
DE 10 2010 012 247 A1描述了一种经由线圈和可移动磁体对按键压力进行触觉反馈的纯输入装置。在从属权利要求6中，提到了将线圈连接到至少一个多路复用器的矩阵状互连。仅通过指定“输入装置”，明显的是，所述形式的结构决不可以用作输出单元(例如，用作触觉图形显示器)。
同样的纯被动操作模式也示出于DE 10 2014 104 633 A1，其中在每种情况下两个线圈成对耦合并且矩阵连接以形成线圈场。
在DE 10 2004 055 939 B4中也描述了信号的经济矩阵互连。这里，经由电线中的电阻挡元件结合另外的电容元件进行选择，这在由本申请处理的触觉应用的情况下是禁止的，因为线圈从一开始就经由施加的DC电压供应电流。从电学角度看，这种矩阵互连也只在一个方向上工作。
DE 10 2010 000 669 A1也描述了一种矩阵传感器元件。这里关注的应用涉及放置在地板上用于检测人的房间检测器。这些仅在单向方向上工作的装置使用振荡器固有频率的变化作为有用的信息，并且除了线圈之外还需要附加的电容部件。
对于严重视力受损的人来说，有大量的光学助视器装置，这些装置通常通过放大和对比度增强提供辅助。对于全盲的人来说，这种类型的装置当然不代表任何帮助。例如在文本的“读出”中，使用声学辅助装置给盲人提供了帮助但没有进一步的图形或光学信息。相反，视力严重受损的人指尖通常有明显的触觉敏感性，这通常是由阅读盲文字符的强化训练造成的。
因此，将触觉显示器广泛用于为视觉受损者从计算机(PC)输出数据作为所谓的“盲文线”。同时，可以在技术上实现具有大量(例如，250×400个)感测位置的大面积触觉图形显示器。与此同时，此种显示器的第一示例在相关展览会上作为固定应用的原型展示。
通常，关于触觉图形显示器或标准盲文线的用户的高触觉能力，出现了对盲人的通用(＝不仅源于文本)移动触觉助视器的需求：使用他自己的触觉能力和为此目的定制的新辅助件开发出由于视觉障碍不可直接访问的视觉领域。置的直观易用性对于在市场上传播极为重要：预计实际上在没有附加强化训练的情况下，具有中央凹和周边视觉的“正常的”人的视感作为一个整体可以在触觉平面上进行模拟，并且也可以以移动的方式使用助视器。
DT 2330403 A1描述了尝试在具有显著空间分辨率的盲人可感知信息中获得光学结构的首次试验。在这种情况下，通过接触方法，也就是说在没有透镜光学成像的情况下，将平面对比度结构转移到具有特定的与设计相关的横向分辨率的模拟电荷图案矩阵中。由于电荷载体矩阵的平面结构，提议将人体皮肤作为该信息的传感器，优选地将人体的额头作为支撑表面。除了这种方法非常有限的横向分辨率之外，这种“用皮肤看”与每年相当大的训练努力有关。该方法的可靠性(例如高空气湿度下的电荷问题)也值得怀疑。由于缺少成像透镜元件，没有可用的三维真实环境的真实图像。
DE 42 41 937 A1提出了一种“触觉交互监视器(TIM)”。然而，根据申请人的说明，这个更具理论性的装置概念更多地是指“……哲学上的、基于语音的、性格理论和认知研究工作”，并且没有为本领域技术人员提供任何实际技术实现的具体指示。根据现有技术(1992)，使用多个小触觉点网格(通常，其中每个矩阵最多256个点)。将网格元件(有些原则上只是缩短的标准盲文线)永久分配给盲人的手掌或手指以用于扫描。尽管使用了相机/扫描器，也不可能具有环境图像的完全闭合的连续的触觉表示。主要尝试通过装置的缩放和截取功能来补偿这一缺点。正是在这里，TIM的最大缺点是：缩放和截取的复杂控制需要大量附加功能键，必须以与实际触觉“观察过程”准时间平行的方式操作这些功能键。因此，在TIM的操作中，完全超出了书本中提到的存储时间最长为8秒的人类短期记忆。即使是申请人为了在真实环境中用该装置成功定位而进行的大概每年两次的额外培训，在大脑生理事实的基线上也几乎没有变化。容易看出的是，不可以肯定直观地使用TIM，并且在任何情况下都不可能出现“正常的”视感的平行触觉替代。
DE 10 200 5 000 820A1描述了安装在眼镜状结构中的相机的使用。然而，这种移动布置明确地涉及改善仅视力受损的人的视力，并且还使用纯光学方法进行图像输出。没有提供在用于全盲的人的辅助装置的情况下不可缺少的触觉装置。
发明内容
相对于具有线性磁致动器的已知触觉显示器，本发明的目的是提供此种电磁致动器用于触觉应用，特别是用于盲文文字显示器和图形表面显示器中的触觉销，通过本发明可以实现机械结构简单且便宜的双稳态电磁线性驱动单元。此外，将通过致动器来实现具有最小总高度的显示器。此外，应最小化渗入致动器内部的灰尘颗粒。此外，将提供用于电磁致动器线圈的电线的简单且经济有效的布置，所述布置使得触觉显示器也可以仅通过已经存在的用于输出数据的致动器线圈用作输入单元成为可能，而不需要安装附加的输入开关或额外的输入传感器。最后，盲人可以使用装置，所述装置将为他提供“正常的”人的视感在触觉平面上的尽可能完美的替代和模拟。
