用于触觉反馈设备的电活性聚合物换能器的制作方法

专利名称：用于触觉反馈设备的电活性聚合物换能器的制作方法
技术领域：
本发明针对使用电活性聚合物换能器以提供感觉反馈。背景由许多已知的用户界面设备都利用了触觉反馈(通过施加在用户身上的力来与 用户交流信息)，典型地，该触觉反馈是响应由用户发出的力。利用触觉反馈的用户界面设 备的例子是可以包括键盘、触摸屏、计算机鼠标、轨迹球、手写杆、操纵杆，等等。由这些类型 的界面设备提供的触觉反馈是以物理感觉的形式诸如振动、脉动、弹簧力等等的，其可由用 户直接地感觉(例如，经由触摸屏幕)、间接地感觉(例如，当钱包或手袋中的手机振动时， 经由这种振动的效果)、或者以其他方式感觉(例如，经由引起了压力扰动，而不产生传统 意义上的音频信号的运动物体的活动)。通常，带有触觉反馈的用户界面设备可以是“接收了”由用户所发出活动的输入设 备，和提供了指示已发出活动的触觉反馈的输出设备。实际上，一些用户界面设备被接触 或触摸的部分或表面，例如按键的位置，就是通过由用户所施加的力沿着而至少一个自由 度改变的，其中所施加的力必须达到某个最小临界值，以便使接触部分改变位置并产生触 觉反馈。接触部分位置变化的实现或对准导致了响应力(例如，反弹、振动、脉动)，其也被 施加到在设备中承受了用户动作的接触部分上，这种力通过他或她的触摸感觉被传达给用 户。用户界面设备的一个普通例子是鼠标上的按钮，其利用了反弹或“两相”式的触觉 反馈。即直到所施加的力达到某个临界值时按钮才移动，此时按钮相对容易地向下移动，并 随后停止_该动作的总体感觉被定义为“点击”按钮。用户所施加的力实质上是沿着垂直 于按钮表面的轴线，正如由用户所感受到的响应(但相反)力一样。在另一个例子中，当用户在触摸屏上进行输入时，典型地，屏幕通过屏幕上的图形 改变来确认输入，所述图形改变是与/不与听觉提示一起发生的。触摸屏提供图形反馈，这 通过在屏幕上的视觉提示，诸如改变色彩或形状的方式来实现。触摸板则通过在屏幕上的 光标来提供视觉反馈。虽然上面的提示提供了反馈，但来自手指致动的输入设备的最直观 且有效的反馈却是触觉反馈，诸如键盘键的制动(detent)或者鼠标滚轮的制动。因此，在 触摸屏上并入触觉反馈是值得期待的。已知触觉反馈能力改进了用户的生产力和效率，尤其是在数据输入方面的生产力 和效率。由此发明人相信，进一步改进被传达给用户的触觉感觉的特性与质量可以进一步 增加这种生产力和效率。如果提供这种改进所通过的感觉反馈机制被容易且有成本效益地 制造，并且不会增加且优选地是减少已知触觉反馈设备的空间、尺寸和/或质量要求的话， 则将会有额外的益处。
发明概述本发明包括的设备、系统和方法涉及用于感觉应用的电活性换能器。在一个变化 中，提供了具有感觉反馈的用户界面设备。本发明的一个益处是，每当触发了传感器板上的 输入，或者通过软件触发了致动器，则为装备了触摸屏或触摸板的电子设备的用户提供触 觉反馈手段。触摸屏可以是刚性或柔性的，这取决于要用到所述用户界面设备的所需应用。在一个变化中，此处描述的系统包括用于向用户显示信息的用户界面设备，所述 用户界面包括屏幕，其具有被配置成用于由用户触觉接触的用户界面表面和传感器板，该 屏幕被配置成显示信息；框架，其在所述屏幕的至少一部分的周围；以及电活性聚合物材 料，其耦合在屏幕与框架之间，其中由用户生成的输入信号导致电场被施加到电活性聚合 物材料上，从而导致电活性聚合物材料以产生足以被用户触觉察觉到的力的方式来位移屏 幕和传感器面板中的至少一个。此处描述的用户界面设备可以配置成供用户触觉接触，并且其中用户的触觉接触 引起了输入信号的产生。可供选择地或另外地，用户界面设备能够被配置成接受用户的输 入，并用于生成输入信号。此处描述的系统通常还将包括控制系统，其用来响应于对屏幕的触发力而控制电 活性聚合物换能器的位移量。屏幕的运动能够在任何数量的方向上。例如，相对于框架为 横向，相对于框架为轴向，或二者兼有。在一些变化中，电活性聚合物材料被封装以形成垫圈，并且其中将该垫圈机械地 耦合在框架与屏幕之间。电活性聚合物材料能够以任何数量的配置耦合在框架与屏幕之间。耦合件可以包 括位于框架与屏幕之间的至少一个弹簧构件。在一些设备的变化中，电活性聚合物材料至少包括电活性换能器，其具有至少一 个弹簧构件。在另外的变化中，电活性聚合物材料包括多个褶皱或折叠。在用户界面设备的另一个变化中。所述设备包括屏幕，其具有被配置成用于由用 户进行触觉接触的传感器表面和传感器板，所述屏幕被配置成显示信息；框架，其在所述屏 幕的至少一部分周围；以及电活性聚合物材料，其耦合在传感器表面与框架之间，其中由用 户生成的输入信号导致电场被施加到电活性聚合物材料，从而导致电活性聚合物材料以产 生足以被用户触觉察觉到的力的方式来位移屏幕和传感器面板中的至少一个。本设备和系统提供了更大的通用性，这是因为它们能够利用在许多类型的输入设 备中，并且提供了来自多个输入元件的反馈。由于其不会在实质上增加设备的机械复杂性 或设备的质量和重量，所以该系统也是有优势的。所述系统还无需任何机械的滑动或旋转 元件来实现其功能，从而使系统耐用、装配简单且易于制造。