用于触觉反馈装置的电活性聚合物换能器的制作方法

专利名称：用于触觉反馈装置的电活性聚合物换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电活性聚合物换能器的使用以提供感触反馈。
背景技术：
如今使用的庞多种类的设备依赖一种或另一种致动器来将电能量转化为机械能。 相反地，很多发电应用通过将机械动作转化为电能量来工作。用来以这种方式产生机械能的同一类型的致动器可以称作发电机。类似地，当该结构被用来将诸如振动或压力的物理激励转化为电信号用于测量目的的时侯，其可以被特性化为传感器。另外，术语“换能器”可以用来通用地指代这些设备中的任一个。对于换能器的制造，大量设计考虑因素支持高级的介电弹性体材料——也称作 “电活性聚合物”(EAP)——的选择和使用。这些考虑因素包括潜在的有势力、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。因此，在很多应用中，EAP技术提供了对压电的、形状记忆合金(SMA)和诸如马达和螺线管的电磁设备的理
想替代O
EPA设备及其应用的示例在美国专利No丨· 7，394，282、7，378，783,/1, 368;,862、7，362，032,7，320，457,7,259，503,7，233，097,7，224，106,7,211，937,7，199，501、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 ；美国专利申请公开 2008/0157631、 2008/0116764,2008/0022517,2007/0230222,2007/0200468,2007/0200467, 2007/0200466,2007/0200457,2007/0200454,2007/0200453,2007/0170822, 2006/0238079、2006/0208610、2006/0208609 和 2005/0157893 ；2009 年 1 月 22 日提交的美国专利申请No. 12/358，142以及PCT公开No. W02009/067708中进行了描述，在此将上述文献的全部通过参引的方式全部并入。 EAP换能器包括两个电极，这两个电极具有可变形特性并且被薄的弹性体介电材料分开。当电压差施加到电极时，带相反电荷的电极相互吸引，从而压缩它们之间的聚合物介电层。随着电极被拉的更靠近在一起，介电聚合物膜由于其在平面方向(沿χ和y轴)上膨胀而变得更薄，即膜的位移在平面内(ζ轴分量收缩)。EAP膜也可构造成产生在正交于膜结构的方向上(沿ζ轴)的移动，即膜的位移在平面外。序列号为2005/0157893的美国专利申请公开了提供这种平面外位移的EAP膜构造——也称作表面变形或厚度模式偏转。可以变化和控制EAP膜的材料和物理属性，以定制换能器经历的表面变形。更具体地，可以控制和改变诸如在聚合物膜和电极材料之间的相对弹性、在聚合物膜和电极材料之间的相对厚度和/或聚合物膜和/或电极材料的变化厚度、聚合物膜和/或电极材料的物理图案(以提供局部的有源(active)和非有源(inactive)区域)、设置在EAP膜整体上的张力或预应变、以及施加到膜上的电压或在膜上感应的电容的大小的因素，以在处于有源模式时定制膜的表面特征。存在大量基于换能器的应用，这些应用会受益于这些表面变形EAP膜提供的优点。一个这种应用包括使用EAP膜以在用户接口设备中产生触觉反馈(通过施加于用户身体的力将信息传递给用户)。存在很多已知的使用触觉反馈的用户接口设备，其一般响应于用户发起的力。可能使用触觉反馈的用户接口设备的示例包括键盘、触摸屏、计算机鼠标、 轨迹球、触笔、操纵杆等。这些类型的接口设备所提供的触觉反馈是诸如振动、脉冲、弹簧力等的物理感觉的形式，其由用户直接地(例如，通过触摸屏幕)、间接地(例如，通过诸如当蜂窝电话在钱包或袋中振动时的振动效应)或者以其他方式感测(例如，通过产生压力干扰但是不产生传统意义上的音频信号的移动身体的动作)。通常，具有触觉反馈的用户接口设备可以是这样的输入设备其“接收”由用户以及输出设备发起的动作，所述输出设备提供指示动作已激活的触觉反馈。在实际中，用户接口设备的某个接触或触摸部分或表面(例如，按钮)的位置通过用户施加的力而沿着至少一个自由度改变，其中施加的力必须达到某一最小阈值，以使接触部分改变位置并实现触觉反馈。接触部分的位置改变的实现或对齐导致响应力(例如，回弹、振动、脉冲)，该响应力也施加在用户作用的设备的接触部分上，该力通过他或她的触感传递给用户。使用回弹或“双相”型的触觉反馈的用户接口设备的一个常见的示例是鼠标上的按钮。按钮一直到所施加的力达到一定阈值时才移动，在该阈值点，按钮相对比较容易地向下移动，然后停止一将这些动作的总的感觉定义为“点击”按钮。用户施加的力基本上沿着垂直于按钮表面的轴，和用户感觉到的响应力(但是反向)一样。