根据本发明，通过触觉显示器来实现该目的，其特征在于，致动器的杆由具有非常高的矫顽场强度的材料组成，所述杆在轴向上由最大相等长度的、具有显著较低的矫顽场强度的磁套筒包围并且可以在轴向方向上自由移动，并且其特征在于，杆的行程通过其超出与硬磁套筒的长度相比的多余长度来决定，从而在杆的一个端部处形成副磁极并在相对端部处形成盘状主磁极。
在根据本发明的致动器中，在一个端部被设计成特殊形状的盘的硬磁极化杆以可移动的方式布置在同样的硬磁套筒的内部，从而使得盘本身总是位于套筒的外部。围绕杆的套筒材料的矫顽场强度明显低于活动杆的矫顽场强度。因此，确保了尽管可以通过围绕两个硬磁体(杆和套筒)的通电线圈以目标方式反转套筒极性，但是可移动杆的极化没有改变。仅在套筒材料的实际磁化的短时间内(<1μs)提供线圈的最大电流。“向上”位置提供了最大的保持力，并且其通过特殊形状的盘(＝“主磁极”，电枢)和环绕套筒的适当尺寸的端面之间的磁引力来实现。该端面的尺寸设计成使得其与特殊形状的主磁极一起提供所需的保持力，然而，主磁极设计成能够克服其在切换中的反向(套筒和线圈电流，反向极性)，因此电枢可以移动到另一个端部位置。由杆的总长度以及“副磁极”离电枢的距离明确地限定最终“向下”位置的几何位置。
在本发明的进一步发展中，主磁极具有圆锥或截头圆锥或带有作为盘状延伸部的盘形基部的截头圆锥的轮廓，其中圆锥或截头圆锥的高度或杆的盘状延伸部分的高度使得盘状主磁极的杂散场在致动器的“向下”位置中不再能够切换套筒的磁化，其中硬磁套筒的一个端部具有套环状延伸部，其直径的尺寸设计成使得套环状延伸部至少部分地、至多在硬磁杆的盘状主磁极直径的95％上覆盖围绕的线圈的邻接端面，并且其中杆和套筒的两种硬磁材料的所述矫顽场强度的比值至少为3:1，使得共同围绕杆和套筒的线圈的轴向磁场仅切换套筒的材料的磁极性，而不切换杆的材料的磁极性。
这种发展的优点在于，可以以目标方式影响杂散场的空间范围，使得可以确保盲文文本显示器和/或图形表面显示器中各个致动器的窄(即，网格间距小于或等于2.5毫米)平面排列。
在本发明的进一步发展中，显示器的致动器布置在平行且竖向交错的平面中，使得致动器在平面中的横向相互距离大于为销板指定的网格尺寸。
这种发展使得以令人惊讶的简单方式实现具有最小总高度的显示器成为可能，其中各个轴向致动器布置成平行于具有表面显示器的销的销板平面二维偏移。各个致动器的工作方向和销板的平面相互垂直。
在本发明的设计中，为了可靠地操作可移动传感销，将机械防尘罩布置在销板的平面下方，由此由于几何遮蔽，最小化灰尘颗粒透入内部。
这种设计的优点是，现在可以最小化沉积在致动器环境中的灰尘颗粒的粒径谱和量。由于在几何上用作防尘罩的装置安装在销板中的单个销的引导件下方，实际的致动器是防尘的。避免了确保销板和致动器之间的高精度机械装配的生产技术的困难，因为销经由可释放的磁连接耦合到致动器，这在显示器制造的第一组装过程中已经在几何上调整了自身。对于后面的维修情况，附加的优点是最终用户(借助非常简单的夹紧工具或指甲)可以从显示器的外部移除各个销，以便随后通过清洁过程使受影响的各个销本身及其引导表面再次起作用。
在本发明的进一步发展中，提供用于控制以行和列连接的线圈的开关矩阵具有分别在内部具有可轴向移动的硬磁芯的线圈，使得单个线圈既可以通过硬磁芯的机械位移经由电磁感应被动地充当传感器，又可以通过线圈的目标激励而机械地主动地充当致动器。
这种进一步发展的优点是以简单的方式提供了用于电磁致动器线圈的布线的简单且经济有效的布置，并且这允许触觉显示器仅通过已经存在的用于输出数据的致动器线圈来用作为输入单元，而无需安装附加的输入开关或额外的输入传感器。
在本发明的进一步发展中，利用本发明的触觉显示器使直观可用的光学触觉助视器代替人的视力，其特征在于，设计为面传感器或线传感器的相机的主要光学图像信息在经过软件调节的图像处理以进行数据缩减和图像识别之后被馈送到作为显示装置的大面积触觉显示器，其中触觉网格点的数量为至少50×80＝400，并且用于数字数据处理的装置连接在相机和触觉显示装置之间，其中将相机的图像场划分成至少两个区域，所述区域表示具有不同触觉分辨率的主要光学图像，并且其中以分别不同的时间间隔(频率)进行不同触觉区域的图像刷新。
这种进一步发展的优点是以简单的方式使可用的触觉能力足以完全直观地(即没有进一步的认知控制和控制功能)在大面积触觉点网格(通常为至少80×100个点)上替代视觉的示出和警告方式。这里特别重要的是进化相关的架构：将有意识的视觉(高分辨率)与无意识但快速的周边视觉(低分辨率)转换到触觉领域。为训练所做的努力不会超过习惯新触觉辅助的常规努力。
附图说明
参考附图，从以下对本发明优选实施例的描述中可以看出进一步的优点和细节。在附图中：
图1a至图1d示出了根据本发明的磁双稳态轴对称线性致动器的第一实施例的不同功能阶段，
图2a至图2e示出了根据本发明的线性致动器的其它五个实施例，
