Tactile Hearing

7/23/2019 Tactile Hearing

1/17

United S t a t e s Patent [ 1 9 1

L e y s i e f f e r

e t a l .

[ 5 4 ]

TACIILE

HE ARING A I D

[ 7 5 ] I n v e n t o r s : H a n s L e y s i e f f e r , T a u f k i r c h e n ;

E b e r h a r d

Z w i c k e r ,

I c k i n g ,

b o t h

o f

F e d .

R e p .

o f

Germany

S i e m e n s

A k t i e n g e s e l l s c h a f t ,

B e r l i n

a n d M u n i c h ,

F e d .

R e p .

o f Germany

[ 2 1 ] A p p l . N o . : 8 4 2 , 8 2 2

[ 7 3 ] A s s i g n e e :

[ 2 2 ] F i l e d :

M a r .

2 1 , 1 9 8 6

[ 3 0 ]

F o r e i g n

A p p l i c a t i o n P r i o r i t y

D a t a

Mar.

2 2 ,

1 9 8 5 [DE] F e d . Rep.

of

Ge r m a n y . . . . . . . 3510508

[ 5 1 ] I n t .

C l . 4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H04B / 0 6 ; I - I O 4 R 25/00

[ 5 2 ] U . S . C 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 367/135; 381/682;

3 6 7 / 1 1 6

[ 5 8 ]

F i e l d o f

Search

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. .

3 6 7 / 1 1 0 ,

1 1 6 , 1 3 5 ;

3 8 1 / 6 8 , 6 8 . 2 ,

1 5 1 , 1 9 0 ; 3 1 0 / 8 0 0 ;

3 4 2 / 2 5 ;

1 2 8 /

. 6

[ 5 6 ] R e f e r e n c e s

C i t e d

U . S . PATENT

DOCUMENTS

4,109,116 8 / 1 9 7 8

V i c t o r e e n

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 1 / 6 8

4 , 1 3 9 , 7 4 2

2/1979 Walker

. . . . .

4,150,262

4/ 1 9 79

Ono

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 8 1 / 6 8 3

4 , 4 0 3 , 3 8 2 9 / 1 9 8 3 F a c o e t t i e t

a 1 .

4 , 5 8 1 , 4 9 1 4/

9 8 6

Boothroyd, 6 2 8 , 9 0 7

1 2 / 1 9 8 6

Epley

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . 381/683

FOREIGN

PATENT

DOCUMENTS

1 2 3 1 0 8 5 9 / 1 9 6 0

France.

5 6 - 4 7 1 9 9

4 / 1 9 8 1 J a p a n .

4 5 . 5

4 , 7 9 1 , 6 2 0

D e c . 1 3 , 1 9 8 8

[ 1 1 ]

P a t e n t Number:

[ 4 5 ] Date o f

P a t e n t :

OTHER

U B L I C A T I O N S

F o r t s c h r i t t e

d e r A k u s t i k , S e s s l e r , p p .

8 1 - 9 9 .

P i e z o e l e c t r i c i t y

i n

P o l y v i n y l i n d e ne ? u o r i d e ,

S e s s l e r ,

J .

A c o u s t .

S o c .

A m .

7 0 ( 6 ) , D e c . 1 9 8 1 , p p . 1 5 9 6 - 1 6 0 8 .

U s e s

o f

C o m p u t e r s

i n

A i d i n g

t h e D i s a b l e d , I f u k u b a ,

P r o c e e d i n g s o f

t h e

IFIP-IMIA

W o r k i n g C o n f e r e n c e

o n

U s e s o f

Computers

n

A i d i n g t h e D i s a b l e d , Nov.

3 - 5 ,

1 9 8 1 p p . 1 5 7 - 2 1 5 .

P r i m a r y

E x a m i n e r - T h o m a s H . T a r c z a

A s s i s t a n t

Examiner-Daniel

T . P i h o l i c

[ 5 7 ] A BS TR A C T

A

a c t i l e h e a r i n g

a i d

h a s e l e c t r o - m e c h a n i c a l t r a ns d u c e r s

which e m i t

v i b r a t i o n s t o

t h e s e n s e o f t o u c h o f

t h e s k i n

s u r f a c e f o r t h e t r a n s m i ss i o n

o f s i g n a l s .

T he t r a n s d u c e r s

a r e s m a l l and l i g h t w e i g h t and h a v e low p o w e r c o n

s u m p t i o n . T h e

v i b r a t o r y

member s

c o m p o s e d o f p i e z o

e l e c t r i c ,

h i g h - p o l y m e r

m a t e r i a l and h a s t h e form o f a

?lm w h i c h s p r o v i d e d w i t h

e l e c t i c a l l y

c o n d u c t i v e c o a t

i n g s

a t

both

s i d e s between w hich t h e s i g n a l s

t o

b e t r a n s

m i t t e d can be a p p l i e d . T h e ? l m m a y be b e n t

t o

f o r m a

r i n g

and m a y be

a r r a n g e d

i n a

f o l d e d

s t a c k o f

a

nu m b e r

o f p l i e s

t o

t h e o u t s i d e s u r f a c e o f a c a r r i e r r i n g which s

a p p r o x i m a t e l y 9 0

o p e n .

T h e

t r a n s d u c e r

c a n

t h u s

b e

w o r n

o n t h e ?ngers o f a h a n d .

T h e t r a n s d u c e r

u n i t

i s

e m p l o y a b l e w i t h p a r t i c u l a r a d v a n t a g e i n

d e v i c e s

f o r

t h e

t r a n s m i s s i o n o f

messages

v i a t h e s e n s e o f touch

such

a s

i n h e a r i n g

p r o t h e s i s

f o r p e r s o n s e x t r e m e l y h a r d o f h e a r

i n g o r

f o r

d e a f p e r s o n s .

2 3

C l a i m s ,

8 D r a w i n g

S h e e t s


2/17

US.

P a t e n t

D e c .

1 3 , 1 9 8 8

S h e e t 1

of8 4 , 79 1 , 620


3/17

U S . P a t e n t D e c . 1 3 , 1 9 8 8 S h e e t

2

o f 8 4 , 7 9 1 , 6 2 0

1 6 1 0 1 3 0 2 6 m m : 3 0 0 1 . 0 0 s o n

b

f

F I G 4

F I G 8


4/17

U S . Patent D e c . 1 3 , 1 9 8 8

S h e e t

3 o f 8 4 , 7 9 1 , 6 2 0

1 0 0

V

5 5

3 1 , 6

1 7 . 8

1 0

5 . 6

3 , 1 5

1 , 8

1

8 : 0

1 6 0 1 5 0

2 1 1 0

: 3 6 n 4 6 0 5 5 0 1 1 1

F I G 1 0

1 : 2 0 0 H z

F I G 1 1


5/17

US. Patent

D e c . 1 3 ,

1 9 8 8

_ . S h e e t 4 o f 8 4,791,620

0 . |

F I G

1 1 .

___l__l___l_q-*>

T 1 2 7

1 3 1

V 5

7

3

2 0

5 0

1 5 . 0 2 5 0 5 6 0 f w h o z d u o n z

F I G 1 6


6/17

U S . Patent D e c .

1 3 , 1 9 8 8

S h e e t

5 o f 8 4 , 7 9 1 , 6 2 0

1 i 5 1 h 2 : 0 s h

1 6 1 0

2 ( 1 0

s ? o m u h s m

t

F I G 1 7

2 b

i n

5 : 0

6 0 1 6 0

1 5 0 2 6 0 3 6 0

5 6 0 m

f


7/17


8/17


9/17

US. Patent.

D e c . 1 3 , 1 9 8 8

S h e e t

8

o f 8 4,791,620

>

I

Q

N

g

F I G

28


10/17

4 , 7 9 1 , 6 2 0

1

T A C I I L E HEARING I D

BACKGROUND

OF

THE INVENTION

1 . F i e l d

o f t h e I n v e n t i o n

T h e i n v e n t i o n r e l a t e s

t o t a c t i l e d e v i c e s f o r

p r o d u c i n g

a

s i g n a l

p r e c e i v a b l e

a s

a n a u d i o

s i g n a l ,

which

m a y

b e

u s e d

a s a h e a r i n g a i d .

2 . D e s c r i p t i o n o f

t h e P r i o r

A r t

T a c t i l e h e a r i n g

a i d s a r e

known, f o r e x a m p l e i n

U S .

P a t .

N o . 4 , 1 3 9 , 7 4 2 ,

w h e r e i n c o m m u n i c a t i o n s ,

p r i n c i

p a l l y

a c o u s t i c a l i n f o r m a t i o n

s u c h

a s s p e e c h , a r e

con

v e r t e d

i n t o

e l e c t r i c a l s i g n a l s which

a r e

t h e n

t r a n s m i t t e d

b y m e c h a n i c a l s t i m u l a t i o n

t o

t h e s u r f a c e o f t h e s k i n , i . e . ,

t o t h e s e n s e

o f t o u c h .

M e s s a g e s c a n s t i l l b e conveyed

w i t h

t h i s h e a r i n g

a i d

e v e n

w h e n

t h e y c o u l d n o t b e p e r

c e i v e d by

n o r m a l

b e a r i n g

b e c a u s e

o f a

l o u d a n d u n s u r

v e y a b l e

e n v i r o n m e n t

b e c a u s e o f a h e a r i n g d e ? c i e n c y o r

when

a n

a c o u s t i c a l p e r c e p t i o n

i s i m p o s s i b l e

b e c a u s e o f

d e a f n e s s . L i k e s t a n d a r d h e a r i n g a i d s , t h e s e s y s t e m s

s h o u l d

a l s o

be a n

u n o b t r u s i v e

a s

p o s s i b l e

and

s h o u l d

be

c a p a b l e

o f b e i n g u s e d w i t h o u t

s i g n i ? c a n t n e g a t i v e e f f e c t

on t h e a c t i v i t i e s o f d a i l y

l i f e .

W h a t i s r e q u i r e d f o r t h i s

p u r p o s e i s a n

a r r a n g e m e n t which s l i g h t

a n d s m a l l a n d

which o p e r a t e s w i t h

a

low p ow er

c o n s u m p t i o n s o t h a t

i t can be o p e r a t e d w i t h p o r t a b l e c u r r e n t s o u r c e s such

a s

b a t t e r i e s .

Only n t h i s

f a s h i o n

i s

a d e v i c e

i n d e p e n d e n t

o f

t h e

m a i n s

a n d o f t h e

t y p e which c a n

b e u n o b t r u s i v e l y

c a r r i e d . T h e p ow er c o n s u m p t i o n s h o u l d b e a b l e t o b e

m a i n t a i n e d

a t l e a s t

f o r

t h e

d u r a t i o n o f

t e n

h o u r s by

m e a n s

o f

mobile

c u r r e n t s o u r c e s such

a s b a t t e r i e s with

o u t

a n

i n t e r r u p t i o n

b e i n g r e q u i r e d .