本发明可以利用在任何类型的用户界面设备中，包括但不限于用于计算机、电 话、PDA、视频游戏机、GPS系统、自助服务机(kiosk)应用，等等的触摸板、触摸屏或键盘或 其他类似物。关于本发明的其他细节，材料和可供选择的相关配置同样可以在有相关领域中技 术的人员的水平内被利用。关于本发明基于方法的方面，同样的材料和可供选择的相关配 置可适用在额外的行动方面，所述行动可被普通地或逻辑地利用。另外，虽然本发明关于若干例子进行了描述，可选择地并入了各种特征，但本发明不限于被描述或指明为预期与本 发明的每个变化有关。所述发明可以做出各种改变，并且其等价物(无论此处是否详述或 者为了简洁起见而未被包括)可以被代替而不偏离本发明的真正精神和范围。可以在它们 的设计中集成任何数量的所示单独部分或子组件。这种改变和其他改变可以由关于组件的 设计原理来着手和指导。一旦阅读了如下面被更全面地描述的本发明的细节，则对于本领域中的技术人员 而言，本发明的这些和其他的特性、目的和优势将会变得明显。附图简述当连同所附原理图一起阅读时，从下面的详述中将最好地理解本发明。为便于理 解，已使用了相同的参考编号(这在实际上)标明附图中通用的相似元件。附图中所包括 的内容如下图IA和IB示出用户界面的一些例子，当EAP换能器连接到显示屏幕或传感器以 及设备的主体时，所述用户界面能够利用触觉反馈。图2A和2B，显示了包括显示屏幕的用户界面设备的截面图，该显示屏幕具有一表 面，其可用触觉反馈对用户的输入进行反应。图3A和3B示出具有显示屏幕的用户界面设备的另一个变化的截面图，该显示屏 幕由柔性膜所覆盖，且在作用垫圈内形成的作用ΕΑΡ。图4示出用户界面设备的另外变化的截面图，所述用户界面设备具有弹簧偏置的 EAP膜，其位于显示屏幕边缘的周围。图5显示用户界面设备的截面图，其中显示屏幕使用一些柔性垫圈连接到框架， 并且用于显示装置的驱动力是一些EAP致动器隔膜。图6Α和6Β显示用户界面230的截面图，所述用户界面230具有连接在显示装置 之间的褶皱EAP膜或薄膜。图7Α和7Β示出根据本发明一个实施方式的电压应用前后的换能器的顶部透视 图。图8Α和8Β分别显示了供用户界面设备中使用的感觉反馈设备的分解的顶部和底 部透视图。图9Α是本发明中装配好的电活性聚合物致动器的顶部平面视图；图9Β和9C分别 为图8Α中致动器薄膜部分的顶部和底部平面视图，以及特别示出了所述致动器的两相配置。图9D和9Ε示出电活性聚合物换能器的阵列的例子，其用于放置在从设备的框架 间隔开的显示屏幕表面上。图9F和9G分别为供此处所公开的用户界面设备使用的致动器阵列的分解视图和 装配视图。

图10示出用户界面设备的侧视图，人类手指与设备接触表面操作地接触。图IlA和IlB分别以图形示出图9A-9C的致动器以单相模式操作时的力-行程关 系和电压响应曲线。图12Α和12Β分别以图形示出图9A-9C的致动器以两相模式操作时的力-行程关 系和电压响应曲线。
图13是用于操作感觉反馈设备的电子电路的框图，所述电子电路包括电源和电 子控制设备。 图14A和14B显示EAP致动器平面阵列的例子的部分横截面视图，所述EAP致动 器平面阵列连接到用户输入设备。预期了从图中所示发明的变化。详述现在，关于附图详细描述本发明的设备、系统和方法。正如所指出的那样，需要用户界面的设备能够被改进，这通过使用设备的用户屏 幕上的触觉反馈。图IA和IB示出这种设备190的简单例子。每个设备包括显示屏幕232 用于让用户输入或查看数据。显示屏幕连接到设备的主体或框架234。毫无疑问地，任何 数量的设备被包括入本公开的范围内，无论是否为便携式(例如，手机、计算机、制造设备， 等等)或者是固定到其他非便携式结构(例如，信息显示面板的屏幕、自动取款机屏幕，等 等)上。对本公开来说，显示屏幕还能够包括触摸板类型设备，这里用户的输入或互动发生 在监视器上，或者在远离真实触摸板(例如，便携计算机触摸板)的位置上。许多设计考虑偏爱选择和使用先进的介电弹性体材料，也被称为“电活性聚合 物”(EAP)，用于制造换能器，特别是当需要显示屏幕232的触觉反馈时。这些考虑包括有势 力、功率密度、功率转换/消耗、尺寸、重量、成本、响应时间、占空比、服务要求、环境影响， 等等。因此，在许多应用中，EAP技术提供用于对压电材料、形状记忆合金(SMA)和电磁设 备，诸如马达和螺线管的理想替代。EAP换能器包括两个薄膜电极，这两个薄膜电极具有弹性特性，并通过薄弹性体介 电材料分离。当电压差被施加到电极上时，电性相反的电极相互吸引，由此压缩在其之间的 聚合物介电层。因为电极被拉近到一起，介电聚合物薄膜变得更薄(ζ轴分量收缩)，同时， 其在平面方向上膨胀(χ和y轴分量膨胀)。图2A-2B显示带有显示屏幕232的用户界面设备230的一部分，所述显示屏幕的 表面由用户响应于显示屏幕上的信息、控制或刺激而物理地触摸。显示屏幕234能够是任 何类型的触摸板或屏幕面板诸如液晶显示装置(LCD)、有机发光二极管(OLED)或形似物。 