图3示出了处于另一功能阶段的根据图2d的实施例，
图4示出了根据本发明的线性致动器的实施例中各种几何组合的保持力和反作用力的曲线图，
图5示出了根据本发明的具有两个致动器水平的显示器的实施例，
图6示出了根据图5的显示器的孔图案，
图7示出了具有四个致动器平面的显示器的实施例的网格占用图案的原理，
图8是根据图7的具有四个致动器平面的显示器的整个堆叠布置的斜视图，
图9示出了触觉显示器中污染情况的表示，
图10示出了根据本发明的触觉显示器中的污染情况，所述触觉显示器具有防尘罩和可移动的触觉销以及具有自调节功能的磁耦合，
图11示出了***或移除用于根据图10的装置/触觉显示器的可移动触觉销，
图12示出了根据本发明的触觉显示器的第二实施例的污染情况，所述触觉显示器具有防尘罩和可移动的触觉销以及具有自调节功能的磁耦合，
图13a、图13b是图10至图12的显示器的自调节的图示，
图14示出了根据本发明的用于主动致动器功能的线圈矩阵的结构和布线，
图15示出了根据图14的线圈矩阵处于装置的高阻输入状态，
图16示出了根据本发明的具有平面显示器的直观助视器的框布置，所述平面显示器具有恒定的触觉点网格间距，
图17示出了具有平面显示器的实施例，所述平面显示器具有几何上不均匀的点网格，
图18示出了在壳体中具有相机数据处理和触觉显示器的布置的实施例，
图19示出了具有内置线相机/扫描器的实施例，
图20示出了作为移动变体的实施例，特别是智能手机，
图21是图20的实施例的侧视图；以及
图22示出了移动变型的另一个实施例。
具体实施方式
为了仅阐明磁功能，在图1a中示出了根据本发明的磁双稳态轴对称线性致动器A(作为根据本发明的显示器54的一部分)的视图，示出了杆1的“向上”位置。在这种情况和以下表示的情况下(参见图1b、图1c、图1d)，为了清楚起见，仅使用轴对称极的矩形横截面。线性、可自由移动的硬磁杆1同样在硬磁套筒2中滑动。
示出了其中线圈3未被供电的稳定的“向上”位置。盘状主磁极1b确保以最大力保持的杆1的空间清晰限定的“向上”位置。主磁极1b的厚度用“H1”表示。副磁极1a的突出部由“h”表示作为与套筒2的长度差。由箭头表示两种材料中存在的轴向磁化方向。应将磁化方向的表示视为原理草图。
图1b示出了从“向上”位置到“向下”位置的过渡阶段，其中已经由现在通电的线圈3的磁场(如导线横截面中的点和十字所示)反转套筒2极性。粗竖向箭头表示向下移动；示意性地示出图示的磁化，如已经在图1a的描述中阐述的。
图1c示出了杆1的稳定“向下”位置，同样其中由箭头指示未通电的线圈3和的磁化方向。杆1的上端1a用作副磁极，其在力和位置方面实现整个杆1的“向下”位置。借助电枢的厚度H1，原则上控制主磁极1b在其上侧的磁场的空间强度降(极内部的退磁场)。以这样的方式建立场强，使得在杆的“向下”位置(见图1c)，借助电枢1b的杂散场，不会发生套筒材料的再磁化，因此该位置在几何形状和力方面是稳定的。
为了实现杆1的向上移动，线圈电流然后沿相反方向流动，其中套筒2磁化方向反向，并且力方向反向，如图1d所示。现在，粗箭头指示向上移动的方向。
在技术实现中，从图1a(去激励、稳定“向上”位置)到图1b中的情况(仅用激励线圈反向磁化套筒2)的过渡尤其关键，因为一方面需要致动器A的较高“向上”保持力，以及另一方面需要盘1b在可接受的线圈电流(例如低于3A)下可与套筒2分离，涉及两种相互作用的现象：大的保持力需要主磁极1b和套筒2之间的强引力，而通过适度的线圈电流稍微地分离配合只需要较弱的主磁极场。此外，套筒2中实际发生的微磁极化条件在数量上难以检测，甚至不能通过“外部”施加的宏观线圈场来详细控制。
关于能量需求，还必须考虑该布置的电气开关时间。从套筒2移动离开的盘状主磁极1b的磁场必须非常弱，以使得如果在切断线圈电流后不再提供排斥线圈磁场的帮助，其不能再切换套筒材料。在主动情况下(致动器操作)，线圈电流的典型上升时间为大约300μs，其对应于在大约30V的典型驱动电压下使用的线圈3(典型尺寸：外径3.2毫米，长度4毫米，大约250匝)的电感。为了以这种方式定尺寸的致动器A实现可靠功能，只需要大约1毫秒的接通持续时间的大约3A的线圈电流。
在被动情况下(作为触觉输入单元(见图16，显示器54)的布置的操作，触觉销必须处于“向上”位置)，随通过线圈的磁通量变化的变化率来应用电磁感应的物理关系，磁通量变化率是由当向下按压耦合的触觉销时主磁极1b和副磁极1a的移动引起的，从而在线圈端部上形成电势差。通过触觉手指压力的动态，以这种方式可以获得大约35mV的感应电压。时间脉冲形式相对复杂，其由对应于纯机械触觉移动速率的基本分布和在电平方面较小的高频分量组成。假设这里使用两个平行操作：一方面，通过将盘状主磁极1b进行“缓慢”空间移除整体限制套筒2的磁化(所涉及的域磁化强度松弛到其轻磁轴的原始取向)。此外，副磁极1a已经在同时交换到套筒2的上部部分期间开始对套筒材料的第一域的再磁化。由于所用材料的微磁形式各向异性，局域磁化的这种翻转仅在某一场阈值以上但随后“突然地”发生，由此说明了高频脉冲部分。