I t h a s p r o v e n b e n e ? c i a l ,

p a r t i c u l a r l y

i n h e a r i n g a i d s

f o r

e x t r e m e l y

p r o n o u n c e d r e d u c t i o n s i n t h e h e a r i n g

f a c u l t y ,

t o

m a k e

u s e o f

t a c t i l e

t r a n s m i s s i o n .

I n

c o m p a r i

s o n

t o

e l e c t r o c u t a n e o u s s y s te m , i m p r o v e d c h r o n o l o g i

c a l

r e s o l u t i o n o f

t h e s e n s e

o f

t o u c h

and

b e t t e r

t i m e

i n v a r i a n c y

o f

t h e t h r e s h o l d o f s e n s a t i o n

a r e

a c h i e v e d

among

o t h e r t h i n g s . H e r e t o f o r e , h o w e v e r ,

s u i t a b l e

e l e c

t r o ~ m e c h a n i c a l

t r a n s d u c e r s

h a v e

b e e n l a c k i n g . P a r t i c u

l a r l y i n m u l t i - c h a n ne l d e v i c e s a n d v o c o d e r s y s t e m s , f o r

i n s t a n c e t h o s e

k n o w n

from

French P a t . No. 1 2 3 1 0 8 5 ,

c o n v e n t i o n a l e l e c t r o - m e c h a n i c a l t r a ns d u c e r s c a n n o t

b e

u s e d

b e c a u s e t h e y a r e

t o o

heavy

a n d

t o o l a r g e . T h e

demands

f o r

low

volume and

low

w e i g h t c a n n o t b e met

w i t h

t h e s t a n da r d e l e c t r o m a g n e t s

d u e

t o

t h e

p h y s i c a l

p r i n c i p l e e m p l o y e d .

E v e n

p i e z o c e r a m i c

t r a n s d u c e r s employed i n more

r e c e n t

s y s t e m s

k n o w n ,

f o r i n s t a n c e ,

f r o m

t h e p u b l i c a

t i o n by T .

I f u k u b e ,

A Cued T a c t u a l Vocoder i n

] FGP-JM]A orking

C o n f e r e n c e on U s e s

o f

C o m p u t

e r s i n A i d i n g

t h e D i s a b l e d ,

H a i f a , 1 9 8 1 , c o n t a i n i n g

? e x

u r a l r e s o n a t o r s w o r k i n g a c c o r d i n g t o t h e

b i m o r p h p r i n

c i p l e h a v e n o t g a i n e d

a c c e p t a n c e .

The p i e z o c e r a m i c

p r o v i d e d f o r

t h e

m a n u f a c t u r e o f

t h e s e r e s o n a t o r s

i s

e x t r e m e l y

s e n s i t i v e

i n

m e c h a n i c a l t e r m s . I t must

t h e r e

f o r e b e a d e q u a t e l y p r o t e c t e d ,

w h e r e b y

t h e

n e c e s s a r y

v o l u m e

m u s t

b e i n c r e a s e d b e y o n d a n a c c e p t a b l e d e g r e e .

Numerous

i n v e s t i g a t i o n s h a v e shown t h a t t h e h a n d

i s

b e s t

s u i t e d

f o r

t h e t r a n s m i s s i o n

o f a u d i o s i g n a l s v i a mul

t i - c h a n n e l s y s t e m s

upon employment o f v i b r a t i o n s . T h e

b r e a k a b l e

c e r a m i c e l e m e n t s , h o w e v e r , a r e e x p o s e d t o

p a r t i c u l a r l y s e v e r e mechanical

d e m a n d s

w h e n

w o r n o n

t h e h a n d .

SUMMARY OF THE INVENTION

An

o b j e c t

o f

t h e i n v e n t i o n

i s

t o p r o v i d e a t a c t i l e

h e a r i n g a i d w h e r e i n p i e z o e l e c t r i c a l


a r e

3 0

4 5

5 5

6 0

6 5

2

p r o v i d e d which r e s i s t

s t r e s s e s

o c c u r r i n g

w h i l e w o r n o n

t h e h a n d

a n d

which

h a v e

s m a l l volume

a n d low

w e i g h t

g i v e n a d e q u a t e e f f e c t i v e n e s s .

A i g h t w e i g h t a n d

s m a l l

embodiment

o f a

t r a n s m i t t e r

i n

a

t a c t i l e h e a r i n g

a i d

i s a c h i e v e d by

t h e

employment o f

p i e z o e l e c t r i c ,

h i g h - p o l y m e r s u b s t a n c e s

f o r

c o n s t r u c t i n g

t h i s

e l e m e n t ,

t h e s e s u b s t a n c e s b e i n g

d e s c r i b e d , f o r

i n

s t a n c e ,

i n

F o r t s c h r i t t e

d e r

A k u s t i k ,

DAGA 1 9 7 6

(VDE

e r l a g , B e r l i n 1 9 7 6 ) , p a g e s

8 1 t h r o u g h

9 5 . More

o v e r , t h e s e s u b s t a n c e s , s u c h

a s , f o r i n s t a n c e ,

p o l y v i n y l

c h l o r i d e

(PVC) o r p o l y v i n y l i d e n e f l u o r i d e (PVDF) a r e

v e r y

i n s e n s i t i v e i n m e c h a n i c a l t e r m s . T h i s i s p a r t i c u

l a r l y

a p p a r e n t

g i v e n p o l y v i n y l i d e n e ? u o r i d e

( P V D F ) ,

t h e

f o l l o w i n g

p r o p e r t i e s

h a v i n g p r o v e n

b e n e ? c i a l

f o r

t h e

e m p l o y m e n t

t h e r e o f

u n d e r

t h e c o n d i t i o n s o f t h e

i n v e n t i o n :

( a ) S m a l l D i m e n s i o n s :

E l e e t r o - d y n a m i c

s y s t e m s w h i c h a r e c o m m e r c i a l l y

a v a i l a b l e

v a r y f r o m

8 t h r o u g h 3 0 cm3 n

o v e r a l l v o l u m e .

They

a r e th e r e f o r e n o t p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e , e s p e c i a l l y

f o r

m u l t i - c h a n n e l

v i b r a t o r

a r r a y s ,

s i n c e i t

i s

n o t

p o s s i b l e

t o wear them u n o b t r u s i v e l y

u n d e r c l o t h i n g . T h e

PVDF

t r a n s d u c e r s a r e e x t r e m e l y

a d a p t a b l e

i n

d i m e n s i o n s

( w i d t h

a n d

r a d i u s

o f a

r i n g )

a n d c a n b e w e l l

a d a p t e d t o

a v a r i e t y o f r e s c r i p t i o n s ,

f o r

e x a m p l e d e v i c e s

f o r a d u l t s

o r

f o r c h i l d r e n .

E x p e r i m e n t s

f o r

p r o t e c t i n g

t h e t r a n s d u c e r s b y

c l a d

d i n g

t h e m w i t h a

m e c h a n i c a l l y

a n d c h e m i c a l l y

c o v e r i n g

s u b s t a n c e

such

a s s i l i c o n e

r u b b e r

have s h o w n t h a t t h i n

l a y e r s a l r e a d y

o f f e r

a d e q u a t e p r o t e c t i o n . T h e o v e r a l l

t h i c k n e s s

can be

l i m i t e d t o 1 . 5

mm n d

t h e m a x i m u m

v olu m e o f t h e t r a n s d u c e r s can t h u s be k e p t below 1 c m 3 .

I t

i s

t h u s even s m a l l e r

t h a n

t h a t

o f p i e z o c e r a m i c

t r a n s

d u c e r

s y s t e m s .

( b ) L o w

W e i g h t :

F a v o r a b l e

p r o p e r t i e s a r e a c h i e v e d

w i t h

PVDF r a n s

d u c e r s

w hose u l l

w e i g h t

l i e s below

2

g . T r a n s d u c e r s o f

t h e

i n v e n t i o n a r e

t h e r e f o r e w e l l - s u i t e d f o r

employment

a s

s t i m u l a t o r s

i n h e a r i n g

a i d s f o r c h i l d r e n . T h e r e q u i r e d

l i m i t a t i o n t o a

m a x i m u m

m a s s o f a b o u t 1 5 through 20 g

i s

f a r f r o m b e i n g

r e a c h e d w i t h

t h e a r r a n g e m e n t

o f

t h e

i n v e n t i o n .

M u l t i - c h a n ne l s y s t e m s

a r e t h e r e f o r e u n o b j e c

t i o n a b l e from t h e p o i n t o f view o f

t h e

w e i g h t

l o a d

on

the

u s e r .

( 0 ) H i g h E f f i c i e n c y :

H i g h

p o w e r

c o n s u m p t i o n o f s t a n d a r d

e l e c t r o

m e c h a n i c a l

s t i m u l a t o r s makes t h e i r

a p p l i c a t i o n i n

s t a n

d a r d h e a r i n g a i d s

p r o b l e m a t i c a l

b e c a u s e

t h e r e q u i r e d

c u r r e n t s o u r c e s

b e c o m e

t o o

h e a v y . O p e r a t i o n w i t h

b a t t e r i e s s h o u l d b e p o s s i b l e

o v e r

a p l u r a l i t y o f h o u r s , f o r

i n s t a n c e

1 0

h o u r s . T h e

h i g h

volume a n d w e i g h t o f e v e n

t h e

most m o d e r n a c c u m u l a t o r s produce a n a r r a n g e m e n t

w hich p o s s e s s e s

t o o l i t t l e

m o b i l i t y f o r a u s e r .

A l t h o u g h t h e e f ? c i e n c y o f t h e PVDF

r a n s d u c e r s o f

t h e

i n v e n t i o n

l i e s

b e l o w

0 . 1 % , t h e power c o n s u m p t i o n

a t t h e

t h r e s h o l d

o f s e n s a t i o n

o n l y

amounts t o

a b o u t

0 . 1

mW s a r e s u l t o f t h e s e l e c t i o n o f a h i g h l y s e n s i t i v e

p l a c e

o f s t i m u l a t i o n .

Given

a n e x c i t a t i o n 2 0

d B a b o v e

t h e t h r e s h o l d

o f

s e n s a t i o n ,

power c o n s u m p t i o n r e a c h e s

1 0 mW;

h i s

v a l u e s l i e s

o n

t h e same

o r d e r

o f magnitude

a s t h a t which

h a s

b e e n

i d e n t i ? e d i n o p t i m i z e d , e l e c t r o

c u t a n e o u s

d e v i c e s g i v e n t h e same i n t e n s i t y o f s e n s a t i o n

( a p p r o x i m a t e l y

_ 6

mW).