另外，各种界面设备230能够包括诸如“虚拟”屏幕的显示屏幕232，诸如其中屏幕上的图像 是换位的(例如，投影仪或图形覆盖)，所述屏幕能够包括常规监视器乃至带有固定信息诸 如普通标志或显示的屏幕。在任何情况下，显示屏幕232包括框架234 (或外壳，或经由直接连接或者一个或 多个接地元件将所述屏幕机械连接到该设备的任何其他结构)，和将屏幕232连接到框架 或外壳234的电活性聚合物(EAP)换能器236。如此处标注的，EAP换能器能够沿着屏幕 232的边缘，或者EAP换能器阵列能够被放置为与屏幕232的一部分接触，该部分与框架或 外壳234间隔开。图2A和2B示出基础用户界面设备，这里被封装的EAP换能器236形成作用垫圈。 任何数量的作用垫圈EAP 236能够被连接在触摸屏232与框架234之间。典型地，提供足 够的作用垫圈EAP 236以产生所需触觉感觉。然而依赖于具体应用，作用垫圈的数量常常 是变化的。在设备的一种变化形式中，触摸屏232可包括显示屏幕或传感器板(这里显示 屏幕将会在传感器板后面)。
图上显示了触摸屏232在非作用和作用状态之间循环变化的用户界面设备230。 图2A显示了触摸屏232在非作用状态中的用户界面设备230。在这种情况下，没有给EAP 换能器236施加场，允许换能器处于休眠状态。图2B显示了一些用户输入触发EAP换能器 236进入作用状态之后的用户界面设备230，这里换能器236导致显示屏幕232在以箭头 238显示的方向上移动。可供选择地，能够变化一个或多个EAP换能器236的位移以产生显 示屏幕232的定向运动(例如，整个显示屏幕232不是一致地移动，而是使屏幕232的一个 范围与其他范围相比更大程度地移动)。显然，连接到用户界面设备230的控制系统能够被 配置成以所需频率循环变化EAP236，和/或变化EAP 236的挠曲量。图3A和3B示出用户界面设备230的另一个变化，所述用户界面设备230所具有 的显示屏幕232由对显示屏幕232起保护作用的柔性膜240覆盖。再者，所述设备能够包 括一些作用垫圈EAP 236，它们将显示屏幕232连接到底座或框架234。响应于用户输入， 当向EAP 236施加电场而引起位移时，屏幕232连同膜240 —起位移以便使设备230进入 作用状态。图4示出用户界面设备230的另外变化，所述用户界面设备230具有弹簧偏置的 EAP膜240，该EAP膜240位于显示屏幕232的边缘周围。EAP膜240能够被放置在屏幕周 界的周围，或者仅在那些许可屏幕为用户产生触觉反馈的位置上。在这种变化中，被动柔性 垫圈244提供对屏幕232的力，从而将EAP膜242置于拉伸状态中。一旦向膜242提供了 电场(同样，根据由用户输入所产生的信号)，放松EAP膜242以导致屏幕232的位移。如 通过箭头246标注的，用户输入设备230能够被配置成产生屏幕232在相对于由垫圈244 所提供偏置的任何方向上的运动。另外，对非所有EAP膜242的促动产生了屏幕232的非 一致运动。图5还示出用户界面设备230的另一个变化。在这个例子中，显示屏幕232使用 一些柔性垫圈244连接到框架234，并且对屏幕232的驱动力是一些EAP致动器隔膜248。 EAP致动器隔膜248是弹簧偏置的，并且能根据电场的应用而驱动显示屏幕。如所示，EAP 致动器隔膜248具有在弹簧两侧的相对的EAP膜。在这种配置中，促动EAP致动器隔膜248 的相对面使装置在中性点处是刚性的。EAP致动器隔膜248的行动像控制人类手臂运动的 相反二头肌和三头肌。虽然未显示，但正如序列号为11/085，798和11/085,804的美国专 利申请中所讨论的，能够堆叠致动器隔膜248以提供两相输出活动，和/或对输出进行放大 以用于更具鲁棒性的应用。图6A和6B显示用户界面230的另一个变化，所述用户界面230具有EAP膜或薄 膜242，其在一些点或接地元件252上处连接在显示装置232与框架234之间，以便调节EAP 薄膜242中的褶皱或折叠。如图6B中所示，对EAP薄膜242应用电场导致在褶皱方向上位 移，并且相对于框架240使显示屏幕232挠曲。用户界面232能够可选地包括也被连接在 显示装置232与框架234之间的偏置弹簧250，和/或覆盖了显示屏幕232的一部分(或全 部)的柔性保护膜240。要注意的是，上面讨论的图以图形示出了这种触觉反馈设备的示例性配置，所述 触觉反馈设备利用了 EAP薄膜或换能器。可以在本公开的范围内做出许多变化，例如，在设 备的一些变化中，EAP换能器能够被实现来仅移动一个传感器板或元件(例如，根据用户输 入被触发并且为EAP换能器提供信号的一个传感器板或元件)而不是整个屏幕或板装置。