当松开触觉销时，它会弹回到最初设置的“向上”位置，这是在输出模式下对于致动器进一步正确进行数据显示(＝设置盲文销)所需要的。当松开时，电压峰值倾向于高大约20％，其中当主磁极1b“撞击”套筒2的端面时，高频分量以增加的方式出现。当使用合适的电检测技术时(特别是“部分响应”检测，如硬盘驱动器读出期间磁存储的惯例)，根据本发明的双稳态致动器A也可以用作输入单元。由于线圈3的矩阵控制，甚至被按压销的位置也是已知的。以令人惊讶的简单方式，可以在触觉显示器54上模拟鼠标光标，并且可以在计算机上实现将基于屏幕的操作模式以1:1传输到盲人PC用户的触觉域。
这些发现是在触觉应用中呈现新颖特殊设计的致动器A的极形状的原因。图示2b、2c、2d和2e的组示出了主磁极/盘1b和套筒2的这种特殊轮廓对磁场的影响，将其与具有图2a所示的盘1b和套筒2的直径1:1配合的简单圆柱形状进行比较。在那里，仅象征性地由弯曲双箭头的强度和横向位置表示主磁极1b的(强)杂散场4。例如，可以设想，这大约是说大约主磁极1b的(强)杂散场4仍然能够以主导方式磁化套筒2的低矫顽力材料的空间范围，尽管存在线圈场。由W1或w2表示相应杂散场4c或4d的空间扩展。W1在这种情况下明显大于w2。仅纯粹定性地示出物理背景以说明磁极轮廓的特殊效果。
仅考虑“向上”位置的保持力，图2a的实施例最初关于保持力表现为触觉应用的最佳解决方案。然而，在切换情况下(为此目的，参见图1a的情况至图1b的情况)，所涉及的部件套筒2、杆1、盘1b和通电线圈3的磁化、力和场条件需要该最大保持力的精确计算的降低，这通过调节板1a和在一个端部处变宽的套筒2的套环的直径商来实现。可以看出，盘1b的(强)边缘场(杂散场)4在图2b的情况下如何在“空虚”中延伸，而在图2a中，由于这些边缘场，盘1b和套筒2之间获得了最大吸引力。现在的技术实现表明，如果适度的线圈电流和套筒磁化旨在启动杆1的向下移动，则在可接受的线圈电流(例如，低于3A)下，不能产生足够的反作用力来进行分离。
图2c中的盘1b的锥形特殊设计精确地导致最大保持场的这种降低，并且另外确保了对一个或多个其它相邻致动器的磁杂散场4cd的清晰、有针对性的降低，为了清楚起见，未在图中示出这些致动器。两种轮廓措施都可以在技术实现中根据当前磁场条件(例如，由所使用的磁性材料的细节和相邻致动器的销之间的距离条件引起)一起施行(图2d，其中盘1b示例性地设计为截头圆锥，图2e示出轮廓的替代阶梯实施例)，但是也可以仅单独地使用(图2b、图2c)。
图3示出了根据本发明在上部稳定工作点处的布置，而不向线圈3提供电流。示意性地示出了套筒2和杆1的相关磁化。
在图4中，针对不同的几何形状组合示出所描述的磁极轮廓措施的特定效果。杆和套筒材料组合(1，2)的矫顽场强度和饱和磁化分别为(1.2特斯拉时9700安/厘米)和(1.38特斯拉时480安/厘米)。施加的是“反作用力”，所述反作用力对于杆1的向下移动必须是负的，其高于稳定“向上”位置处的(正)保持力。当使用直径为3.3毫米且高度为1.5毫米的盘1b时，获得1.75N的最佳保持力。然而，不能使用这种布置，因为当磁化(3A电流)为正时，也就是说，产生向上指向的反作用力：盘1b保持悬挂在套筒2上。
纯比例技术措施(直径3.0毫米，以及高度1.0毫米)不会使布置进入功能区域(在图4中由从大正方形符号指向小正方形符号的空心箭头指示)。如黑色粗箭头所示，只有所描述的极轮廓措施带来了用于反作用力所需的负值结合可接受的轻微减小的保持力。两个下部箭头示出了减小套筒的套环直径(减小30％或50％)的效果，而上部粗箭头(三角形符号)示出了主磁极1b的锥形轮廓的效果。保持力的(进一步)下降是可以理解的，但是在使用中对相邻致动器的较小杂散场的优势占主导，如已经在图2c、图2d中描述的。
如在图5中对于两个致动器平面13a和13b的示例简单示出的横截面中，各个轴向致动器A布置成平行于具有表面显示器的销11的销板平面12二维偏移。各个致动器A的工作方向和销板12的平面相互垂直。各个致动器A与触觉销11的非形锁合连接是通过触觉销11的直径渐缩的下部部分14a和14b实现的。如果实际的触觉销11及其渐缩下部部分14a或14b设计为在物理和材料方面分开的部件，那么对于两个致动器平面13a和13b来说具有一种触觉销11就足够了，触觉销具有大标称直径，但长度相同。在仅在两个致动器平面13a和13b上表示基本原理的情况下，为了清楚起见，还未示出控制集成电路的最低平面。
图6以上部致动器平面13a的平面图示出了根据图5的布置的孔图案，位于其上方的销板12仅由在图的边缘的销11指示。在每种情况下，A是各个致动器A的安装位置。位于下方的致动器平面13b的销14b的渐缩致动部分的通孔15相应地根据所需的网格尺寸d设置。可以安装各个致动器，其中横向尺寸大于预定网格尺寸。