T e s t s w i t h

a n

e l e c t r o - d y n a m i c

v i b r a t o r

o f t h e s y s t e m F o n o t o r h a v e

s h o w n

t h a t

t h i s

c o m m e r c i a l l y

e m p l o y e d s t i m u l a t o r

l i e s r o u g h l y

1 5

dB

a b o v e

t h e

d e s c r i b e d PVDF t r a n s d u c e r s . A i e z o c e

r a m i c

r e s o n a n t t r a n s d u c e r

f o r

o p e r a t i o n

i n t h e u n d e r


11/17

4 , 7 9 1 , 6 2 0

3

a r m

r e g i o n

c o n s u m e s 1 . 2 5 mW t

t h e

t h r e s h o l d and

i s

t h u s

1 1

d B p o o r e r t h a n t h e PVDF t i m u l a t o r s .

T h e

i n h e r e n t l y l o w e f ? c i e n c y

o f

t h e

PVDF l e m e n t s

t h e r e

f o r e

p l a y s a s u b o r d i n a t e

p a r t .

( d ) F a v o r a b l e Dynamic S y s t e m s B e h a v i o r i n t h e

F r e q u e n c y

R a n g e :

T h i s

demand

s h i g h l y

d e p e n d e n t

o n

t h e d e s i g n o f

t h e

t r a n s m i s s i o n s y s t e m . Because t h e c u r v e s o f i d e n t i c a l

d e g r e e o f s e n s a t i o n a p p r o x i m a t e l y

p r o c e e d

f r o m

t h e

c u r v e

o f


o f

s e n s a t i o n

by p a r a l l e l s h i f t ,

c o r r e s p o n d i n g

d i s t o r t i o n - c o r r e c t i o n

n e t w o r k s i n t o

w hich t h e f r e q u e n c y

r e s p o n s e o f

t h e

t r a n s d u c e r s can be

c o i n c o r p o r a t e d m u s t b e p r o v i d e d g i v e n f r e q u e n c y

m o d u l a t e d

s y s t e m s .

S i n c e

t h e s t r e n g t h o f s e n s a t i o n i n

t h e s e n s e o f touch a s w e l l a s i n h e a r i n g

i s

formed from

t h e i n t e n s i t y

o f

t h e p h y s i c a l s t i m u l a t i o n v i a

a n

e x p o n e n

t i a l

l a w a n d ,

g i v e n

m e c h a n i c a l

e x c i t a t i o n ,

t h i s i s

p r o p o r

t i o n a l

t o

t h e s q u a r e o f v e l o c i t y , f r e q u e n c y r e s o n a n c e

c o r r e c t i o n s must l i k e w i s e b e u n d e r t a k e n g i v e n , f o r e x

a m p l e ,

l i n e a r i m a g i n g o f

t h e

c u r v e o n t o

t h e

l e v e l

o f

s e n s a t i o n .

U n d e r

s k i n l o a d ,

t h e

PVDF

r a n s d u c e r s

e x

h i b i t

a m o n o t o n e frequency

r e s p o n s e t o t h e curve

with

o u t r e s o n a n c e s and can

t h e r e f o r e

be

adapted

t o

t h e

r e q u i r e d t r a n s m i s s i o n g o a l ( r h y t h m , p i t c h ,

e t c . )

w i t h

low

c i r c u i t - t e c h n i c a l o u t l a y . I n b r o a d b a n d t r a n s m i s s i o n

s y s t e m s ,

h o w e v e r ,

t h e

volume r a n g e a v a i l a b l e

i s

l i m i t e d

by

t h e b a n d - p a s s c h a r a c t e r i s t i c o f t h e t h r e s h o l d o f s e n

s a t i o n and o f t h e

c u r v e s

o f

i d e n t i c a l l e v e l s


w h e n

a f r e q u e n c y - i n d e p e n d e n t m a x i m u m t r a n s d u c e r

o p e r a t i o n v o l t a g e i s a s s u m e d .

( e ) S u p p r e s s i o n o f

t h e

S o u n d E m i s s i o n o f t h e T r a n s

d u c e r :

I n o r d e r t o

k e e p

f r o m d i s t u r b i n g t h e

e n v i r o n m e n t

o f

t h e

u s e r

o f

a

t a c t i l e

h e a r i n g a i d ,

i t i s u n d e s i r a b l e f o r

s t i m u l a t o r s t o

e m i t

s o u n d

i n

t h e au d i b l e

f r e q u e n c y

a n d

v o l u m e r a n g e .

T h i s

phenomenon

w h i c h

i s

p r o b l e m a t i

c a l

i n

e l e c t r o - d y n a m i c v i b r a t o r a r r a y s was n o t

o b s e r v e d

i n

a n y o p e r a t i n g c o n d i t i o n o f t h e PVDF r a n s d u c e r s

c o n s t r u c t e d

i n a c c o r d w i t h

t h e i n v e n t i o n .

( f )

I n s e n s i t i v i t y

t o

S t a t i c B e a r i n g

P r e s s u r e :

F o r c o n t a c t i n g , t h e t r a n s d u c e r s

l i e

o n t h e s u r f a c e o f

t h e s k i n u n d e r

s l i g h t m e c h a n i c a l

s t r e s s . A e t e r i o r a t i o n

o f

t h e e f f e c t c a n n o t , h o w e v e r ,

t h e r e b y b e

r e g i s t e r e d . A

r e d u c t i o n i n t h e v olu m e r a n g e

l i k e w i s e

d i d n o t occur

w hen t h e

b i a s v o l t a g e was

a d d i t i o n a l l y i n c r e a se d .

( g )

L o w

D i s t o r t i o n :

D u e t o

t h e b a n d - p a s s

c h a r a c t e r i s t i c o f

t h e

c u r v e s o f

i d e n t i c a l l e v e l s

o f

s e n s a t i o n ,

t h i s

demand l i k e w i s e

p l a y s

a n

i n s i g n i ? c a n t

p a r t .

G i v e n

s y s t e m s

which p r e d o m i

n a t e l y o p e r a t e i n

t h e

l o w - f r e q u e n c y r a n g e 3 0

Hzf

0 0 H z , h o w e v e r , p r e c e p t i b l e d i s t o r t i o n

p r o d

u c t s can occu r

a t

h i g h n o n - l i n e a r d i s t o r t i o n f a c t o r s o f

t h e

t r a n s d u c e r s . I n PVDF r a n s d u c e r s , a l l h i g h harmon

i c s l i e n o t i c e a b l y below

t h e

t h r e s h o l d o f s e n s a t i o n d u e

t o

t h e

h i g h

h a r m o n i c d i s t o r t i o n a t t e n t u a t i o n (> 0 d B t

maximum e v e l ) .

( h )

G r e a t V o l u m e

R a n g e :

P r e l i m i n a r y t e s t s w i t h a

s i l i c o n r u b b e r

c l a d d i n g

o f

t h e


s h o w t h a t

t h e a v a i l a b l e

r a n g e

o f volume

i s

t h e r e b y

p r e s u m a b l y r e d u c e d b y o n l y 6 t h r o u g h 8 d B . I n

m eth ods

w hic h

t r a n s m i t

s p e e c h

i n f o r m a t i o n v i a

a n

a m

p l i t u d e

m o d u l a t i o n

o f a s i n u s o i d a l

2 0 0

Hz

c a r r i e r s ,

t h e r e f o r e ,

o n l y

s l i g h t

c o m p r e s s i o n

f a c t o r s

o f

t h e

e n v e

l o p e v o l u m e

o f t h e v o i c e s i g n a l a r e r e q u i r e d .

( i ) Low Long-Term Burden on t h e U s e r :

T h e employment

o f a n y p r o t h e s i s i s d e t e r m i n e d

t o

a

n o t

i n c o n s i d e r a b l e

d e g r e e by p s y c h o l o g i c a l

a n d c o s

m e t i c

p o i n t s

o f

v i e w . E v e n

a

PVDF r a n s d u c e r

m a y

2 5

3 0

3 5

4 5

50

6 5

4

s t i l l b e f o u n d budensome

h a t t h e f r e e d o m

o f

m o b i l i t y o f

t h e hand s l i m i t e d

g i v e n

employment

o f

a m u l t i - c h a n n e l

s y s t e m

on

a

h a n d . Given o n e - c h a n n e l t r a n s m i s s i o n ,

h o w e v e r , t h i s w o u l d h a r d l y b e o f s i g n i ? c a n c e s i n c e t h e

t r a n s d u c e r c a n b e u n o b t r u s i v e l y w o r n i k e a

?nger

r i n g .

T h e low

power

c o n s u m p t i o n a n d p l e a s i n g s t r u c t u r e o f

t h e

PVDF

t i m u l a t o r s

r e d u c e

a

b u l k y

a n d heavy

p r o

c e s s i n g s y s t e m t o a s m a l l , e a s i l y w e a r a b l e d e v i c e which

c a n b e

o p e r a t e d

f o r m a n y h o u r s .

I t

i s t o b e a n t i c i p a t e d

t h a t a s y s t e m e q u i p p e d w i t h t h e s e t r a n s d u c e r s w i l l b e

a c c e p t e d

and

em p lo y ed

by

m o r e d e a f

p e r s o n s

t h a n

t h e

l a r g e a n d

h e a v y

d e v i c e s

p r e s e n t l y

a v a i l a b l e .

( j ) O p e r a t i n g R e l i a b i l i t y :

L o n g - t e r m

t e s t s

h a v e shown t h a t

PVDF

s

e x t r e m e l y

s t a b l e

g i v e n t h e c o n d i t i o n s o f

e m p l o y m e n t

i n

v i b r a t i o n

t r a n s d u c e r s . I t s p r o p e r t i e s c h a n g e

m i n i m a l l y

o r do n o t

c h a n g e a t a l l over

t h e

c o u r s e o f t i m e a s l o n g a s g r e a t

t e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n s

a r e

a v o i d e d ( b e l o w 2 5

and

above + 0 C . ) . S i l i c o n e r u b b e r

can be

a s u i t a b l e

c l a d ;

d i n g

m a t e r i a l w h i c h

k e e p s

a c i d s

o f

s k i n p e r s p i r a t i o n

awa y

f r o m

t h e

?lm

m e t a l l i z a t i o n .

P o l y v i n y l i d e n e

f l u o

r i d e r e s i s t s

m a n y

a c i d s a n d c a u s t i c

s o l u t i o n s .