在任何应用中，通过EAP构件实现的对显示屏幕或传感器板的反馈位移能够全部 在平面内，这被感觉为横向运动，或者能够在平面外(其被感觉为纵向位移)。可供选择地， EAP换能器材料能够被分割以提供可独立地确定位置/移动的部分，以便提供板元件的角 位移。另外，任何数量的EAP换能器或薄膜(如在上面列出的应用和专利中所公开的)能 够被并入此处描述的用户界面设备中。此处描述设备的变化允许设备的整个传感器板(或显示屏幕)充当触觉反馈元 件。这样做是考虑到广泛的通用性。例如，屏幕能够响应虚拟击键而弹起一次，或者其能够 响应滚动元件诸如屏幕上的滑杆而输出连续弹起，这有效地模拟了对滚轮的机械制动。借 助使用控制系统，能够通过读取用户手指在屏幕上的准确位置，并且相应地移动屏幕面板 来综合整理出一个三维轮廓以模拟3维结构。给定足够的屏幕位移和屏幕的有效质量，则 屏幕的反复震荡甚至能够代替移动电话的振动功能。这种功能可以应用于文本浏览，这里 一行文本的(纵向)滚动由触觉“突起”来代表，由此模拟了制动。在视频游戏方面，本发 明提供了增加的互动性，以及对现有视频游戏系统中所利用的震荡振动马达更出色的手指 运动控制。在触摸板情况下，可以来改进用户互动性与可及性，尤其是对于有视力障碍的用 户，通过提供身体提示进行改进。EAP换能器可以被配置成与所施加的电压成比例地位移，这便于对使用了主体触 觉反馈设备的控制系统进行编程。例如，软件算法可以将像素灰度转化为EAP换能器位移， 凭借这种算法，在屏幕光标尖端以下像素的灰度值被连续测量，并通过EAP换能器转换为 成比例的位移。通过在触摸板上移动手指，一个人能够感受或感觉到一个大略的3维结构。 相类似的算法可以应用到网页上，这里图标的边缘可以作为页面结构中的突起，或者作为 当手指在图标上移动时发出的按键蜂鸣声的按钮，来反馈给用户。对于普通用户，这将在网 上冲浪的同时提供全新的感觉体验，而对于有视觉障碍的用户，这将增加绝对必要的反馈。出于多种原因，EAP换能器非常适合用于这种应用。例如，由于他们的轻重量 和极小组件，EAP换能器提供非常低的轮廓，因此，非常适合供感觉/触觉反馈应用来使 用。EAP换能器的例子与它们的构造在第7，368，862 ；7, 362，031 ；7, 320，457 ；7, 259，503 ； 7，233，097 ；7，224，106 ；7，211，937 ；7，199，501 ；7，166，953 ；7，064，472 ；7，062，055 ； 7，052，594 ；7，049，732 ；7，034，432 ；6，940，221 ；6，911，764 ；6，891，317 ；6，882，086 ； 6，876，135 ；6，812，624 ；6，809，462 ；6，806，621 ；6，781，284 ；6，768，246 ；6，707，236 ； 6，664，718 ；6，628，040 ；6，586，859 ；6，583，533 ；6，545，384 ；6，543，110 ；6，376，971 和 6，343，129 号美国专利；以及第 2006/0208610 ；2008/0022517 ；2007/0222344 ； 2007/0200468 ；2007/0200467 ；2007/0200466 ；2007/0200457 ；2007/0200454 ； 2007/0200453 ；2007/0170822 ；2006/0238079 ；2006/0208610 ；2006/0208609 ；禾口 2005/0157893号已公布美国专利申请中都有描述，此处通过引用并入它们的全部内容。图7A和7B示出EAP薄膜或膜10结构的例子。薄弹性体介电薄膜或层12被夹在 柔性的或可伸缩的电极板或层14与16之间，由此形成了电容性结构或薄膜。介电层的长 度“1”和宽度“《”，以及复合结构的长度和宽度，都远大于其厚度“t”。典型地，介电层所具 有的厚度在从大约10 μ m到大约100 μ m的范围内，而该结构的总厚度在从大约25 μ m到大 约IOcm的范围内。另外，需要选择电极14、16的弹性模量、厚度、和/或微几何形状，使得 它们贡献给致动器的额外刚度总体小于介电层12的刚度，所述介电层12具有相对低的弹性模量，即，小于大约IOOMpa并且更典型地为小于大约lOMPa，其有可能厚于电极中的每一 个。适合于和这些柔性电容性结构一起使用的电极是那些能够承受大于大约的周期应 变而不会由于机械疲劳而故障的电极。如图7B中所见，当跨越电极施加电压时，两个电极14、16中的不同电荷相互吸引， 并且这些静电吸引力会压缩介电薄膜12(沿Z轴)。由此导致介电薄膜12随着电场中的改 变而挠曲。因为电极14、16是柔性的，它们会随着介电层12改变形状。一般来说，挠曲是指 介电薄膜12中一部分的任何位移、膨胀、收缩、扭转、线性或区域应变、或者任何其他形变。 依赖于形状适合结构，例如其中利用了电容性结构10(总体称为“换能器”)的框架，这种挠 曲可以用来产生机械功。在上面指出的专利引用中公开和描述了各种不同换能器。因为施加了电压，换能器薄膜10持续挠曲，直到机械力平衡了驱动所述挠曲的静 电力为止。所述机械力包括介电层12的弹性恢复力，电极14、16的柔量或伸展，以及由连 接到换能器10的设备和/或负载所提供的任何外部阻力。作为施加电压的结果，换能器10 产生的挠曲还可能依赖于大量其他因素，诸如弹性体材料的介电常数及其尺寸和刚度。而 电压差和感应电荷的移除则导致相反效果。在一些情况下，相对于薄膜12的总面积，电极14和16可覆盖介电薄膜12的有限 部分。