薄型电磁触觉致动器的制作方法

本公开涉及触觉致动器，且更具体地涉及薄型电磁触觉致动器。

背景技术：
诸如适合于包含在诸如可穿戴物品和超薄人机界面之类的薄型结构中的致动器和传感器之类的换能器正被开发。示例包括计算机或智能手机上的压敏键盘和衣物或腕带物品中的触觉通知设备。这样的致动器和传感器提供了诸如实现移动计算设备的紧凑设计和将传感器和致动器集成到“智能”可穿戴物品中之类的优点。

虽然存在诸如压电换能器之类的某些薄型换能器，但是正在继续开发具有诸如柔性结构和低工作电压之类的优势特征的薄型触觉致动器。

技术实现要素：

本公开涉及诸如致动器或传感器之类的电磁触觉致动器，其非常薄、可以在低电压下操作并且可以是柔性的。

在一个方面，根据本公开的触觉致动器包括第一平面磁性层，该第一平面磁性层具有诸如呈螺旋形图案的导电线圈之类的第一平面导电线圈，该第一平面导电线圈可以形成在可以是柔性基底的基底上。该平面导电线圈可以是平坦的或弯曲的。第一平面磁性层可以还包括诸如硅钢、铁氧体和铁粉复合物之类的通量集中器(fluxconcentrator)。触觉致动器还包括与第一平面磁性层间隔开的第二平面磁性层。第二平面磁性层可以由永磁性材料或包括平面导电线圈的电磁体制成。第二平面磁性层可以形成在可以是柔性基底的基底上。第二平面磁性层的至少一部分和第一平面磁性层的一部分相对于彼此是可移动的。在致动器的示例中，当第一平面导电线圈被激励时，第二平面磁性层的至少一部分和第一平面磁性层的一部分相对于彼此是可移动的。施加到第一平面导电线圈的电信号相对于第一平面磁性层致动第二平面磁性层；相反地，相对于第一平面磁性层致动第二平面磁性层在第一平面导电线圈中生成电信号。

在另一个方面，可由人穿戴的可穿戴物品包括上述的触觉致动器和与该触觉致动器电连接的控制器。该控制器被配置为激励第一平面导电线圈以生成机械刺激，且该触觉致动器相对于可穿戴物品被定位，以供穿戴该物品的人感知该机械刺激。在另一个方面，触觉致动器相对于可穿戴物品被定位以接收来自穿戴该物品的人的(诸如通过撞击鞋中的触觉致动器，或通过来自穿戴该物品的人的声音的振动之类的)机械输入，且被配置为响应于机械输入在所述第一平面导电线圈的端子处生成电信号，并且控制器被配置为接收所述电信号且响应于该电信号生成控制信号。在一个方面，第一和第二平面磁性层可以通过(诸如构成可穿戴物品的织物的一部分之类的)可穿戴物品的一部分被间隔开。

在另一个方面，一种生成机械信号的方法包括将具有第一平面导电线圈的第一平面磁性层定位成与和第一平面磁性层间隔开的第二平面磁性层相邻且间隔开(诸如通过作为可穿戴物品的一部分的织物层分隔开)。该方法还包括施加经过第一平面导电线圈的电流以生成第一平面磁性层的一部分和第二平面磁性层的一部分之间的相对运动。在另一个方面，一种用于响应于机械致动生成电信号的方法包括将具有第一平面导电线圈的第一平面磁性层定位成与和第一平面磁性层间隔开的第二平面磁性层相邻且间隔开(诸如通过作为可穿戴物品的一部分的织物层分隔开)。该方法还包括相对于第二平面磁性层的一部分移动第一平面磁性层的一部分，由此在第一平面导电线圈中生成电信号。