O t h e r

e s s e n t i a l l y n e g a t i v e i n f l u e n c e s o n PDVF

i v e n

e m p l o y

m ent i n

t r a n s d u c e r s o f t a c t i l e h e a r i n g p r o t h e s e s

a r e

n o t

c u r r e n t l y k n o w n .

T e s t s h a v e shown

t h a t

c o m m e r c i a l l y

a v a i l a b l e

PVDF

i s s u i t ab l e f o r e l e c t r o - m e c h a n i c a l


f o r s t i m u

l a t i o n

a t t h e

? n g e r

m e m b er s o f

t h e h u m a n h a n d .

T h e

i m p e d i m e n t t h a t t h e f r e e d o m

o f

m o b i l i t y

o f

a h a n d i s

l e s s e n e d

d u e t o

t h e

employment o f s u c h t r a n s d u c e r s i s

n o t i c e a b l y

a l l e v i a t e d b y t h e

s i g n i ? c a n t a d v a n t a g e o f

t h e

s m a l l e r v o l u m e and

weight a s

w e l l

a s

o f

t h e

low p ow er

c o n s u m p t i o n o f

t h e

s t i m u l a t o r s .

T h e

e m p l o y m e n t

o f t h e

t r a n s d u c e r s i n


s y s t e m s i s

t h u s a l s o c o n

c e i v a b l e

i n

t h e c a s e

of deaf

n f a n t s

who

an

i n

n o

c a s e

be

b u r d e n e d b y h e a v y a n d b u l k y

d e v i c e s i n

a d d i t i o n

t o

t h e i r i m p e d i m e n t .

T he

t h r e s h o l d o f s e n s a t i o n

t e s t s

w hich show ed t h a t t h e v i b r a t o r y

s e n s a t i o n

o f t h e

n e w

t r a n s m i t t e r s r e m a i n s

l o c a l l y

l i m i t e d t o t h e r e s p e c t i v e l y

e x c i t e d ? n g e r m e m b e r a l s o i n d i c a t e t h a t t h e

e m p l o y

ment o f t h e s e


i s a l s o a d v a n t a g e o u s i n , f o r

i n s t a n c e , t h e


v i b r a t o r s y s t e m s k n ow n

from French P a t .

No.

1 2

3 1

. 0 8 5 .

On t h e h a n d , t h e

PVDF

t i m u l a t o r s a r e a l s o h i g h l y s u i t e d

f o r

s u p p l y i n g

t h e

e s s e n t i a l

a d d i t i o n a l i n f o r m a t i o n

d u r i n g

l i p

r e a d i n g

g i v e n s i n g l e - c h a n n e l m e t h o d s

f o r

t h e t r a n s m i s s i o n

o f

t h e

f u n d a m e n t a l

v o i c e f r e q u e n c y

a n d

s i m p l e f e a t u r e s

such

a s s e n t e n c e

s t r e s s and

rhythm.

DESCRIPTION OF THE

DRAWINGS

FIG.

1

shows a n

e x p e r i m e n t a l a r r a n g e m e n t f o r i d e n

t i f y i n g



v o l t a g e a t

a

s i n g l e - p l y

PVDF

inding. A

FIG. 2 shows

t h e a m p l i t u d e

U

f

a

s i n u s o i d a l

a l t e r

n a t i n g v o l t a g e a t t h e t h r e s h o l d o f s e n s a t i o n w i t h t h e

PVDF

i n d i n g

o f F I G . 1 o v e r t h e

f r e q u e n c y

f ( t h e

v a r i a t i o n o f

t h e

m e a s u r i n g

b r e a d t h

i s r e s p e c t f u l l y

e n

t e r e d a t t h e m e a s u r i n g p o i n t s b y a v e r t i c a l p a t h ) .

FIG. 3

shows

a n a r r a n g e m e n t

f o r

m e a s u r i n g t h e

t h r e s h o l d


g i v e n

n o n - l i m i t e d , l a r g e - a r e a

s k i n

s t i m u l a t i o n a t a ? n g e r j o i n t .

FIG.

4

shows t h e

c u r v e

a m p l i t u d e i a t t h e t h r e s h o l d

o f

s e n s a t i o n

o v e r

t h e

f r e q u e n c y

f

measured

w i t h

t h e

a r r a n g e m e n t o f FIG. 3 ( w i t h v a r i a t i o n o f t h e m e a s u r e d

v a l u e

a s

i n

FIG. 2 ) .

FIG. 5

s h ow s

a s i n g l e - p l y bim o r p h

s t r u c t u r e

o f a

PVDF r a n s d u c e r w i t h c a r r i e r r i n g

c o n s t r u c t e d i n

a c

c o r d a n c e w i t h t h e

p r e s e n t

i n v e n t i o n .


12/17

4 , 7 9 1 , 6 2 0

5

FIGS.

6

t h r o u g h

9

s h o w t h e

s t r u c t u r e and m ea ns f o r

s k i n c o n t a c t

of a


PVDF

r a n s d u c e r c o n

s t r u c t e d i n a c c o r d a n c e w i t h t h e p r i n c i p l e s o f t h e p r e s e n t

i n v e n t i o n

w i t h o u t

b i m o r p h s t r u c t u r e .

FIG.

1 0 shows t h e a m p l i t u d e

U

f

a s i n u s o i d a l a l t e r

n a t i n g v o l t a g e

a t


o f

s e n s a t i o n

w i t h

m u l t i

p l y

PVDF

r a n s d u c e r s

d e p e n d e n t o n

t h e

f r e q u e n c y

a n d

t h e

n u m b e r n o f

p l y s .

A

FIG.

1 1

shows t h e v o l t a g e a m p l i t u d e

U

a n d con

sumed p ow er P

o f

m u l t i - p l y PVDF r a n s d u c e r s a t t h e

t h r e s h o l d o f

s e n s a t i o n

g i v e n f =200 Hz d e p e n d e n t o n

t h e

number n

o f

p l i e s .

F IG.

12

s h o w s

t h e a rra ngement of o n e or

m o r e t r a n s

ducers o n a hand.

F IGS .

1 3 and

14

s h o w a

m o d i ? e d s t r u c t u r e

o f a

m u l t i

p l y

f o l d e d s t a c k .

FIG. 1 5 shows a n

a r r a n g e m e n t

f o r

i d e n t i ? c a t i o n

o f

t h e

l o n g - t e r m s t a b i l i t y o f

t h e PVDF o n s t a n t D 3 1 .

F I G . 1 6 s h o w s

t h e

f r e q u e n c y d e p e n d e n c y o f

t h e

c o n s t a n t

D 3 1

( U

1:20

V ) .

F I G .

1 7

s h o w s

t h e

l o n g - t e r m

s t a b i l i t y

o f

t h e c o n s t a n t

D31 g i v e n f = 0 0 Hz and U1= 6 0 V h i c h s o b t a i n a b l e

i n

a c c o r d w i t h

FIG.

1 5 .

FIG.

1 8 s c h e m a t i c a l l y shows

a n a r r a n g e m e n t

f o r

m e a s u r i n g

t h e

m e c h a n i c a l s k i n

i m p e d a n c e

w i t h o u t

l i m i

t a t i o n

g i v e n s m a l l

s t i m u l a t i o n

a r e a s

( S $ = 0 . 2 8

c m z ) .

F I G .

1 9

s h o w s t h e m e c h a n i c a l impedance/EV d e

p e n d e n t

on t h e

f r e q u e n c y f ,

m e a s u r e d

w i t h

t h e

a r r a n g e

m ent o f FIG. 1 8 ( w i t h measured v a l u e v a r i a t i o n

a s

e n t e r e d

i n

F I G .

2 ) .

FIG. 2 0 shows

a

m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t c i r c u i t d i a

gra m o f t h e i m p e d a n c e / _ Z _ * / shown

i n

F I G .

1 9 .

F I G .

2 1 s c h e m a t i c a l l y shows a n a r r a n g e m e n t

f o r

m e a s u r i n g

t h e

m e c h a n i c a l

s k i n

i m p e d a n c e w i t h o u t l i m i

t a t i o n

g i v e n

l a r g e s t i m u l a t i o n a r e a s

( S S = 2 . 8

c m z ) .

F I G . 2 2 s h o w s t h e m e c h a n i c a l s k i n impedance/2V

d e p e n d e n t

on

t h e f r e q u e n c y f ,

m e a s u r e d

w i t h t h e a r

r a n g e m e n t o f FIG.

2 1

( t h e m e a s u r e d v a l u e v a r i a t i o n

i s

e n t e r e d

a s

i n FIG.

2 ) .

FIG.

2 3

shows

a n a r r a n g e m e n t f o r m e a s u r i n g t h e

m e c h a n i c a l i m p e d a n c e o f t h e c a r r i e r r i n g g i v e n s i n g l e

sided c l a m p i n g .

_

F I G .

2 4

s h o w s

t h e m e c h a n i c a l

i m p e d a n c e / _ Z _ /

0 f t h e

c a r r i e r r i n g and o f a

s i x - p l y


o v e r

t h e

f r e q u e n c y f , m e a s u r e d

w i t h t h e


o f F I G . 2 3 .

FIG.

2 5 s h ow s

t h e n o - l o a d

curve X f

a t w e l v e - p l y

PVDF r a n s d u c e r w i t h o u t c l a m p i n g

o v e r

t h e f r e q u e n c y

f

( r e f e r e n c e

v a l u e x 0 a r b i t r a r y ) .

FIG.

2 6

shows

t h e

c u r v e

X

f

t h e t r a n s d u c e r

o f

FIG.

1 9 u n d e r s k i n l o a d ( i n d e x ? n g e r r o o t o f

t h e

r i g h t h a n d )

o v e r

t h e f r e q u e n c y f ; t h e c e n t r a l v a l u e s o f f o u r t e s t

s u b j e c t s a r e

shown,

r e f e r e n c e v a l u e X 0 .

_

F I G . 2 7 s h o w s t h e

e l e c t r i c a l

i n p u t

s i g n a l U

t a

t w e l v e - p l y


( U =20 V ) .

FIG.

2 8

s h ow s t h e curve o f

t h e t r a n s d u c e r

under

s k i n

l o a d

( q u a l i t a t i v e

m e a s u r e m e n t ) .

DESCRIPTION

OF THE PREFERRED

EMBODIMENTS

T h e s e n s o r y t h r e s h o l d f o r s i n u i s o i d a l d e f o r m a t i o n s

a c t i n g

p e r p e n d i c u l a r

t o

t h e s k i n s u r f a c e i s d e p e n d e n t on

t h e s t i m u l a t e d a r e a and on t h e

body

r e g i o n ,

i n

a d d i t i o n

t o

b e i n g

d e p e n d e n t

on

o t h e r p a r a m e t e r s .