可这样做以防止电介质边缘附近的电击穿，或者在其某些部分中实现定制的挠曲。在 挠曲期间，可使作用区域以外的介电材料(所述作用区域是介电材料中的一部分，其具有 足够使该部分能挠曲的静电力)充当在作用区域上的外部弹簧力。更特别地，作用区域以 外的材料可通过其收缩或膨胀抵抗或增强作用区域的挠曲。介电薄膜12可被预应变。这种预应变改进了电能与机械能之间的转化，即预应变 允许介电薄膜12更多地挠曲并提供更大的机械功。薄膜的预应变可以被描述为预应变之 后在一个方向上的尺寸相对于预应变之前在该方向上的尺寸的改变。预应变可以包括介电 薄膜的弹性形变，并且通过例如延伸处于拉伸状态的薄膜，和在延伸的同时固定其边缘中 的一个或多个来形成。预应变可以被强加在薄膜的边界上或仅用于薄膜的一部分，并且可 通过使用刚性框架或通过硬化薄膜的一部分来形成。图7A和7B的换能器结构，以及其他类似的柔性结构和它们结构的细节在许多此 处所公开的被引用的专利和公布中更加全面地进行了描述。另外对于上面所描述的EAP薄膜，感觉或触觉反馈用户界面设备能够包括被设计 成产生横向运动的EAP换能器。例如，包括了如在图8A和8B中从顶到底所示出的各种组 件，正如所指出的那样，具有以弹性薄膜形式的电活性聚合物(EAP)换能器10的致动器30 将电能转化为机械能。所得机械能是以输出构件的物理“位移”的形式，这里的输出构件是 以盘状物28的形式。参考图9A-9C，EAP换能器薄膜10包括两对工作的薄弹性电极32a、32b和34a、 34b，这里每对工作电极通过弹性体介电聚合物26 (例如，由丙烯酸酯、硅酮、氨基甲酸乙 酯、热塑性弹性体、烃类橡胶、碳氟化合物的合成橡胶，或者类似物制成的)的薄层分离。当 在每对工作电极中电性相反的电极(即，在电极32a与32b，以及在电极34a与34b)之间施 加电压差时，相对的电极互相吸引，由此压缩其之间的介电聚合物层26。因为电极被拉近到 一起，介电聚合物26变得更薄(即，ζ轴分量收缩)，同样地其在平面方向上膨胀(即，χ和 y轴分量膨胀)(关于参考轴见图9B和9C)。此外，每个电极上分布的同极性电荷导致蕴藏在电极内的导电粒子互相排斥，并由此有助于弹性电极和介电薄膜的膨胀。由此导致介电 层26随着电场中的改变而挠曲。因为电极材料也是柔性的，则电极层跟着介电层26 —起 改变形状。一般来说，挠曲是介电层26中一部分的任何位移、膨胀、收缩、扭转、线性或区域 应变、或者任何其他形变。这种挠曲可以用来产生机械功。制造换能器20时，弹性薄膜被延伸并通过两个相对的刚性框架面8a、8b固定在预 应变位置上。已观察到的是，预应变改进了聚合物层26的介电强度，由此改进了电与机械 能之间的转化，即预应变允许薄膜更大挠曲并且提供更多机械功。典型地，在聚合物层的 预应变之后应用电极材料，但也可以事先应用。设置在层26同一面上的两个电极，此处被 称为同面电极对，即介电层26顶面26a上的电极32a和34a(见图9B)以及介电层26底面 26b上的电极32b和34b(见图9C)通过非作用区域或缝隙25被相互电绝缘。聚合物层两 侧的相对电极形成两组工作电极对，即，电极32a与32b为一个工作电极对，以及电极34a 与34b为另一个工作电极对。每个同面电极对优选地具有相同的极性，而每个工作电极对 中电极的极性是互相相反的，即电极32a与32b有相反电性以及电极34a与34b有相反电 性。每个电极具有被配置成用于到电源(未显示)的电连接的电接触部分35。在示出的实施方式中，电极中的每一个都具有半圆形配置，这里同面电极对限定 了实质上圆形的图案，用于容纳在介电层26中每一面上被中心排布的、刚性输出盘状物 20a、20b。盘状物20a、20b (下面将讨论其功能)固定在聚合物层26的中心暴露的外表面 26a、26b，并由此将层26夹其之间。在盘状物与薄膜之间的连接可以是机械的，或者是通过 粘结剂提供的。一般地，盘状物20a、20b将相对于换能器框架22a、22b确定大小。更具体 地说，盘状物直径与框架的内环直径之比将以这种方式确定，即充分分布施加到换能器薄 膜10的应力。盘状物直径与框架直径之比越大，则反馈信号或运动的力就越大，且盘状物 的线性位移越低。可供选择地，盘状物直径与框架直径之比越小，输出力越低并且线性位移 越大。取决于电极配置，换能器10可能够以单相或两相模式工作。以被配置的方式，上 面所描述的主体感觉反馈设备的输出组件，即两个连接的盘状物20a与20b的机械位移为 横向而非纵向。换句话说，感觉反馈信号的力并非垂直于用户界面的显示装置表面232，也 非平行于由用户手指38(但在相反、朝上的方向上)所施加的输入力(在图10中以箭头 60a示出)，本发明的感觉/触觉反馈设备的感觉反馈或输出力(由图10中的双向箭头60b 标明)的所在方向平行于显示装置表面232且垂直于输入力60a。依赖电极对关于与换能 器10平面垂直的轴的旋转调准，且相对于显示装置表面232的位置以及换能器操作的模 式(即，单相或两相)，这种横向运动可以是360°以内的任一方向。例如，相对于用户手指 (或手掌或手柄，等等)的前进方向，横向反馈运动可以是左右或者上下(两种都是以两相 致动)。