附图说明

图1(a)是根据本公开的方面的电磁触觉致动器的示意性透视分解图。

图1(b)是图1(a)中所示的触觉致动器的部件的平面图。

图1(c)是图1(a)中所示的被组装的触觉致动器的侧视图。

图2(a)是根据本公开的方面的结合触觉致动器的可穿戴物品的示意性透视图。

图2(b)是图2(a)中所示的可穿戴物品的侧视图。

图3是根据本公开的方面的用于触觉致动器的堆叠的导电线圈的分解图。

图4示意性地示出了根据本公开的方面的包括控制器和触觉致动器的系统。

具体实施方式

将详细描述各种示例，一些示例参考附图来描述，其中相同的附图标记在多个视图中表示相同的部件和组件。对各种示例的引用并不限制本文所附的权利要求书的范围。此外，在本说明书中阐述的任何示例并不旨在限制，并且仅仅阐述了所附权利要求书的许多可能的实施例中的一些实施例。

只要适合，使用单数的术语也将包括复数，反之亦然。除非另有说明或者“一个或多个”的使用显然是不合适的，否则在本文中“一(a)”的使用意味着“一个或多个”。除非另有说明，否则“或”的使用意味着“和/或”。除非另有说明，“包括(comprise)”、“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(include)”、“包括(includes)”、“包括(including)”、“具有(has)”和“具有(having)”的使用是可互换的且不是旨在限制性的。术语“诸如……之类”也不是限制性的。例如，术语“包括(including)”应意味着“包括但不限于”。

一般而言，本公开涉及用于递送触觉效果的诸如电磁致动器和传感器之类的薄型电磁触觉致动器，以及涉及诸如包含这类触觉致动器的平板电脑和可穿戴物品之类的设备。触觉效果可以是递送给人的任何类型的触感。在一些实施例中，触觉效果体现为诸如提示、通知或更复杂信息的消息。在替换实施例中，触觉效果可以用于通过模拟诸如摩擦、流动、制动、按压、释放、滑动、敲击、点击、滚动、拖动和平移之类的物理特性或效果来增强用户与设备的交互。

现在参考图1，电磁触觉致动器100具有第一平面磁性层110和第二平面磁性层140。这两层彼此覆盖(overlay)，但是由间隔件(spacer)150间隔开。第一平面磁性层110具有平面基底112和形成在基底112上的平面线圈114。该平面磁性层110在图1中被示出为平坦的，但是它替换性地可以被挠曲(flexed)或被弯曲成弯曲的(curved)配置，如图2中的示例所示。例如，在表带中，当表带打开并平放时，平面磁性层110可以是平面的或基本上平面的，且然后当表带缠绕在使用者的手腕上时，它可以是弯曲的。

在各种实施例中，基底112可以是刚性的或柔性的基底。例如，基底112可以由诸如硅树脂、天然橡胶和合成橡胶之类的软性聚合材料，或者诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚碳酸酯(pc)、聚乙烯萘(pen)、硅基聚合物、聚亚安酯、热塑性塑料、热塑性弹性体、热固塑料(thermoset)和填充有天然或合成填料的聚合物复合材料之类的刚性材料制成。基底112可以具有适合于特定应用的任何厚度。例如，基底112可以具有范围从50微米到2.0毫米、从100微米到1.0毫米、或从300微米到0.70毫米的厚度。其他实施例可以具有比在上述范围内提供的厚度更薄或更厚的厚度。注意到，如果基底112足够薄，则其可以是柔性的，即使制成该基底的材料可以被表征为“刚性的”。根据应用，可以使用透明或不透明材料用于基底112。该基底112可以被制成为具有适合于特定应用和/或环境的其它特性。例如，如果触觉致动器被预期为生成热量或被放置在高温环境中，则可以使用诸如长链聚酰胺(lcpa)之类的耐高温材料。

在本示例中的每个线圈114由导电材料制成。该导电材料可以是适用于特定应用的任何导体，并且可以是透明的或不透明的。导电材料的示例包括金属(诸如铝、金、银、铜和铬)、石墨烯、石墨、透明导电氧化物(“tco”，诸如掺杂锡的氧化铟(“ito”)和掺杂铝的氧化锌(“azo”))、透明碳纳米管(cnt)电极、透明导电聚合物(诸如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(“pedot”)、聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)(“pedot:pss”)和聚(4,4-二辛基环戊二烯基噻吩)(“poly(4,4-dioctylcyclopentadithiophene)”))。此外，线圈144可以由导电纳米粒子或纳米线形成，并且可以具有任何合适的纳米形状或纳米几何形状。线圈的其它实施例可以具有除纳米尺度之外的尺度。