图7在平面图中示出了x-y坐标系中四个致动器平面13a至13d的网格占据模式的原理。原则上，网格尺寸可以在x方向和y方向上不同，如dx和dy所示。可以看出，对于所有平面13a至13d，在每种情况下都是销板网格dx和dy的间距的两倍的相同的4位置基本图案根据致动器平面在x和y方向上横向移位，使得最终可以覆盖最上面的销板12(这里未示出)的所有网格点。实际上，在窄销网格(dx和dy)中在除开最低平面14d的每个平面中都布置有用于相应下部平面的致动杆14a、14b、14c、14d的通孔。由于销的致动部件的渐缩直径，它们直径的尺寸可以设计成使得在相关平面中致动器A可获得最大可能的自由空间。
图8中示出了4个致动器平面的最大情况下整个堆叠布置的示意性倾斜图像草图。为了清楚起见，仅示出了平面13a和13b的外部致动器的致动器位置。在平面13c和13d中，相应的位置在相应平面的更内部开始网格间距。因此，占据对应于图7的位置，例如，对于最低平面13d在八边形的位置处。其中安装集成电路的平面16在下方闭合显示器。
有利的是，将成熟的印刷电路板技术用于致动器平面13a至13d的生产，特别是借助于所述技术，可以以经济有效的方式自动生产致动器板中的多个开口。同样，通过良好地引入的制造工艺，因此确保了为致动器控制提供必要的布线(完全独立于实际使用的致动器类型)。最后，平面上没有开口的空间允许以类似于销11和垂直于销板12的各个致动器A之间的机械连接的简单方式进行直到电路平面16的平面之间的电连接(未示出)。
图9示出了污染情况的纯几何背景。为了清楚起见，概述了这一原则；因此，没有比例精确性。竖向移动的触觉销21在销板12中滑动，其由下面的致动器A驱动，由23表示致动器的空间固定结构。致动器A是实际的致动器(例如压电元件)还是紧固到致动器A上的机械单元(例如切换杠杆传动)的功能表面与以下考虑无关。由双箭头表示两个单元的竖向线性移动。
无处不在的污染颗粒24a穿入显示器54的内部，如颗粒上的小箭头所示。它们或者直接24b固定在销21和销板12之间的空间中，其中它们立即阻止销的移动，或者在显示器54的操作时间的过程中甚至到达致动器A的功能区域的环境中，以便首先积聚在那里，参见24c。从这一点来看，它们随后可以强烈地干扰致动器本身，参见24e。
现在，本发明可以最小化在致动器A的环境中沉积的灰尘颗粒24c的粒径谱和数量。这是通过安装图10所示的防尘罩25并结合使用用于销21的致动杆26来实现的，所述杆的直径小于触觉销11的直径。在这种情况下，防尘罩25可以设计为实心部件(例如，设置有孔的金属板)，也可以设计为紧密包围致动杆26的柔性膜。由于与销21相比致动杆26的直径较小，在箔解决方案中，即使在致密的套筒状外壳的情况下，对竖向移动的抑制力也显著降低，因为摩擦接触表面显著小于包围实际销时的摩擦接触表面。
为了去除在操作时间过程中积累的灰尘颗粒，用户可以容易地从外部移除各个触觉销21及其致动杆26，如图11中的弯曲箭头所示。致动杆26与致动器A的机械耦合优选通过两者的磁耦合进行。致动杆26本身是软磁的。如图13a所示，致动器A本身是完全硬磁体的形式。致动杆26在横向中央位置中磁性耦合到致动器A的端面27。用户能够通过外部干预容易地将各个销21与致动器A分离，以便在清洁后无问题地将其再次放置，这是决定性的。
原则上，该过程也可以通过致动杆26和致动器A之间的机械耦合措施来实现(例如点按连接、旋转棘爪)。然而，机械解决方案的增加的设计工作量是非常关键的，首先是因为与销板12、致动杆26和致动器A之间的配合精度相关的制造问题。软磁致动销26在硬磁致动器A的端面27上的接触位置的自调节，如图13b中的磁解决方案(磁耦合)在耦合前不久进行，而在机械连接的情况下，不发生自调节。双箭头示出了***销单元11时的横向机动。为了清楚起见，这里未示出固定连接到致动杆26的触觉销11。
图12示出了本发明的实施例，其中图10的防尘罩25通过开口的合适几何构造在结构上直接集成到销板12本身中。
具体而言，在图13a和图13b中示出销单元的磁-机械自调节。致动杆26的软磁材料通过形成感应磁极对空间上接近的硬磁体的存在作出反应，如标号N和S所示。这种布置允许销11在穿孔板12的引导件中的几何装配(例如这里参见图12)达到部件公差的极限，从而在销21周围产生非常窄的间隙，这最佳地降低了灰尘颗粒24a渗入显示器54内部的可能性。
图14示出了用于主动致动器功能的线圈矩阵的基本结构和电路。用3表示线圈，用k表示活动芯。用T(三端双向交流开关(TRIAC))和C(电容器)表示正确电气功能所需的部件。为了清楚起见，仅详细设计了一个3×3布置，并且未示出TRIAC门的详细控制。然而，如点/星和题字“等”所示，可以根据需要扩展布置。