尽管本领域中的技术人员将会认识到某些其他致动器配置提供了横切或垂直于触 觉反馈设备接触表面的反馈位移，但是，被如此配置的设备的总体轮廓可能大于上述设计。图9D-9G示出电活性聚合物阵列的例子，其能够放置在设备的显示屏幕上。在这 个例子中，供EAP致动器阵列使用的EAP薄膜阵列200 (见图9F)的电压和接地的面分别为 200a和200b，所述EAP致动器则供本发明的触觉反馈设备使用。薄膜阵列200包括以矩阵 配置提供的电极阵列以增加空间和功率效率。EAP薄膜阵列的高电压面200a提供电极图案 202，其(根据图9D示出的视点)在介电薄膜材料208上纵向分布。每个图案202包括一对高电压线202a、202b。EAP薄膜阵列相反或接地的面200b提供电极图案206，其相对于高 电压电极横向，即水平分布。每个图案206包括一对接地线206a、206b。每对相对的高电压 线和接地线(202a、206a以及202b、206b)提供可分离地可激活的电极对，使得对相对的电 极对的激活在箭头212示出的方向上提供两相输出活动。图9F中以EAP换能器222的阵 列204的分解图提供了被装配的EAP薄膜阵列200 (示出了介电薄膜208顶面和底面上电 极的交叉图案)，在图9G中以装配好的形式示出了 EAP换能器。EAP薄膜阵列200被夹在 相对的框架阵列214a、214b之间，这两个阵列中的每个阵列中每个单独的框架部分216由 位于开放区域内被中央定位的输出盘状物218所限定。框架/盘状物部分216与电极配置 的每个组合都形了一 EAP换能器222。依赖于所需致动器的应用和类型，可为换能器阵列 204添加额外的组件层。例如，换能器阵列220可以被整个地并入用户界面阵列，诸如显示 屏幕、传感器表面或触摸板。当以单相模式操作感觉/触觉反馈设备2时，在任一时刻，将仅有致动器30的一 对工作电极活动。致动器30的单相操作可使用单个高压电源控制。当施加到被单个选择的 工作电极对的电压增加时，换能器薄膜的被激活部分(一半)将膨胀，由此在换能器薄膜非 作用部分方向上、在平面内移动输出盘状物20。图IlA示出当两个工作的电极对以单相模 式交替激活时致动器30的感觉反馈信号(即，输出盘状物位移)相对于中性位置的力-行 程关系。如所示出的，输出盘状物相应的力和位移互相等大但反向。图IlB示出当以这种单 相模式操作时所产生的施加电压与致动器输出位移之间的非线性关系。两个电极对通过共 享介电薄膜的方式形成的“机械”连接可以让输出盘状物以相反方向移动。因此，当操作两 个电极对时，即便它们相互独立，在第一工作电极对上施加的电压(相1)将在一方向上移 动输出盘状物20，而在第二工作电极对上施加的电压(相2)将在相反方向上移动输出盘状 物20。如图IlB中的各种曲线所反映的，当电压线性变化时致动器的位移是非线性的。输 出盘状物在位移期间的加速度也能够通过两相同步操作来控制，以增强触觉反馈效果。也 能将致动器分成多于两个的、可独立地激活的相，使得输出盘状物的活动更加复杂。为了使输出构件或组件产生更大的位移，并由此为用户提供更大感觉反馈信号， 致动器30以两相模式操作，即致动器两部分同时激活。图12A示出当以两相模式操作致动 器时输出盘状物的感觉反馈信号的力-行程关系。如所示出的，以这种模式，致动器中两个 部分32、34的力和行程这两者是在相同方向上，并且与单相模式操作的致动器相比，其具 有双倍幅度的力和行程。图12B示出了当以这种两相模式操作时由此产生的施加电压与致 动器输出位移的线性关系。通过将致动器中被机械连接的部分32、34串联电连接，并且控 制它们的公共节点55，诸如以图13中框图40所示出的方式，则公共节点55的电压与(以 任何配置的)输出构件的位移(或阻力)之间的关系接近线性相关。以这种操作模式，有效 地相互抵消了致动器30的两个部分32、34的非线性电压响应以产生线性电压响应。借助 使用控制电路44和开关装置46a、46b (为致动器的每部分使用一个开关装置)，这种线性关 系允许致动器的性能被微调和调制，这通过使用由控制电路提供给开关装置的各种类型的 波形来实现。使用电路40的另一个优势是能够减少操作感觉反馈设备所需的开关电路和 电源的数量。若不使用电路40，则将需要两个独立的电源和四个开关设备。因此，在控制电 压与致动器位移之间的关系被改善，即令其更加线性的同时，减少了电路的复杂性和成本。可以利用各种类型的机制传达来自用户的输入力60a以产生所需的感觉反馈60b (见图10)。例如，电容性或电阻性传感器50 (见图13)可以被封装在用户界面板4内， 以感测由用户输入在用户接触表面上施加的机械力。来自传感器50的电输出52被提供到 控制电路44，其接下来根据由控制电路所提供的模式和波形触发开关设备46a、46b，将来 自电源42的电压施加到感觉反馈设备中的相应换能器部分32、34上。本发明的另一个变化涉及EAP致动器的气密封以最小化可能发生在EAP薄膜上的 湿度或水分冷凝的任何影响。对于下面所描述的各种实施方式，EAP致动器被密封在阻挡 膜中，从而与触觉反馈设备的其他组件实质上分离的。