在该示例中的每个线圈114在结构上是平面的。例如，每个线圈114可以由呈平面螺旋图案的导线形成，该图案具有距线圈114的中心部分逐渐增大的距离。线圈114是平面的(因为线圈相对于其宽度和长度非常薄，提供了平放的平坦结构)或可以被弯曲。在至少某个实施例中，平坦线圈的薄型结构可以挠曲或弯曲，使得其可以适应诸如腕带和衣服之类的物品的变化的形状。

导电线圈可以通过任何合适的方法在基底上形成。例如，可以使用掩模技术，其中将掩模施加到基底以暴露导电材料将要被沉积的区域，但是剩余的区域被覆盖。掩模可以使用粘合带或显影的光刻胶或任何其它合适的方法来实现。然后，通过化学/物理气相沉积或任何其它合适的技术将导电材料层沉积在被掩模的基底上。根据在具体应用中使用的电流的大小，被沉积的金属的厚度范围可以是从纳米尺度到微米尺度或更大尺度。在另一个示例中，导电膜可被沉积在基底上。随后，通过例如使用在微电子产业中公知的光刻技术进行选择性蚀刻来移除膜的一部分，留下所需的导电线圈。在另一个示例中，预先形成的导电线圈可以通过包括胶合的任何合适的方法被转移到基底112上且附连(affix)到基底112。在进一步的示例中，导电线圈114可以使用三维打印(“3-d打印”)技术被印刷到基底112上。

在该示例中的触觉致动器100还包括第二平面(平坦或弯曲的)磁性层140。在一个示例中，如图1(a)、1(b)和1(c)所示，第二平面磁性层140具有带嵌入其中的磁体粒子的聚合材料的基质142。该聚合材料可以选自上述用于第一平面磁性层110中的基底112的那些材料；该磁体粒子可以是诸如碳铁纳米粒子或稀土(例如，钕)纳米粒子之类的磁体材料的纳米粒子。

在本公开的一个方面，第二平面磁性层140可以由以下方法制成：聚合物基质的材料可以被溶解在合适的溶剂中。接着，磁体纳米粒子可以被分散到溶液中。如果需要，纳米粒子可以被稳定以防止它们凝结。例如，某些分子可以被附接到或拴接到纳米粒子表面以克服纳米粒子之间的吸引力。然后，溶剂可以被干燥。

对于诸如聚丙烯和聚乙烯之类的非溶性聚合材料，可以使用熔融共混(meltmixing)技术。在熔融共混中，首先聚合物被加入到混合室中并被加热至其熔融温度。该聚合物熔体表现得像液体一样。然后，磁性材料的纳米粒子接着在高温下被加入到熔体中。使用热压装置，具有分散的纳米粒子的聚合物熔体可以之后被模塑成任何所需的形状。

第二平面磁性层140可以被制成为透明的或不透明的。特别地，其可以通过使用透明基质材料和磁性纳米粒子被制成透明的。

在本公开的另一方面。第二平面磁性层140也可以由类似于第一平面磁性层110的电磁层制成。

在进一步的方面，第一平面磁性层110和第二平面磁性层140彼此相邻且彼此间隔开。更具体地，平面导电线圈114与第二平面磁性层140相邻且间隔开。第一平面磁性层110(或线圈114)可以以任何合适的方式(包括通过使用如图1(c)所示的离散间隔件150、或者诸如触觉致动器100附接到的衣物品的织物的一部分之类的柔性材料层)与第二平面磁性层间隔开。在一个示例中，基底112可以由诸如硅树脂或橡胶之类的软性材料制成，且可以是间隔件本身。也就是说，触觉致动器100可以由具有低杨氏模量的(诸如硅树脂之类的)柔性基底112形成，使得基底本身的厚度可以在处于基底112一侧上的平面线圈114和在基底112另一侧上的第二平面磁性层之间的电磁力下改变。在进一步的示例中，触觉致动器100可以由如上述的(诸如硅树脂的)柔性基底112形成，在基底112的一侧具有平面线圈114且在基底112的另一侧具有另一平面线圈。也就是说，代替在软性基底的一侧的电磁体与另一侧的永磁体的组合，电磁体可形成在软性基质的两侧上。例如，当两个线圈被激励时，它们可以彼此吸引或排斥，并且由于基底的形变而变得彼此更靠近或者彼此更远离。在上述两个示例中，线圈和永磁体层可以是柔性的并且随基底改变形状(诸如弯曲)。