F u n d a m e n

t a l l y , t h e s e n s i t i v i t y i n c r e a s e s w i t h

t h e a r e a a n d i n d i s t a l

d i r e c t i o n

a n d r e a c h e s i t s

m a x i m u m

t

t h e ? n g e r t i p s . I n

a p r e l i m i n a r y t e s t s c h e m a t i c a l l y

s h own

n

FIG. 1 ,

t h e r e

f o r e , t h e

a m p l i t u d e

o f a

s i n u i s o i d a l a l t e r n a t i n g v o l t a g e

was

i d e n t i ? e d dependent on

t h e f r e q u e n c y which

must

5

1 5

20

2 5

3 0

3 5

45

5 5

6 5

6

b e a p p l i e d

v i a

l i n e s 1 . 3

and 1 . 4 t o

t h e

e l e c t r i c a l l y

con

d u c t i v e

l a y e r s

1 . 1

a n d

1 . 2 l y i n g

o n t h e l a r g e

s u r f a c e s

l y i n g o p p o s i t e one a n o t h e r

i n o r d e r

t o a c h i e v e

t h e

s e n

s o r y t h r e s h o l d a t a

s i n g l y - p l y

PVDF

inding o f a band

shaped ? l m 1 .

A

0 mm

ide and 9

pm

h i c k band 1

o f

PVDF a s p l a c e d

around

t h e r o o t o f t h e i n d e x

?nger

2

o f

t h e

r i n g

hand

a n d

was

? x e d

u n d e r

s l i g h t

m e c h a n i c a l

t e n s i o n . F i v e a d u l t

t e s t

s u b j e c t s t h e r e w i t h

i d e n t i ? e d

t h e i r

s e n so r y t h r e s h o l d by m e a n s

o f

o s c i l l a t i n g t u n i n g

with a Bekes y A u d i o m e t e r k n o w n, f o r

example,

f r o m

P s y c h o a k u s t i k

( E . Z w i c k e r ) .

FIG. 2

shows

t h e

c e n t r a l v a l u e s a n d

s t a t i s t i c a l

? u c t u

a t i o n s o f

t h e r e s u l t s . A s i n d i c a t e d

by

t h e d o t - d a s h

s t r a i g h t l i n e 4 ,

t h e

c u r v e 3

i n i t i a l l y

f a l l s w i t h a p p r o x i

ma tely

1 2 dB/Oct.

I t r e a c h e s

a c l e a r

m i n i m u m a t f

=

00

Hz

a n d

t h e n

r i s e s s h a r p l y t o w a r d

h i g h e r

f r e q u e n c i e s .

T h e m ini m u m

v o l t a g e

a t f=200

Hz

a m o u n t s t o o n l y

U=6.5

V .

D e r i v i n g

f r o m t h e

p i e z o e l e c t r i c f u n d a m e n t a l

e q u a t i o n s a r e :

$ 1 = d 3 ' E s + $ 1 1 E - T 1

( 1 b )

w i t h o u t

i n ? u e n c e

o f a

m e c h a n i c a l

s t r e s s T1 ( i n v e r s e

p i e z o e f f e c t ) ,

$ 1 = d 3 1 - E 3

( 2 )

[ d e r i v i n g ] f r o m

( 1 b ) ,

w h e r e b y S 1 i s t h e

d i l a t a t i o n

o f

t h e

?lm i n l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n

( t h e

i n d e x 1

i n d i c a t e s

t h e m a c h i n e d i r e c t i o n ) , d 3 1 i s t h e p i e z o e l e c t r i c c o n

s t a n t a n d E 3

s t h e a p p l i e d

? e l d

s t r e n g t h i n

p o l a r i z a t i o n

d i r e c t i o n

( p e r p e n d i c u l a r

t o

t h e

?lm s u r f a c e ) .

For t h e

c a l c u l a t i o n o f

t h e s k i n

e x c u r s i o n x

g i v e n

f = 0 0

Hz

a n d

U=6.5

V , t h e r e

f o l l o w s

f r o m

( 2 )

d 3 1 U ( 3 )

=

w h e r e b y

x=r=radius

c h a n g e

o f t h e

PVDF i n d i n g

a s s u m e d

t o be c i r c u l a r .

l = ? n g e r

c i r c u m f e r e nc e ( r o u g h l y 6

c m )

d = t h i c k n e s s

o f

t h e

? l m

( 9

u r n ) L

With d 3 1 = 2 0 . l 0 - 1 2 m/V n d U = 6 . 5 V , 2:140

n m

d e r i v e s .

A n e x p e r i m e n t a l a r r a n g e m e n t s c h e m a t i c a l l y shown

i n

FIG.

3

was

em p lo y ed

f o r

a

comparable

measurement

o f s e n s o r y t h r e s h o l d . Two 1 0

mm i d e ,

s e m i c i r c u l a r

s p r i n g s t e e l p a r t s

5

a n d 6 s u r r o u n d t h e ? n g e r 7 . T he

s i n u i s o i d a l , v e r t i c a l

d i s p l a c e m e n t i n d i c a t e d

b y d o u b l e

a r r o w s 1 0 and

1 0 . 1 g e n e r a t e d

by a n o s c i l l a t o r y

s t i m u l a

t o r

8

a n d i m p e d a n c e m e a s u r i n g

h e a d 9 i s t r a n s f o r m e d

v i a s l a n t ed

p l a n e s

( 4 5 )

1 1

and

1 1 . 1

i n t o

h o r i z o n t a l mo

t i o n s o f t h e h a l f - r i n g s 5 a n d 6 .

A

k i n d e f o r m a t i o n s i m i

l a r t o t h a t g i v e n t h e s i n g l e

PVDF

i n d i n g

( F I G .

1 )

i s

t h e r e b y a c h i e v e d .

T h e

s e n s o r y

t h r e s h o l d s

o f

s i x

t e s t

s u b j e c t s were i d e n

t i ? e d w i t h

t h i s

a r r a n g e m e n t b y

c o n v e r t i n g

t h e

a c c e l e r a

t i o n v a l u e ( m e a s u r e d s i g n a l U;

o f

t h e i m p e d a n c e

mea

s u r i n g

h e a d ) , s e t

i n t h e

t e s t b y

o s c i l l a t o r y

t u n i n g ,

b y

t w o - f o l d i n t e g r a t i o n i n t o t h e

d i s p l a c e m e n t x

c o r r e

s p o n d i n g t o t h e t h r e s h o l d .

C o r r e c t

o p e r a t i n g o f t h e

motion t r a n s f o r m a t i o n c o u l d

be c o n ? r m e d with an

i n

d u c t i v e

p a t h

s e n s o r 1 5 by means

o f

n o n - c o n t a c t i n g

o d o m e t r y

( F I G . 3 ) . T h e hand o f t h e t e s t

s u b j e c t

was i n

c o n t a c t w i t h a b e a r i n g p l a t e 1 6 o n l y w i t h

t h e

? n g e r t i p s


13/17

4 , 7 9 1 , 6 2 0

7

and

t h e

w r i s t ; t h e t e s t s u b j e c t s were

s e a t e d

i n

a n o i s e

p r o o f and

v i b r a t i o n - p r o o f r o o m

and were d e a f e n e d v i a

h e a d s e t s

w i t h w h i t e n o i c e

(L=85

d B ) l o w - p a t h

l i m i t e d

a t

o n e kHz

i n order

t o prevent

an a c o u s t i c a l d e t e c t i o n o f

t h e m e c h a n i c a l s t i m u l a t i o n s .

T h e curve 1 7 o f

t h e s e n s o r y

t h r e s h o l d curve

i n

F IG.

4 and

t h e

d o t - d a s h

s t r a i g h t l i n e

4 . 2 ,

l i k e

c u r v e s

3

and 4

i n

FIG.

2 , s h o w a n edge

d e s c e n d i n g w i t h

1 2 dB/Oct,

show

a m inimum a t s l i g h t l y

h i g h e r

f r e q u e n c i e s t h a n i n

FIG.

2 ,

a n d

s h own

a n o t i c e a b l e r i s e

f o r

f r e q u e n c i e s

a b o u t 3 0 0 Hz. T h i s curve o f

t h e s e n s o r y

t h r e s h o l d

i s

k n o w n

and c o r r e s p o n d s t o t h e t h r e s h o l d c u r v e o f

Pac

c i n i s m e c h a n o - r e c e p t o r s y s t e m

w h i c h

s i n d e p e n d e n t o f

t h e p o i n t

o f

s t i m u l a t i o n g i v e n

l a r g e

s t i m u l a t i o n a r e a s .

T h e

displacement 2 2 :

I 3 0 nm

easured

a t f= 00 Hz

a g r e e s w e l l w i t h t h e v a l u e 2:140 nm a l c u l a t e d f r o m

e q u a t i o n ( 3 ) a n d t h u s c o n ? r m s t h e

v a l i d i t y

o f t h e ?lm

s i m u l a t i o n

w i t h

t h e

m e c h a n i c a l model

o f FIG.

3 .

T h e

f o l l o w i n g

s t a t e m e n t s

c a n b e d e r i v e d f r o m t h e s e

d e t e r m i n a t i o n s .

( a )

p i e z o e l e c t r i c

p o l y m e r s

a r e

f u n d a m e n t a l l y

s u i t a b l e

a s e l e c t r o - m e c h a n i c a l

t r a n s d u c e r s f o r

t a c t i l e

s t i m u l a t o r s

a t t h e h a n d ;

w h e n

U==

1 0 0 V ' i s

e s t a b l i s h e d a s m a x i m u m

v o l t a g e ,

a

u s e a b l e volume

r a n g e

A L = 2 0 1 g ( 1 0 0 V/ . 5

V) d B = 2 4

d B d e r i v e s f o r PVDF

i v e n

t h e b e s t f r e

quency f = 2 0 0 H z . A t l e a s t t h i s v a l u e

can

t h e r e f o r e

be

a c h i e v e d

f o r

a v o i c e s i g n a l p r o c e s s i n g .

( b ) I t

d e r i v e s

f r o m e q u a t i o n s ( 2 ) a n d

( 3 )

t h a t t h e t h i c k

n e s s

d

o f

a

? l m s h o u l d assume o p t i m a l l y l o w

v a l u e s f o r

a

m a x i m u m l o n g i t u d i n a l d i s t o r t i o n

5 1 .

( c ) T h e

s i m i l a r i t y o f t h e t h r e s h o l d

c u r v e s i n FIGS. 2

a n d

4 n d i c a t e s t h a t

mecha nica l resonances d o not

o ccu r

i n t h e f r e q u e n c y r a n g e u n d e r c o n s i d e r a t i o n a n d s h o r t

r e s p o n s e

t i m e s

can

t h e r e f o r e be

counted

o n given a

PVDF

r a n s d u c e r .