阻挡膜或罩可以由诸如箔片组成，其 优选地是被热密封或以类似方法密封以最小化水分渗入密封薄膜内的可能性。阻挡膜或罩 的一些部分可以由柔性材料制成，以允许将罩里的致动器改进地机械连接到罩外部的一点 上。这些设备实施方式中的每一个使致动器输出构件的反馈运动能够耦合到用户输入表面 的接触表面，例如键盘，同时最小化对密封的致动器封装的任何危害。还提供了用于将致动 器的运动耦合到用户界面的接触表面的各种示范性装置。就其方法而言，本主题方法可以 包括与所描述设备的使用相关的机械和/或活动方法中的每一个。因此，隐含使用所描述 设备的方法形成了本发明的一部分。其他方法则可集中在这种设备的制造上。图14A显示了连接到用户输入设备190的平面阵列的EAP致动器204的例子。如 所示，EAP致动器204的阵列覆盖屏幕232的一部分，并且经由支座256连接到设备190的 框架234。在这种变化中，支座256容许为致动器204和屏幕232的运动留有间隙。在设 备190的一个变化中，致动器204的阵列能够为多个分立的致动器或者致动器阵列，取决于 所需应用其可位于用户界面表面或屏幕232后面。图14B显示了图14A的设备190的底部 视图。如通过箭头254所示，无论是作为对与屏幕232正交方向上运动的替代，还是与屏幕 232正交方向上运动的组合，EAP致动器204能允许屏幕232沿着一个轴运动。关于本发明的其他细节，材料和可供选择的相关配置同样可以在有相关领域中技 术的人员的水平内被利用。关于本发明基于方法的方面，同样的材料和可供选择的相关配 置可适用在额外的行动方面，所述行动可被普通地或逻辑地利用。另外，虽然本发明关于若 干例子进行了描述，并可选择地并入了各种特征，但本发明不限于被描述或指明为预期与 本发明的每个变化有关。所述发明可以做出各种改变，并且其等价物(无论此处是否详述 或者为了简洁起见而未被包括)可以被代替而不偏离本发明的真正精神和范围。可以在它 们的设计中集成任何数量的所示单独部分或子组件。这种改变和其他改变可以由关于组件 的设计原理来着手和指导。另外可预期的是，所描述发明性变化的任何可选择特征可被独立地，或者与此处 所描述的任何一个或多个特征的组合来阐明和要求。关于单数术语，包括了有多个相同术 语出现的可能性。更具体地说，如此处和附加权利要求中所使用的，除非另有说明，单数形 式“一(a)”、“一(an)”、“所述(said)”以及“该(the) ”包括了复数个所指物。换句话说， 可允许对以上描述和以下权利要求中的主题项目的“至少一个”使用冠词。还要注意的是， 权利要求可被描述为排除任何可选择的元件。就这点而论，这种陈述旨在充当前置基础，供 这种排他性用辞如“单独地”、“仅仅地”以及与权利要求成份有关的相似词汇使用，或者供 “否定”限制使用。在不使用这种排他性用辞时，在权利要求中的术语“包括”应允许包括任 何额外成份_不论是否在权利要求中列举了给定数量的成份，还是附加特征能够被视为权 利要求所阐明成份的性质的变形。除非此处有具体规定，以其他方式指明的、此处使用的所有技术和科学术语给出在通常理解的意义上尽可能广泛的范围，同时维持权利要求的有效 性。 总之，本发明的广泛性不由所提供的例子限制。
权利要求
一种用于向用户显示信息的用户界面设备，所述用户界面包括屏幕，其具有传感器板和被配置成用于由用户触觉接触的用户界面表面，所述屏幕被配置成显示信息；框架，其在所述屏幕的至少一部分的周围；以及电活性聚合物材料，其耦合在所述屏幕与所述框架之间，其中由用户生成的输入信号导致电场被施加到所述电活性聚合物材料上，从而导致所述电活性聚合物材料以产生足以被用户触觉察觉到的力的方式来使所述屏幕和传感器面板中的至少一个发生位移。
2.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述屏幕被配置成供用户触觉接触，并且 其中用户的触觉接触引起所述输入信号的产生。
3.如权利要求1所述的用户界面设备，其中数据输入表面被配置成用于接收用户输入 和用于生成所述输入信号。
4.如权利要求1所述的用户界面设备，还包括控制系统，该控制系统用于响应于对所 述屏幕的触发力而控制所述电活性聚合物换能器的位移量。
5.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述屏幕的运动相对于所述框架为横向的。
6.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述输出构件机械耦合到所述用户接触表
7.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料被封装以形成垫 圈，并且其中所述垫圈机械耦合在所述框架与所述屏幕之间。
8.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料直接耦合在所述框 架与所述屏幕之间。
9.如权利要求8所述的用户界面设备，还包括位于所述框架与所述屏幕之间的至少一 个弹簧构件。
10.如权利要求1所述的用户界面设备，还包括柔性层，该柔性层覆盖所述屏幕的至少 一部分。