间隔件150具有厚度，其部分地控制当将触觉致动器用作致动器时两个平面磁性层110、140之间的电磁力或相对加速度的大小。影响电磁力或相对加速度的其他因素包括两个平面磁性层110、140中的每一个的刚度、间隔件150的刚度、经过第一平面导电线圈施加的信号电流和频率、第一平面导电线圈中的绕组数、磁性纳米粒子的浓度和在线圈114内部的和在平面磁性层110、114之间的介质的磁导率。在一个示例中，导电线圈114的绕组之间的空间和/或在导电线圈和第二平面磁性层140之间的空间可以至少部分地填充有通量集中器材料(fluxconcentratormaterial)，诸如硅钢粒子以使磁通泄漏最小化，从而使层110、114之间的电磁力最大化。

加速度可以是1g或更高的(其中g是地球表面的重力加速度，且标称上为9.8kg/s²)峰到峰(peak-to-peak)，并且取决于所施加的电流的强度和形状、磁性纳米磁性粒子的浓度以及在线圈114和第二磁性层140之间的空间。在一个示例中，运动部件的质量约为10克的情况下，致动力将约为200mn。在本公开的一个方面，经过第一平面导电线圈114所施加的电流的频率可以相对于移动系统(第一平面磁性层110、第二平面磁性层、或两者)的固有频率被调节，以实现所期望的机电转换系数(效率)。例如，经过第一平面导电线圈114所施加的电流可以被设置为处于或接近移动系统的谐振(resonance)频率，以实现最大的或接近最大的机电转换系数。可替换地，所施加的电流可以被调谐到任何其他频率以产生期望的振动幅度。例如，所施加的信号的频率可以在产生至少是谐振幅度的50％、75％或90％的振动幅度的范围内。在其他实施例中，加速度可以是大约2g峰到峰或更高。其他实施例可以具有低于1g峰到峰的加速度。

根据本公开的某些方面的触觉致动器可以被用在各种设备中。例如，图1所示的平坦触觉致动器100可以被包括在诸如平板计算机或智能电话之类的移动设备中作为输入设备，其中在第一和第二平面磁性层110、140之间的机械致动的(诸如通过手指按压)运动在线圈114中引起电信号。该触觉致动器100还可用作致动器以提供包括触觉反馈和振动通知的各种机械输出。触觉致动器也可以用作扬声器和/或耳机的振动源。

在其他示例中，根据本公开的某些方面的触觉致动器可以被结合入可穿戴物品，诸如衣物；鞋类；诸如假肢之类的修复体；诸如帽子和头盔之类的头饰品；穿戴在身体上的运动器材；诸如防弹背心、头盔、以及其他防弹衣之类的防护装置；眼镜；诸如领带和围巾之类的配件；皮带和吊裤带；诸如手环、项链、手表之类的珠宝；以及其他可穿戴在身体上的东西。例如，这些致动器可以被集成到诸如衬衫、女衬衫和裤子之类的可穿戴纺织品中。致动器可以在服装的任何合适区域中被集成到这类可穿戴物品中，包括可具有相对移动的区域，包括如袖口、衣领和开襟这类的部件。可穿戴物品的一个示例是手环，诸如图2(a)和图2(b)中所示的手环200。在一个示例中的手环200所测量的周长约为15cm且宽度约为2cm，但根据特定应用可以是其他尺寸。手环200包括外层210和内层240；这两层210、240被间隔件250间隔开。该内层210可具有与第一磁性层110相似的构造，其具有基底和一个或多个线圈(未示出)；该外层240可具有与第二磁性层140相似的构造，其具有聚合基质和在基质内分散的磁性纳米粒子。这两层210、240的相对位置也可以被颠倒，即，外层包括基底和一个或多个线圈，而内层包括聚合基质和在基质内分散的磁性纳米粒子。层210、240中的任一层也可以是本公开中所描述的任何其他磁性层。间隔件250将外层210和内层240之间的空间划分成多个区域，这些区域中的一个或多个可以被构造为与图1中所示的那些触觉致动器相似的触觉致动器，其具有形成在外层210上的外磁性层和形成在内层240上的内磁性层。诸如(诸如蓝牙或红外收发器的)无线收发器之类的控制器(未示出)可以被容纳在外层210和内层240之间的多个区域中的另一个区域中，且连接到触觉致动器，以便例如当经由无线连接与控制器配对的移动电话接收到消息或电子邮件时提供振动通知。