由Za指定用于水平行电源的地址线，由Sb指定用于竖向列电源的那些地址线。原则上，相应的编号索引Hi或Vi是无限制的。竖向线和水平线承载线圈通电的电流。驱动器输出级(由Ta和Tb表示)可以设置为高电位(V+)、低电位(V-)或设置为高阻的“高阻抗”状态HI。例如，如果激励顶部第二线圈，则地址线V1设置为(V+)，同时地址线H2设置为(V-)。由“i”表示的所有其它Vi和Hi线都处于高阻输出状态。在所示的示例中，只对坐标为(2，1)的线圈提供电流。致动器A通过其硬磁芯K的移动作出反应，如双箭头所示。矩阵的所有剩余线圈在其末端连接处“看不到”电势差，因此机械被动的。如果线圈电流沿相反的方向作用，则反转致动器移动，并且所选线圈的施加电压在相应的H线和V线之间交换。
图15示出了在装置的高阻输入状态下线圈矩阵SM的连接。所有水平线Hi和竖向线和Vi的驱动器Ta、Tb处于高阻HI状态。如果线圈3的可移动硬磁芯K移动(由向下箭头表示手指的按压移动)，它在线圈中产生感应电压。然后，特定的Hi线和Li线(现在示出了坐标(1，1)的情况)位于对应于磁通量变化的电势上。用框“SF”示出已知的来自磁数据存储器中用于感应电压特性的最佳时间信号整形和信号检测的电路(例如，这可以是合适的二极管/电容器组合、峰值检测器、积分器和阈值鉴别器)。为了清楚起见，没有详细示出它们的特殊功能。
因此，在特定的、正手动致动的致动器芯K的情况下，可以识别受影响的多路复用器输入的地址adr.，并且例如经由中断的触发随时间异步地将地址传输到控制单元CPU。然而，控制单元CPU本身也可以同步寻址多路复用器MUXa、MUXb，然后在各个多路复用器MUXa、MUXb的输出处依次轮询多路复用器输入。在具体的实施例中，在信号技术方面，在输入多路复用器MUXa、MUXb之前已经执行信号整形SF也可能是有利的，但是这引起了更高的部件***的缺点。在实际实现中，并联连接多个致动器也可能是有利的，或者对于线圈矩阵SM的被动检测功能，仅连接较少的一定数量的致动器A(例如，行和/或列中的每四个致动器)。
图16至图22示出了本发明作为直观可用的光学触觉助视器的应用。图16示出了直观助视器的框图布置。在这种情况下，数码相机51可以配置为全区域相机或线相机(“扫描器”)。将图像信号52a提供给数据处理装置53。它可以是个人计算机、数字信号处理器、CPU或微处理器。数据处理装置53的软件满足图像识别的数据缩减的要求。软件将图像划分成不同触觉点分辨率和不同快速触觉图像刷新的区域，并且将相应的图像信号52b传递到触觉显示器54，下文也称为触觉装置54。这种划分措施的优点是，盲人可以非常快速地扫描例如触觉图像的外部区域，而不会被另一个位置处的重要信息的详细表示转移注意力。例如，这里，是由快速移动的人垂直穿过路径。这里，人的确切轮廓或甚至关于男人或女人的信息最初完全不重要；必须由手指快速感觉到障碍物突然出现的事实。图像信号52a和信号52b在脉冲密度和脉冲数量方面的图示差异应理解为，与原始图像源即数码相机51相比，信号52b是数据缩减的信号。
在图16中，触觉装置(显示器54)示出为平面显示器，其具有恒定的触觉点网格间距。另一方面，图17示出了具有几何不均匀点网格的触觉显示器54的实施例。优选地，不同分辨率网格区域的布置与图像的中心中心对称，以便近似模拟人视感的“中央凹视力”功能。
图18示出了可能的实施例，其中相机51、数据处理53和触觉装置/显示器54布置在壳体中。在每种情况下，显示器54的各个触觉位置的不同高度示意性地显示了设置/未设置状态。原则上，壳体可以以移动和固定的方式使用。可以想到具有面传感器的相机51的固定形式，例如，以用于安装在盲职员的桌子中，所述盲职员通常必须与坐在或站在其对面的人交流。
图19示出了具有内置相机/扫描器51的可能变型，其用于平面图形原件的光学触觉扫描。双箭头表示线相机/扫描器51的机械行进路径。为了清楚起见，未示出照明装置、机械引导件和各个部件之间的电连接。当然，这种线扫描变体也可以实现为移动装置。
图20示出了特殊的移动变体，其使用已经在用户中的智能移动电话、“智能手机”56a的硬件和软件，所述智能手机具有屏幕56b和内置相机51。这里，触觉显示器54仅放置在智能手机56a的现有屏幕56b上，如弯曲的双箭头所示。该变型可以设计成使得触觉显示器54也可以由用户在任何时候再次放置或移除。智能手机56a的使用是特别有利的，因为通过合适的软件程序(app)，用于数据处理的现有硬件(中央处理器)以及智能手机的光学屏幕都可以直接用作在触觉显示器54中显示的图像图案58b的光学输出装置。在图20所示的实施例中，触觉显示器54实际上以“接触方法”来控制，而不需要进一步的布线支出，这经由触觉装置中的扫描光学屏幕图案58a的光电部件57发生。
为了清楚起见，仅示出了用于智能手机显示器56b的单个主动发射像素的光接收器57。光电连接当然不是强制性的。也可以使用智能手机中已经存在用于数据交换/电力供应的连接插头来进行信号交换，如果合适的话也可以进行电力供应。