11.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料至少包括电活性 换能器，该电活性换能器具有至少一个弹簧构件。
12.如权利要求11所述的用户界面设备，其中所述电活性换能器至少包括一对相对的 电活性聚合物薄膜。
13.如权利要求11所述的用户界面设备，其中所述电活性换能器还包括负弹簧刚度偏置。
14.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料在多个位置上耦 合到所述显示屏幕。
15.如权利要求14所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料包括多个褶皱或折叠。
16.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料包括电活性聚合 物材料的阵列，所述电活性聚合物材料的阵列靠近与所述框架间隔开的所述屏幕的至少一 部分。
17.如权利要求1所述的用户界面设备，其中所述屏幕包括触摸板。
18.一种用于向用户显示信息的用户界面设备，所述用户界面包括屏幕，其具有传感器板和被配置成用于由用户触觉接触的传感器表面，所述屏幕被配 置成显示信息；框架，其在所述屏幕的至少一部分的周围；以及电活性聚合物材料，其耦合在所述传感器表面与所述框架之间，其中由用户生成的输 入信号导致电场被施加到所述电活性聚合物材料上，从而导致所述电活性聚合物材料以产 生足以被用户触觉察觉到的力的方式来使所述屏幕和传感器表面中的至少一个发生位移。
19.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述传感器表面被配置成供用户触觉接 触，并且其中用户的触觉接触引起所述输入信号的产生。
20.如权利要求18所述的用户界面设备，其中数据输入表面被配置成用于接收用户输 入和用于生成所述输入信号。
21.如权利要求18所述的用户界面设备，还包括控制系统，该控制系统用于响应于对 所述传感器板的触发力而控制所述电活性聚合物换能器的位移量。
22.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述传感器板的运动相对于所述框架为 横向的。
23.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述输出构件机械耦合到所述用户接触表面。
24.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料被封装以形成垫 圈，并且其中所述垫圈机械耦合在所述框架与所述传感器表面之间。
25.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料直接耦合在所述 框架与所述传感器表面之间。
26.如权利要求25所述的用户界面设备，还包括位于所述框架与所述传感器表面之间 的至少一个弹簧构件。
27.如权利要求18所述的用户界面设备，还包括柔性层，该柔性层覆盖所述屏幕的至 少一部分。
28.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料至少包括电活性 换能器，该电活性换能器具有至少一个弹簧构件。
29.如权利要求28所述的用户界面设备，其中所述电活性换能器至少包括一对相对的 电活性聚合物薄膜。
30.如权利要求28所述的用户界面设备，其中所述电活性换能器还包括负弹簧刚度偏置。
31.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料在多个位置上耦 合到所述显示屏幕。
32.如权利要求31所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料包括多个褶皱或折叠。
33.如权利要求18所述的用户界面设备，其中密封材料形成在所述用户接触表面与换 能器之间的垫圈。
34.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述密封材料包住所述换能器。
35.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料能够以两相激活。
36.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述电活性聚合物材料包括电活性聚合 物材料的阵列，所述电活性聚合物材料的阵列靠近与所述框架间隔开的所述传感器表面的 至少一部分。
37.如权利要求18所述的用户界面设备，其中所述屏幕包括触摸板。
全文摘要
公开了用于用户界面设备中的感觉反馈应用的电活性聚合物换能器。
文档编号G06F3/01GK101918909SQ200880117278
公开日2010年12月15日 申请日期2008年11月21日 优先权日2007年11月21日
发明者乔纳森·R·海姆, 伊利亚·波利亚科夫 申请人:人工肌肉有限公司