在本公开的另一个方面，第一平面磁性层110可包括平面导电线圈的多层以实现更强的电磁力。例如，如图3所示，第一平面磁性层310包括第一基底312和如在图1中的第一平面磁性层110中形成在第一基底312的顶部的第一平面导电线圈314。该第一平面磁性层310进一步包括第二基底322，和形成在该第二基底322顶部的第二平面导电线圈324。该第一平面导电线圈314具有外端314a和内端314b；该第二平面导电线圈324具有外端324a和内端324b。通孔被形成在第一基底312中且容纳连接到第二端314b的穿孔(via)316；通孔被形成在第二基底322中且容纳连接到第一端324a的穿孔(via)328。当基底312、322被对齐地(inregister)堆叠在彼此的顶部时，第二端314b和第二端324b彼此对齐且通过穿孔316彼此连接。在本示例中的第一线圈314和第二线圈324是相反方向的螺旋形，且当它们如上文描述地彼此连接时，当电压施加在端314a和324a之间时，它们产生彼此添加的磁场。可替换地，第二导电线圈324可以形成在第一基底312的相对侧。因此，不需要第二基底324。在另一个示例中，导电线圈的额外层可被增加且例如经过穿孔328串联到线圈314和324。

本文公开的触觉致动器(致动器或传感器)在多种仪器和过程中发现应用。参考图4，在一个示例中，采用诸如上文描述的触觉致动器的触觉致动器430的系统400还包括控制器402。该控制器402通常包括总线410、处理器404、输入/输出(i/o)控制器406和存储器408。总线402将包括i/o控制器406和存储器408的控制器402的各种部件耦合到处理器404。总线410典型地包括控制总线、地址总线和数据总线。然而，总线410可以是适合于在控制器402中的部件之间传输数据的任何总线或总线的组合。

处理器404可包括配置为处理信息的任何电路并且可包括任何合适的模拟或数字电路。处理器404也可包括执行指令的可编程电路。可编程电路的示例包括微处理器、微控制器、专用集成电路(asic)、可编程门阵列(pga)、场可编程门阵列(fpga)、或适合于执行指令的任何其它处理器或硬件。在各种实施例中，处理器可包括单个单元、或者两个或多个单元的组合，这些单元在物理上位于单个控制器中或分开的设备中。

i/o控制器406包括监视控制器402和外围设备或外部设备的操作的电路。i/o控制器406也管理控制器402和外围设备或外部设备之间的数据流。外部设备可以驻留在系统400被结合在其中的相同设备中，或者可以在系统400被结合在其中的设备的外部。i/o控制器406可与其相接的外围设备或外部设备的示例包括开关、传感器、外部存储设备、监视器、诸如键盘、鼠标或按钮之类的输入设备、外部计算设备、移动设备和发射器/接收器。

存储器408可包括诸如随机访问存储器(ram)的易失性存储器、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存、磁存储器、光学存储器或任何其它合适的存储器技术。存储器408也可包括易失性存储器和非易失性存储器的组合。