T he

PVDF i n d i n g f o r m i n g a

c o m p l e t e

r i n g a s

i n

FIG.

1

i s n o t p a r t i c u l a r l y

s u i t a b l e a s a t r a n s d u c e r g e o m

e t r y w h e n t h i s s t i m u l a t o r t o b e w o r n by

a

h e a r i n g

i m p a i r e d p e r s o n i s

n o t

r e m o v a b l e ,

i . e .

w h e n i t i s n o t

e l a s t i c a l l y w i t h d r a w a b l e

o r

u n w i n d a b l e .

M o r e o v e r , t h e

e x t r e m e l y t h i n

m e t a l l i z a t i o n ,

i . e . t h e e l e c t r i c a l l y c o n

d u c t i v e l a y e r s

1 . 1

a n d

1 . 2 o f

t h e

? l m

1 which

m a k e

up

t h e winding a r e

a t t a c k e d by t h e a c i d s c o n t a i n e d

i n

e x

c r e t i o n s o f

t h e s k i n ,

f o r i n s t an c e p e r s p i r a t i o n .

T he m e c h a n i c a l i m p e d a n c e

o f

t h e l o a d

i s

i n c r e a s e d

w h e n t h e ?lm 1

i s

a p p l i e d t o a c a r r i e r r i n g f o r p r o t e c t i o n

and f o r s o l i d i ? c a t i o n . G r e a t e r f o r c e s would t h e n have

t o be

e x e r t e d

i n

order

t o

achieve a displacement x

o b

t a i n a b l e w i t h o u t a c a r r i e r . E m p l o y a b l e a

m a t e r i a l s

f o r

t h e c a r r i e r

r i n g

a r e

m a t e r i a l s

which

a r e a d e q u a t e l y s t a

b l e g i v e n t h e r e q u i r e d d i m e n s i o n s a n d

which

do

n o t

i n j u r i o u s l y i n f l u e n c e t h e ? l m a s w e l l a s i t s e l e c t r o d e s .

T h e

p o l y a c e t a l

p l a s t i c k n ow n

n d e r

t h e name o f D e l r i n ,

w h i c h i s

p o l y o x y m e t h y l e n e (POM) e x h i b i t s ,

f o r

i n

s t a n c e ,

s u c h

p r o p e r t i e s .

A

b i m o r p h s t r u c t u r e

i s

p o s s i b l y u s i n g

PVDF,

w h e r e b y t h e f o r c e

a c h i e v e d

i n c r e a s e s

q u a d r a t i c a l l y

w i t h t h e number o f PVDF l i e s . FIG. 5 shows a

b i

m o r p h s t r u c t u r e w h e r e i n a r e s p e c t i v e p l y 2 1 a n d 2 2 o f

PVDF s

a p p l i e d

t o

t h e

i n s i d e and o u t s i d e o f a c a r r i e r

r i n g 2 0 w h i c h i s t h r e e - f o u r t h s

c l o s e d . i d e n t i c a l l y

d i ~

r e c t e d

?lm

p o l a r i z a t i o n

P , i n d i c a t e d

w i t h

a r r o w s 2 3 ,

a n d t h e

o p p o s i t e l y

d i r e c t e d ? e l d s t r e n g t h o f t h e s i g n a l

v o l t a g e

a p p l i e d

t o t h e t e r m i n a l s 2 4 a n d 2 5 c a u s e s

op p o

s i t e d i s t o r t i o n S 1 o f t h e p l i e s

2 1

a n d

2 2 o f

t h e

? l m . W h e n

t h e

o u t e r

p l y 2 2

e x p a n d s ,

t h e i n n e r p l y 2 1

c o n t r a c t s ,

w h e r e b y

t h e d e s i r e d

d e f o r m a t i o n

o f t h e

c a r r i e r r i n g 2 0

a n d ,

t h u s ,

o f t h e

s k i n

s u r f a c e

i s

a c h i e v e d . I t c a n b e s e e n

5

2 0

3 5

45

5 5

8

from

FIG.

5 t h a t t h e bim o r p h

s t r u c t u r e

must b e s y m

m e t r i c a l

r e l a t i v e

t o t h e c a r r i e r

r i n g ;

w h e n b o t h s t r i p s a r e

a p p l i e d

t o

o n e

s i d e ,

t h e

g e n e r a t e d f o r c e

c o m p e n s a t e .

T h i s h a s b e e n e x p e r i m e n t a l l y c o n ? r m e d . T h e f o l l o w i n g

r e a s o n s , however, oppose

a

bim o r p h

s t r u c t u r e :

( a ) t h e

u n i f o r m

a p p l i c a t i o n

o f

a

p l u r a l i t y o f PVDF

p l i e s

2 1

t o

t h e

i n s i d e

o f

t h e

r i n g

2 0

i s

v e r y t e c h n o l o g i

c a l l y

c o m p l e x .

( b ) T h e r e q u i r e d ,

d o u b l e

c o n t a c t i n g

2 6 ,

2 7 a t t h e

i n s i d e

a n d t h e o u t s i d e d i m i n i s h e s t h e o p e r a t i n g r e l i a b i l

i t y .

( c )

W h e n t h e i n s i d e

c o n n e c t i o n

i s

d i s p l a c e d

o n t o t h e

u p p e r s i d e o f t h e r i n g b y ? i p p i n g t h e i n s i d e p l y 2 1 o v e r ,

t h e

m e c h a n i c a l j e o p a r d i z a t i o n o f t h e

?lm

t

t h e

e d g e o f

t h e c a r r i e r r i n g

2 0 i s

c o n s i d e r a b l y i n c r e a s e d .

A

imorph s t r u c t u r e i s t h e r e f o r e

n o t

p r e f e r r e d .

FIGS. 6 t h r o u g h 9

s h o w

a t r a n sd u c e r

s t r u c t u r e t h a t

c a n b e s i m p l y a p p l i e d a n d i n

t u r n

removed f r o m , f o r

i n s t a n c e , a ? n g e r . A e c h a n i c a l

p a r a l l e l

c o n n e c t i o n o f

t h e

i n d i v i d u a l

p l i e s 3 0 t h r o u g h

3 2

a n d , t h u s ,

a n

a d d i t i o n

o f

t h e

o c c u r r i n g

f o r c e s

i s

a c h i e v e d

b y

t h e m u l t i p l e

w i n d i n g i n d i c a t e d i n FIG. 6 , i . e . a f o l d e d s t a c k

1 . 6

o n

t h e

u p p e r

s i d e o f t h e c a r r i e r r i n g

2 0 . 6 .

I n

c o m p a r i s o n

t o

t h e k n ow n l a y e r s y s t e m s , h o w e v e r , a c o n t a c t i n g o f

t h e

two

e l e c t r i c a l l y

c o n d u c t i v e

o u t s i d e f a c e s o f t h e t a p e

i s

n e c e s s a r y ( c f J .

A c o u s t . S o c .

I m . , V o l .

7 0 ,

N o . 6 ,

December

1 9 8 1 , 1 6 0 5

a n d

1 6 0 6 ) . T h e d i m e n s i o n s o f t h e

t r a n s d u c e r a n d t h e

t y p e o f

c o n t a c t i n g m a y b e s e e n f r o m

F I G S . 7

t h r o u g h

9 .

T h e c a r r i e r r i n g 2 0 . 6 i s

0 . 4

mm h i c k and 9 mm ide

a n d i s com p osed o f P O M . A e c t o r 3 5 o f 9 0 h a s b e e n

c u t o u t

t h e r e f r o m

i n o r d e r

t o

a c h i e v e

an

a d e q u a t e l y

? r m

m o u n t i n g a n d a

s t i l l

a d e q u a t e l y s i m p l e

r e m o v a b i l

i t y .

A l t h o u g h a s i m p l e i n t e r r u p t i o n o f t h e r i n g

g i r t h i s

s u f ? c i e n t

t o

o b t a i n

a

r e s i l i e n t

s t r u c t u r e ,

t h e

9 0

c u t - o u t

a c h i e v e s a s p r i n g

e f f e c t , p a r t i c u l a r l y f o r

e m p l o y m e n t a t

? n g e r s ,

w h i c h

i s e s p e c i a l l y

b e n e ? c i a l f o r

t h e

r e m o v a l

and

a p p l i c a t i o n o f

t h e

t r a n s d u c e r .

B y m ea ns

o f a n a p

p r o p r i a t e s e l e c t i o n

o f

t h e

i n s i d e r a d i u s ( h e r e , a b o u t 9

mm o r

a ? n g e r ) ,

an

i n t i m a t e

m e c h an i c al contact

t o t h e

s k i n s u r f a c e i s t h e r e b y

a l s o

o b t a i n e d . T h e c u t e d g e s o f

t h e ?lm o f which t h e

p l i e s

3 0

t h r o u g h

3 2 a r e composed

and w hich a r e s u b j e c t t o s h o r t s a r e

m e c h a n i c a l l y p r o

t e c t e d

b y e d g e s 3 6 a n d 3 7

( F I G .

8 )

o f t h e c a r r i e r

2 0 . 6

w h i c h a r e 0 . 5 mm i d e a n d d r a w n up 0 . 3

mm. u r t h e r ,

t h e

w i n d i n g

1 . 6 i s

p r o t e c t e d

a t t h e o u t s i d e

w i t h a l a y e r

3 9 o f s i l i c o n e r u b b e r .

I n

o r d e r

t o

k e e p a n

i n c r e a s e

i n t h e

impedance wh i c h

i s u n a v o i d a b l e

d u e

t o

g l u e

l a y e r s f o r

h o l d i n g

t h e

p l i e s

3 0

t h r o u g h

3 2

a g a i n s t

one a n o t h e r a s

low

a s p o s s i b l e ,

t h e

t h i c k n e s s

o f t h e g l u e

l a y e r

s h o u l d b e s m a l l i n c o m p a r i

s o n

t o t h e t h i c k n e s s

o f

t h e

? l m (d=9 p m ) .

T h i s i s

a c h i e v e d

b y w i p i n g

t h e g l u e n e a r l y c o m p l e t e l y

o f f ;

t h i c k n e s s e s l e s s t h a n 0 . 3 pm an t h u s b e

a c h i e v e d

f o r

t h e

g l u e

l a y e r s . A

wo-component g l u e

on a n e p o x y r e s i n

b a s i s h a s proven t o be

a

s u i t a b l e

a d h e s i v e ,

e n a b l i n g

a

r a p i d m a n u f a c t u r e

o f

m u l t i - p l y

t r a n s d u c e r s a s

a r e s u l t

o f

i t s low p o t l i f e ,

a n d n o t a t t a c k i n g t h e m e t a l l i z a t i o n o f

aluminum

a p p l i e d a s

e l e c t r o d e s

t o

t h e f a c i n g

s u r f a c e s o f

t h e

p l i e s 3 0 t h r o u g h 3 2 , a n d e a s i l y r e m a i n i n g p e r m a

n e n t l y

e l a s t i c .