图21示出了对应于图20的经组装布置的侧视图。在本移动实施例中，明显的是光学触觉助视器可以设计得多么平坦和紧凑。待显示的图像图案58b的设置/未设置的触觉销仅相对于它们的高度示意性地示出，以示出它们的显示功能。在实际实施例中，例如，未设置的销不会突出超过显示器54的左表面。
当然，代替现有的具有相机56a、56b、51的智能手机，也可以使用特殊的相机，优选使用具有极广角光学元件的相机。因此，然后可以通过具有内置数据处理单元53和电源的壳体适当地替换电话56a及其屏幕56b。这在图22中示出。
相机51示出为与具有数据处理装置53的触觉显示器(输出单元)54相邻，所述数据处理装置集成到显示器54的壳体中。相机51可以例如大约在衬衫衣领的高度处紧固到衣服上，或者也可以以类似眼镜的紧固方式紧固到头部。触觉显示器54可以例如通过大腿上的皮带方便地携带，或者可以单独地携带在裤子或夹克的袋中。
在图示的实施例中，触觉显示器54的壳体还容纳用于数据处理53的所有其他装置。相机51和例如在裤兜中携带的部件53和54之间的记录连接线59原则上可以设计成电缆连接，然而，为了方便装置的使用，优选的是无线数据连接。根据关于整个装置的数据和防窃听保护以及相机51的电力供应的方面，可以实现两种备选解决方案中的一种。
附图标记
1杆(可线性自由移动，硬磁性)
1a副磁极(杆1的上端)
1b主磁极(盘状)
2套筒(硬磁性)
2a(套筒2的)套环状延伸部
3线圈
4(主磁极1b的)杂散场
4cd杂散场(主磁极1b，较弱)
11 销
12 销板
13a 致动器平面
13b 致动器平面
13c 致动器平面
13d 致动器平面
14a渐缩下部部分(触觉销11)
14b渐缩下部部分(触觉销11)
14c渐缩下部部分(触觉销11)
14d渐缩下部部分(触觉销11)
15通孔(用于渐缩致动部分14b)
16电路平面
23(致动器A的)结构
24a 灰尘颗粒
24b 灰尘颗粒
24c 灰尘颗粒
24e 灰尘颗粒
25 防尘罩
26 致动杆
27 端面
51 数码相机
52a图像信号(数码相机51)
52b图像信号(数码相机51)
53数据处理装置(CPU、信号处理器等)
54触觉显示器(输入，输出单元)
56a智能手机
56b(智能手机56a的)屏幕
57光电部件(光接收器)
58a 屏幕图案
58b 屏幕图案
59 连接线
A磁双稳态轴向对称致动器(安装位置)
adr.地址线(多路复用器输入)
C 电容器
CPU 控制单元
d 网格尺寸
h(副磁极1a的)突出部
H1(主磁极1b的)厚度
Hi水平线(线圈通电的电流)
HI高阻态
K(线圈3的)芯
MUXa 多路复用器
MUXb 多路复用器
N 北极
S 南极
SM 开关矩阵
Sp地址线(竖向列)
SF块(用于时间信号整形和信号识别的电路)
T 三端双向交流开关
Ta 驱动器输出级
Tb 驱动器输出级
Vi竖向线(线圈通电的电流)
W1(杂散场4的)空间范围
w2(杂散场4cd的)空间范围
Za地址线(水平行)

Claims (15)

1.一种触觉显示器(54)，其具有销板(12)、开关矩阵(SM)和用于触觉应用的磁双稳态轴对称线性致动器(A)，所述致动器具有硬磁杆(1)，所述硬磁杆在一个端部处以盘的方式扩宽，并且所述致动器具有布置在印刷电路板上的线圈(3)，在所述线圈中所述硬磁杆(1)能在轴向方向上自由移动，其特征在于，所述致动器(A)的所述硬磁杆(1)由矫顽场强度非常高的材料组成，所述硬磁杆由矫顽场强度显著较低的、至多相同长度的硬磁套筒(2)轴向包围并且能在所述轴向方向上自由移动，并且所述硬磁杆(1)的行程通过其与所述硬磁套筒(2)的长度相比的超出长度(h)确定，使得在所述硬磁杆(1)的一个端部处形成副磁极(1a)，而在相对端部处形成盘状主磁极(1b)，并且共同围绕所述硬磁杆(1)和所述硬磁套筒(2)的所述线圈(3)的轴向磁场仅切换所述硬磁套筒(2)的材料的磁极性，而不切换所述硬磁杆(1)的材料的磁极性。
2.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，所述主磁极(1b)具有圆锥或截头圆锥或带有碟状基部作为盘状扩宽部的截头圆锥的轮廓，其中所述圆锥或截头圆锥的高度(H1)或所述硬磁杆(1)的所述盘状扩宽部的高度(H2)导致在所述致动器的向下位置中所述盘状主磁极(1b)的杂散场(4，4cd)不再能够切换所述硬磁套筒(2)的磁化，其中所述硬磁套筒(2)的一个端部具有套环状扩宽部(2a)，其直径的尺寸设计成使得所述套环状扩宽部(2a)至少部分地、至多在所述硬磁杆(1)的所述盘状主磁极(1b)的直径的95％上覆盖围绕的线圈(3)的邻接端面，并且其中硬磁杆(1)和硬磁套筒(2)的两种硬磁材料的所述矫顽场强度的比率至少达到3:1。