存储器408被配置为存储用于由处理器404执行的多个程序模块。例如，模块可包括事件检测模块412、效果确定模块414和效果控制模块416。每个程序模块是数据、例程、对象、调用和执行一个或多个特定任务的其它指令的集合。虽然本文公开了某些程序模块，但是在各种实施例中，对于每个模块所描述的各种指令和任务都可以由单个程序模块、模块的不同组合、除了本文所公开的那些模块的模块、或者由与控制器402通信的远程设备执行的模块来执行。

事件检测模块412被编程为评估所接收的事件数据以确定事件数据是否与诸如触觉效果的预定事件相关联。事件数据可包括由在系统400被结合在其中的设备中发生的事件生成的数据；本文提供这类设备的示例。可替换地，事件数据可包括由与结合系统400的设备分离的设备或系统生成的数据。事件可例如包括单独的输入(例如，按钮按压、操纵杆的操纵、与触敏表面的用户交互、倾斜或定向用户界面设备)。在另一个示例中，事件可以包括系统状态(例如，低电量、低存储、呼入呼叫)、数据的发送、数据的接收、或程序事件(例如，产生爆炸、枪击、碰撞、角色间的交互、崎岖地形的游戏程序)。

在一些示例实施例中，事件的发生被一个或多个传感器(例如，外部设备)检测到。传感器的示例包括如上文所述的触觉致动器(例如，结合图1-3描述的那些)；诸如麦克风之类的声学或声音传感器；振动传感器；诸如呼吸测醉器、一氧化碳和二氧化碳传感器和盖革计数器之类的化学和粒子传感器；诸如电压检测器或霍尔效应传感器之类的电传感器和磁传感器；流量传感器；诸如gps接收器、高度计、陀螺仪或加速度计之类的导航传感器或仪器；诸如压电材料、测距仪、里程计、速度计、震动检测器之类的位置、接近度和运动相关传感器；诸如电荷耦合器件(ccd)、cmos传感器、红外传感器和光电检测器之类的成像和其他光学传感器；诸如气压计、压力计和触觉传感器之类的压力传感器；诸如压电传感器和应变仪之类的力传感器；诸如温度计、热量计、电热调节器、热电偶和高温计之类的温度和热传感器；诸如运动检测器、三角测量传感器、雷达、光电池、声纳和霍尔效应传感器之类的接近度和存在传感器；生物芯片；诸如血压传感器、脉搏/氧传感器、血糖传感器和心脏监测器之类的生物计量传感器。此外，传感器可用诸如压电聚合物之类的智能材料形成，在一些实施例中，这些聚合物作为传感器和致动器两者起作用。在题为“用于移动设备上共享反馈的交互性模型(interactivitymodelforsharedfeedbackonmobiledevices)”的美国专利8,659,571中公开了额外的传感器，其全部公开通过引用并入本文中。

一旦事件检测模块412确定事件数据与触觉效果相关联，效果确定模块414确定递送诸如触觉效果的哪项效果。效果确定模块414可用来确定触觉效果的示例技术包括被编程为做出选择触觉效果的决定的规则。可被效果确定模块414用来选择触觉效果的另一个示例技术包括将触觉效果关联到事件数据的查找表或数据库。

一旦效果确定模块414确定递送哪项触觉效果，效果控制模块416引导触觉信号的生成。效果控制模块控制由触觉数据限定的信号参数到i/o控制器406的通信。信号参数限定施加到触觉致动器430的驱动信号。可被触觉数据限定的参数的示例包括相对于事件的频率、振幅、相位、反转(inversion)、持续时间、波形、启动时间(attacktime)、上升时间、淡入淡出时间(fadetime)以及滞后(lag)或提前(lead)时间。

i/o控制器406使用信号参数来生成体现触觉数据的触觉信号且将触觉信号传送给致动器驱动电路420，该致动器驱动电路可包括驱动器、放大器和用于将触觉信号处理成触觉驱动信号的其他部件。致动器驱动电路420将触觉驱动信号应用于触觉致动器430，然后触觉致动器传送触觉效果。

上文描述的各种实施例仅作为示例给出且不应当解释为限制本文所附的权利要求书。本邻域技术人员将容易地认识到可能做出的各种修改和改变，而不必遵循本文所示出和描述的示例实施例和应用且不背离下列权利要求书的真正精神和范围。