The c o n t a c t i n g

o f t h e e l e c t r i c a l l y

c o n d u c t i v e

l a y e r s

3 8

w i t h

which t h e band o f

PVDF

rom which

t h e

p l i e s

3 0

t h r o u g h 3 2 a r e composed i s c o a t e d i s

p r o b l e m a t i c a l

b e c a u s e o f t h e t h i n l a y e r s

3 8

s e r v i n g

a s

e l e c t r o d e and

b e c a u s e o f t h e i r u n a v o i d a b l e o x i d e l a y e r , p a r t i c u l a r l y

g i v e n

a p p l i c a t i o n

o f h i g h

? e l d s .

A o n t a c ti n g u s i n g a

c o m b i n a t i o n

o f t h i n c o p p e r

f o i l 4 0 c o a t e d w i t h conduc


14/17

9

t i v e

a d h e s i v e

a n d

h i g h - q u a l i t y t w o - c o m p o n e n t

s i l v e r

c o n d u c t i v e g l u e 4 1

h a r d e n i n g

a t r o o m t e m p e r a t u r e

e x h i b i t e d low r e s i s t a n c e a n d

g r e a t

s t a b i l i t y

which was

d u r a b l e over a l o n g

t i m e . T h e boundary c o n d i t i o n

o f

l o w p r o c e s s i n g

t e m p e r a t u r e s

i n a l l s t e p s o f t h e m a n u f a c

t u r e i s i m p o r t a n t

s i n c e t h e

C u r i e t e m p e r a t u r e o f PVDF

l i e s

a t

8 0

C .

a n d

d e - p o l a r i z a t i o n

p r o c e s s e s

which

l e a d

t o a r e d u c t i o n o f

t h e

p i e z o c o n s t a n t s o f PVDF e g i n

a b o v e t h a t t e m p e r a t u r e .

T h e

s e l e c t e d c o n t a c t i n g i s s h own n FIGS.

8

and

.

A

r e c t a n g u l a r p i e c e ( 4

mm> 1 0 0

K V / c m )

o c c u r r i n g g i v e n

U = 1 0 0 V .

T h e

l o n g - t e r m

s t a b i l i t y

o f

d 3 1 was t h e r e f o r e

t e s t e d

i n a l o n g - d u r a t i o n t e s t . A u i t a b l e m e t h o d s s c h e

m a t i c a l l y

s h own

i n

FIG.

1 5 .

A 0 mm ide s t r i p 6 0

o f

PVDF

a s clamped

a t b o t h

s i d e s

i n

m ou nts

6 1

and

6 2

u n d e r s l i g h t

m e c h a n i c a l

s t r e s s .

A

h i n g a p 6 3 o f t h e

m e t a l l i z a t i o n 64

w a s

etched f r e e i n

t h e

c e n t e r

a t

one s i d e

o f t h e s u r f a c e , whereas t h a t on t h e o p p o s i t e s i d e r e

m a i n e d

c o n t i n u o u s .

T h e ?lm h a l v e s which

a r o s e

i n t h i s

f a s h i o n

were

c o n t a c t e d

a t

t h e

edge

a t l o c a t i o n s

6 5 ,

6 6

a n d

6 7 , 6 8 . D e r i v i n g

f r o m

t h e m e c h a n i c a l c o u p l i n g o f

t h e h a l v e s , t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f r o m

( 1 )

a n d t h e

e q u a t i o n s ( l a ) a n d ( l b ) i s

1 1 3 1 = f o r Ul/Uz >

w i t h

ET = E,

1 2 , ,

= . 7 - 1 0 - 1 1 D i e l e c t r i c

c o n s t a n t )

1 2 : 2 - 1 0 9

m 2

( M o d u l u s o f e l a s t i c i t y )

The p r o g r e s s i o n m e a s u r e d w i t h t h i s


i s

shown

i n a

d i a g r a m i n F I G . 1 6 by t h e A c u r v e

7 3

o f

t h e

c o n s t a n t d 3 1 o v e r t h e f r e q u e n c y g i v e n

U1

=20 V . Given

f = l k H z ,

d 3 1 = 6 . 5 - l 0 - ' l 2

V/m)

p p l i e s a n d a g r e e s w el l

w i t h

t h e m a k e r s s p e c i ? c a t i o n ( d 3 ; = 7 t o 8 - 1 0 - 1 2 V / m ) .

The o n s t a n t

d 3 1

d e c r e a s e s s l i g h t l y t o w a r d l o w f r e q u e n

c i e s ,

but can be

assumed

a s c o n s t a n t i n

t h e

range

o f

i n t e r e s t 5 0

Hz


15/17

4 , 7 9 1 , 6 2 0

1 1

assumed t o

b e t i m e - i n v a r i a n t , even w h e n v o l t a g e s

f a r

above

U: 0 0 V r e

a p p l i e d a t m e a n f r e q u e n c i e s .

For

c h e c k i n g

t h e l o a d a b i l i t y

o f

t h e d e s c r i b e d c o n t a c t

i n g , t h e

l e f t ? l m

h a l f o f

t h e

a r r a n g e m e n t i n FIG.

1 5

was

s u b j e c t e d t o l o w - p a s s - l i m i t e d w h i t e n o i s e i n

G a u s s i a n

p u l s e d m o d e ( t 0 , , = 5 0 0 m s , t o : 5 6 0 m s , r i s e - f a l l t i m e

c o n s t a n t

o f

t h e

e n v e l o p e = = 1

m s )

g i v e n

f=8

k H z .

T he

? e l d

s t r e n g t h

a m ou nted

t o E 3

= 2 0 kV/c m ;

t h e

c u r r e n t

J 1 ( F I G .

1 2 ) ,

a t r o u g h l y 6 m A , w a s g r e a t e r b y t h e f a c t o r

3 t h a n

t h e v a l u e t h a t i s a c h i e v e d

i n

a t w e l v e - p l y t r a n s

d u c e r

g i v e

f= 0 0 Hz

and

E3: 0 0

k V / c m (U

=

0 0

V ) .

A f t e r

a

t e s t d u r a t i o n o f

1 0 0 0

h o u r s , no

modi?cation i n

any p a r a m e t e r c o u l d b e

m e a s u r e d .

T h e

c o n t a c t r e s i s

t a n c e RK o f t h e c o n t a c t i n g l a y a t RX; / 0 hm n a l l

s p e c i m e n s ;

s t r a y

power PK t h e r e b y a r i s i n g i n t h e

c o n

t a c t i n g

a m o u n t s

t o

PK=12

uW i v e n I = 2 mA n d i s

n e g l i g i b l e

i n

c o m p a r i s o n t o

t h e

t o t a l power

consump

t i o n

PM

f

a l 2 - p l y t r a n s d u c e r ( P K = 4 - l O 5 - Pm , ) g i v e n

u = 1 0 0

v n d

f=200

H z .

I n a

f u r t h e r

t e s t s e r i e s , m a t c h i n g o f t h e t w e l v e - p l y

t r a n s d u c e r

t o

t h e

m e d i u m

o f

t h e

s k i n

s u r f a c e

w a s

t e s t e d .

L i t t l e c o n c e r n i n g

t h e i d e n t i ? c a t i o n

o f t h e

m e c h a n i c a l

s k i n

i m p e d a n c e 2 1 1 *

r e q u i r e d

f o r

s u c h a t e s t i s k n ow n

f r o m

t h e

l i t e r a t u r e . I n

g e n e r a l ,

_ Z _ ; ; *

i s d e p e n d e n t o n

t h e

m e a s u r i n g l o c a t i o n , t h e b e a r i n g p r e s s u r e , t h e s t i m u l a t e d

s u r f a c e a n d t h e t y p e o f s u r f a c e l i m i t a t i o n . A i s p e r s i o n

o f

t h e

p h a s e

v e l o c i t y i s a l s o k n o w n t o o c c u r .

W h e n

cH= 5 m / s

a t f

=

00 Hz

s e s t a b l i s h e d f o r t h e

propaga

t i o n

s p e e d

i n t h e s k i n s u r f a c e a n d t h e d e n s i t y i s e s t a b

l i s h e d a t p g = l 0 3 k g / m 3 , t h e n

d e r i v e s

f o r

t h e

i n t r i n s i c

i m p e d a n c e

2 ; ] .

F o r

PVDF,

F o l l o w i n g t h e r e f r o m

i s

a r e ? e c t i o n f a c t o r

_ ZPVDF Z11

_

ZPVDF

= Z11

f o r t h e s i n g l e - p l y PVDF

i n d i n g

o f F I G . 1 1 .

T h i s h i g h

r e ? e c t i o n f a c t o r ( r = l ) su g g e s t s

a

v e r y low

e f f i c i e n c y o f

t h e

t r a n s d u c e r

( f o r

c o m p a r i s o n :

r = 0 . 4 4

g i v e n

t r a n s i t i o n

i n

w a t e r ) .

T he m e a s u r e d r e s u l t s o f a m e c h a n i c a l i m p e d a n c e _ Z _ * /

g i v e n s m a l l d i e s u r f a c e s ( S S = 0 . 2 8 c m z ) w i t h o u t e x t e r n a l

l i m i t a t i o n

o f

t h e

s k i n

s u r f a c e ( s c h e m at i c a l l y

shown

i n

FIG.

1 8 ) a r e shown i n

FIG.

1 9 i n a d i a g r a m

i n c l u d i n g

t h e c u r v e 7 7 .

T h e

p o i n t

o f

s t i m u l a t i o n was t h e u n d e r s i d e

o f

t h e

i n d e x

?nger

r o o t

2 . 5 o f

t h e

r i g h t

hand t o

which a

d i e 7 5 i s

a p p l i e d .