3.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，所述致动器(A)布置在至少两个且最多四个平行于所述触觉显示器(54)的所述销板(12)且竖向交错的平面(13a，13b，13c，13d)中，使得所述致动器(A)在平面中的横向相互距离大于为销板(12)指定的网格尺寸(d)。
4.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，触觉销(11)仅在所述销板(12)的引导表面的区域中具有其最大标称直径，并且在所述销板(12)下方直径(14a、14b、14c、14d)渐缩，并且致动器平面(13a、13b、13c、13d)在所述销板(12)的网格尺寸中精确地设置有窄的通孔。
5.根据权利要求4所述的触觉显示器，其特征在于，对于相同长度的具有标称直径的所述触觉销(11)，使用具有两种至最多四种不同的长度的与销标称直径相比渐缩的至少两种且至多四种类型的致动杆。
6.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，致动器平面(13a、13b、13c、13d)设计为印刷电路板或多层印刷电路板，将具有电气元件(IC)的一个或多个附加印刷电路板安装成作为所述触觉显示器(54)的下部端部。
7.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，为了可靠地操作可移动触觉销(11)，在所述销板(12)的平面下方布置机械防尘罩(25)，所述机械防尘罩由于几何遮挡而最小化灰尘颗粒(24a)进入内部空间。
8.根据权利要求4或5或7所述的触觉显示器，其特征在于，所述触觉销(11)在一个端部处固定连接到致动杆(26)，所述致动杆的直径至多为所述触觉销(11)的直径的一半，并且细致动杆(26)由软磁材料制成，并且通过磁力与硬磁的致动器(A)的端面(27)耦接，其中软磁的致动杆(26)在硬磁的致动器(A)的端面(27)上的接触位置的自调节发生在所述耦接之前。
9.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，提供用于控制以行和列连接的所述线圈(3)的开关矩阵(SM)具有分别在内部具有轴向可移动的硬磁芯(K)的线圈(3)，使得各个线圈(3)既能够通过所述硬磁芯的机械位移经由电磁感应被动地作为传感器，也能够通过所述线圈(3)的目标激励而机械地主动地作为致动器。
10.根据权利要求1所述的触觉显示器，其特征在于，所述线圈(3)的行和列式的激励由电双极功率输出级(Ta，Tb)实现，所述电双极功率输出级另外具有第三高阻切换态(HI)，并且在所述开关矩阵(SM)的所述高阻切换态(HI)的情况下，一个或多个模拟多路复用开关(MUXa，MUXb)还与所述开关矩阵(SM)的列线(Sp)和行线(Za)电连接，从而使得能够在所述多路复用开关(MUXa，MUXb)的模拟输出端处提供所选的列线和行线之间的差压。
11.根据权利要求10所述的触觉显示器，其特征在于，到所述模拟多路复用开关(MUXa，MUXb)的输入端的馈送线各自设置有信号整形(SF)，其调节感应电压信号以供进一步数字处理和使用，并且所述模拟多路复用开关(MUXa，MUXb)的输出端连接到信号整形(SF)，其调节所述感应电压信号以供进一步数字处理和使用。
12.根据权利要求10或11所述的触觉显示器，其特征在于，多路复用器(MUXa，MUXb)的信号整形输出信号能够在下游控制单元处对所述控制单元的时钟产生异步中断，以及在所述异步中断时呈现的所述模拟多路复用开关(MUXa，MUXb)的行地址和列地址被传送到所述控制单元。
13.根据权利要求12所述的触觉显示器，其特征在于，所述控制单元本身同步产生所述模拟多路复用开关(MUXa，MUXb)的行地址和列地址。
14.根据权利要求1至13中的一项所述的触觉显示器(54)用于直观可用的光学触觉助视器来代替人的视力的用途，其特征在于，设计为面传感器或线传感器的相机(51)的主要光学图像信息在经过软件调节的图像处理以进行数据缩减和图像识别之后被馈送到作为显示装置的大面积触觉显示器(54)，其中触觉网格点的数量为至少50×80＝400，并且数字数据处理装置(53)连接在所述相机(51)和触觉显示装置之间，其中将所述相机(51)的图像场划分成至少两个区域，所述区域表示具有不同触觉分辨率的主要光学图像，并且其中以分别不同的时间间隔或频率进行不同触觉区域的图像刷新。
15.由光学触觉助视器和根据权利要求1至13中的一项所述的触觉显示器(54)构成的***，其特征在于，不同触觉分辨率的实现能够经由具有固定点网格的所述触觉显示器(54)的数字控制纯软件地进行，或者能够已经通过所述触觉显示器(54)的触觉点网格的几何机械布置进行，并且在***中，相机功能和用于处理光学图像数据的装置能够都由具有集成相机(51)和数字数据处理装置(53)的移动电话提供。
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