C e n t r a l v a l u e s a n d

p r o b a b l e

v a r i a t i o n

r a n g e s w hich were de?ned by s i x

t e s t

s u b j e c t s a r e en

t e r e d i n FIG. 1 9 . I n t h e r a n g e from 2 0 Hz t h r o u g h 8 0

H z , / * / d r o p s w i t h

6

d B / O c t , r e a c h e s a

c l e a r m i n i

mum

t f= 0 0 Hz nd i n c r e a s e s with 6 dB/Oct

t ow a r d

h i g h e r

f r e q u e n c i e s ( t h e e x a c t

s l o p e s

~l/f o r ~ f

a r e

e n t e r e d w i t h t h e d a s h e d l i n e s

7 8

a n d 7 9 ) . A

e c h a n i c a l

p a r a l l e l

r e s o n a n t

c i r c u i t

w i t h

t h e e l e m e n t s s k i n f r i c t i o n

d r a g

WH,

s k i n

m a s s

mH

n d

s k i n

s t i f f n e s s S H

e x a c t l y

d e s c r i b e s

t h i s

f r e q u e n c y

r e s p o n s e

( F I G . 2 0 ) . The

d i e

= . 9 9 7

2 0

3 5

4 5

5 0

5 5

6 5

m a s s

ms u s t a l s o

be

considered a s a p a r a l l e l element.

T he e x p r e s s i o n i n c o m p l e x n o t a t i o n

f o r

t h e c i r c u i t i n

FIG.

2 0

i s

1 2

F r o m t h i s e q u a t i o n a n d f r o m FIG. 1 9 ,

t h e

i n d i v i d u a l

elements ca n be c a l c u l a t e d a t

N:

WH

- . 6 5

-m

mg

=

. 3 7

l0- 3 k g

s H = 3 3 0 % .

G i v e n

c i r c u l a r a r e a l l i m i t a t i o n ( SH=0.64 c m z ) , c o m p a r

a t i v e measurements

a t t h e

i n s i d e

o f t h e underarm

y i e l d e d :

N ' s

WH

-0.2T

I n t h i s c a s e , t o o , t h e m e c h a n i c a l s k i n impedance c a n b e

a p p r o x i m a t e d

v e r y w e l l t o

t h e

l o c a l l i m i t a t i o n

o f

a

s k i n

a r e a

(SH 2 . 5 c m z ) ,

t h u s , t h e

m e c h a n i c a l

s k i n

i m p e d a n c e

n o t i c e a b l y d i f f e r s f r o m t h e i m p e d a n c e

m e a s u r e d

g i v e n

s u r f a c e l i m i t a t i o n o r

s m a l l

s t i m u l a t i o n a r e a s ( S


16/17

4 , 7 9 1 , 6 2 0

1 3

- c o n t i n u e d

Ns

WR = . 2 3 m ,

and l i e

o n t h e s a m e o r d e r o f

magnitude a s

t h e e l e m e n t s

o f

t h e

m e c h a n i c a l s k i n i m p e d a n c e

g i v e n

s m a l l - a r e a

o r

a r e a - l i m i t e d

s t i m u l a t i o n . A f t e r a p p l i c a t i o n o f s i x p l i e s o f

PVDF

on

t h e c a r r i e r r i n g , t h e e l e m e n t v a l u e s a r e i n

c r e a s e d

t o

( d o t t e d

c u r v e 9 6 i n FIG. 2 4 )

1 O

1 5

T h e

i n c r e a s e

i n

s t i f f n e s s

i n

m o s t

n o t i c e a b l e ;

t h e

r e s o n a n t

f r e q u e n c y s h i f t s

f r o m

f 0 = 2 3 0 Hz

t o

f 0 = 3 3 0 H z . W h e n

t h e s e d a t a a r e

e x t r a p o l a t e d

t o a t w e l v e - p l y t r a n s d u c e r ,

t h e a m o u n t s

o f

t h e

m e c h a n i c a l i m p e d a n c e s o f

t h e t r a n s

d u c e r

r i n g

and

o f

t h e

s k i n

s u r f a c e

l i e

on

t h e

s a m e

o r d e r

o f m a g n i t u d e ( c f . F I G . 2 2 ) .

When t h e

i m p e d a n c e

/ Z H * / = 4

Ns/m f o r l a r g e - a r e a

s k i n

s t i m u l a t i o n i s used

a s t h e

b a s i s

f o r f = 00 Hz,

P m e c h

d e r i v e s f o r t h e

t r a n s d u c e r

e f ? c i e n c y p . o f t h e s i n g l e - f o i l

w i n d i n g

o f

F I G .

1 , w i t h

w h e r e b y i = e f f e c t i v e d i s p l a c e m e n t v a l u e

a t

t h e

s e n s o r y

t h r e s h o l d .

Under

t h e

same boundary

c o n d i t i o n s ,

i s

o b t a i n e d

f o r t h e e f f i c i e n c y o f t h e

t w e l v e - p l y

PVDF

t r a n s d u c e r . F o l l o w i n g

f r o m t h e

s l i g h t

d i f f e r e n c e

b e

t w e e n p . a n d p . i s

t h a t

t h e l o w e f ? c i e n c y ( a s e x c e p t e d )

i s

p r i n c i p a l l y a t t r i b u t e d t o t h e l a r g e

i n t r i n s i c

i m p e d a n c e

d i s c o n t i n u i t y i n t h e

t r a n s i t i o n

from

PVDF o

t h e s k i n

s u r f a c e , a n d

t h e

c a r r i e r

r i n g d o e s n o t

r e p r e s e n t

a n y

a d d i t i o n a l

m i s m a t c h i n g ; t h i s i s con?rmed b y t h e

e s t i

m a t e o f t h e m e c h a n i c a l i m p e d a n c e l e v e l .

T h e

d i s p l a c e m e n t

i n

n o - l o a d

and

u n d e r s k i n

l o a d w a s

q u a l i t a t i v e l y m e a s u r e d

a t

t h e

t w e l v e - p l y PVDF

r a n s

d u c e r ;

t h e m e a s u r i n g s e n s o r

was

a p l y o f PVDF

o i l

g l u e d

t o

t h e

i n s i d e

o f

t h e

c a r r i e r

r i n g

w i t h

which

t h e

d i s t o r t i o n

S 1 a n d

t h u s t h e

e x c u r s i o n component

p e r p e n

d i c u l a r

t o

t h e

s k i n

s u r f a c e w a s

m e a s u r e d .

T h e f r e q u e n c y

r e s p o n s e o f

t h e

d i s p l a c e m e n t i n n o - l o a d i s shown w i t h

t h e c u r v e

9 7 i n a

d i a g r a m

i n

FIG. 2 5 . T h e

d i s p l a c e m e n t

r e m a i n s

n e a r l y c o n s t a n t

i n

t h e f r e q u e n c y r a n g e u n d e r

c o n s i d e r a t i o n ;

t h e

m e c h a n i c a l r e s o n a n t f r e q u e n c y

n o w

l i e s a t f o =2 0 9 Hz.

T h e

a d d i t i o n a l

resonance

a t f=

70

Hz i s

t o b e a t t r i b u t e d

t o t h e

m e c h a n i c a l impedance

o f

t h e

c o n n e c t i n g

l i n e s .

T h e

d e c r e a s e o f f 0 from o v e r

3 0 0

Hz t o a b o u t 2 0 0 Hz

s

e x p l a i n e d by t h e

g r e a t

d e c r e a s e

o f

t h e

e f f e c t i v e s t i f f n e s s

g i v e n

f r e e

o s c i l l a t i o n o f

t h e

t r a n s

d u c e r ( c f .

F I G . 2 4 ) .

T h e f r e q u e n c y

r e s p o n s e o f t h e d i s p l a c e m e n t x

u n d e r

s k i n

l o a d i s

s h o w n

w i t h

t h e c u r v e

9 8

i n a diagram i n

FIG.

2 6 ( c e n t r a l

v a l u e s o f f o u r t e s t s u b j e c t s ) . S i n c e

a n

a b s o l u t e measurement was n o t

p o s s i b l e ,

t h e m e a s u r i n g

p o i n t s were n o r m e d t o t h e v a l u e x ( , a t f= 00 Hz.

A s

i n

n o - l o a d

( c f

F I G . 2 5 ) , t h e

m e a s u r e m e n t

e n s u e d g i v e n

i m p r e s s i o n

o f v o l t a g e o n t o

t h e t e r m i n a l p o s t s

o f

t h e

2 5

4 5

60

6 5

1 4

t r a n s d u c e r . T h e v o l t a g e w a s

s e l e c t e d

such t h a t

an

d i s

placement

l e v e l

over

t h e t h r e s h o l d S L

o f

2 0 d B

oc

curred given f= 00 Hz.

T h e

d i s p l a c e m e n t r i s e s

w i t h a p p r o x i m at e l y 3 dB/Oct

u p

t o f : 0 0

H z ,

r e m a i n s

c o n s t a n t

toward h i g h e r f r e

q u e n c i e s a n d

a c h i e v e s

a v a l u e i n t h i s r e g i o n which i s

o n l y

1 2

d B

lower

t h a n

i n

n o - l o a d .

A

e s o n a n c e

s t e p - u p

i s n o t

m e a s u r a b l e u n d e r l o a d . When, a s

i n

FIG.

2 , t h e

m e c h a n i c a l

s k i n i m p e d a n c e f o r f r e q u e n c i e s a b o v e

3 0 0

Hz s

s e t

a t

w i t h F : f o r c e a m p l i t u d e , v : v e l o c i t y a m p l i t u d e , i t f o l

l o w s t h a t t h e d i s p l a c e m e n t

x

m u s t b e f r e q u e n c y

i n d e p e n d e n t

i n t h i s r a n g e .

T h i s

i s con?rmed b y t h e

v a l u e s of a

m e a s u r e m e n t e n t e r e d

i n a curve

98

(FIG.

2 6 ) . T h e

d e c r e a s e

o f t h e d i s p l a c e m e n t

f r o m

3 0 0 Hz

t o w a r d

l o w e r

f r e q u e n c i e s

c a n n o t

b e

e x p l a i n e d

by

a

s i m p l e f o r m u l a t i o n o f t h e m e c h a n i c a l s k i n i m p e d a n c e . A

c o m p l e t e m e c h a n i c a l e q u i v a l e n t c i r c u i t d i a g r a m o f t h e

s k i n

i m p e d a n c e h a s t h e r e f o r e

b e e n

f o r e g o n e . Non

l i n e a r i t i e s o f t h e s k i n i m p e d a n c e c o u l d n o t b e m e a s u r e d

up

t o

a l e v e l

o f

4 0

d B

above t h e t h r e s h o l d ;

a c c o r d i n g l y ,

a

s p e c t r a l a n a l y s i s o f

t h e m e a s u r i n g

f o i l

s i g n a l

y i e l d e d

h a r m o n i c d i s t o r t i o n a t t e n u a t i o n s g r e a t e r t h a n 5 5

d B

u n d e r

s k i n

l o a d

u p t o

t r a n s d u c e r

i n p u t v o l t a g e s

U: 5 0

V

n

t h e r a n g e

5 0

I - I z < f

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Tactile Hearing