在另一示例中，当用户在触摸屏上输入输入时，屏幕一般通过伴随有或者不伴随有听觉提示的屏幕上的图形变化来确认输入。触摸屏通过屏幕上的视觉提示如颜色或形状变化来提供图形反馈。触摸板通过屏幕上的光标来提供视觉反馈。尽管上面的提示确实提供反馈，但来自手指致动的输入设备的最直觉和有效的反馈是触觉反馈，如键盘按键的制动(detent)或鼠标滚轮的制动。因此，在触摸屏上结合触觉反馈是理想的。触觉反馈能力已知用来改进用户的产生率和效率，尤其是在数据输入的背景下。 本发明的发明人认为，对传递给用户的触觉感觉的特性和质量的进一步改进可以进一步提高这种生产率和效率。如果这些改进是由制造起来容易且节约成本的感触反馈机构提供的，并且没有增加、且优选地还减少了已知触觉反馈设备的空间、尺寸和/或质量要求，则是额外有益的。

发明内容
本发明包括涉及用于感触应用的电活性换能器的设备、系统和方法。在一个变型中，提供了具有感触反馈的用户接口设备。本发明的一个益处是在无论何时由软件或者由用户接口设备或相关部件产生的另一信号触发输入时向用户接口设备的用户提供触觉反馈。在一个示例中，致动器可以通过由所述设备单独产生的音频信号来驱动。因此，本公开包括与单独产生的音频信号所产生的声音同时地在用户接口设备中产生触觉效应的方法。该方法的一个变型包括将音频信号发送到滤波电路；通过滤波预定频率以下的频率范围来改变音频信号以产生触觉驱动信号；以及提供触觉驱动信号给耦合于电活性聚合物换能器的电源，使得电源致动电活性聚合物换能器，以与音频信号产生的声音同时地驱动触觉效应。所述方法可以包括电活性聚合物换能器以利用滤波的信号产生声音效果。一般地，所述预定频率包括电活性聚合物致动器的最优频率。对于一些EPAM设备，该预定频率包括200赫兹。在另一个变型中，所述方法包括滤波音频信号的音频波形的正部分，以产生用于单相致动器的触觉信号。在另一个变型中，所述方法包括使用两相电活性聚合物致动器，其中改变音频信号包括滤波音频信号的音频波形的正部分以驱动电活性聚合物换能器的第一相，以及逆转音频信号的音频波形的负部分以驱动电活性聚合物换能器的第二相，从而改进电活性聚合物换能器的性能。下面的公开还包括具有电活性聚合物膜的换能器，该电活性聚合物膜包括介电弹性体层，其中介电弹性体层的一部分在第一电极和第二电极之间拉伸，其中电极的至少一个重合部分限定出有源膜区域，并且膜的至少一个剩余部分限定出非有源膜区域；第一导电层，第一导电层设置在非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于第一电极，和第二导电层，第二导电层设置在非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于第二电极；以及至少一个无源的不可压缩聚合物层，所述不可压缩聚合物层在电活性聚合物膜的一侧的至少一部分上延伸，其中有源区域的激活改变该不可压缩无源聚合物层的厚度尺寸。可选地，所述换能器包括第一和第二无源不可压缩聚合物层，其中第一和第二无源不可压缩聚合物层位于电活性聚合物膜的各侧上。在另一个变型中，换能器组件可以包括至少两个叠置的电活性聚合物膜层，每个电活性聚合物膜包括薄的介电弹性体层，其中介电弹性体层的一部分夹在第一和第二电极之间，其中电极的重叠部分限定出有源膜区域，并且膜的剩余部分限定出非有源膜区域，其中相应的电活性聚合物膜层的有源膜区域成叠置对齐，并且相应的电活性聚合物膜层的非有源有源膜区域成叠置对齐；第一导电层和第二导电层，第一导电层设置在每个电活性聚合物膜的非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于其第一电极，第二导电层设置在每个电活性聚合物膜的非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于其第二电极；以及位于电活性聚合物膜的各个暴露侧上方的无源的不可压缩聚合物层，其中有源区域的激活改变该无源不可压缩聚合物层的厚度尺寸。下面的公开还包括惯性电活性聚合物换能器。在一个变型中，惯性电活性聚合物换能器包括在顶部框架部件和底部框架部件之间拉伸的电活性聚合物膜，其中框架的中央部分是开放的，以露出电活性聚合物膜的中央表面；位于电活性聚合物膜的中央表面上的第一输出构件；以及附接于输出盘的至少一个惯性块状物，其中跨在电活性聚合物膜上的第一和第二电极施加的电压差引起聚合物膜的移位，从而导致惯性块状物移动。
惯性电活性聚合物换能器的另外的变型包括夹在顶部第二框架部件和底部第二框架部件之间的第二电活性聚合物膜，其中第二框架的中央部分是开放的，以露出电活性聚合物膜的第二中央表面；和在电活性聚合物膜的中央表面上的第二输出构件，其中惯性块状物设置并附接在第一和第二输出构件之间。本发明的设备和系统提供了更大的多功能性，因为它们能够在很多类型的输入设备中使用，并且提供了来自多个输入元件的反馈。该系统同样是有利的，因为它基本上不增加设备的机械复杂性或设备的质量和重量。该系统还在没有任何机械滑动或转动元件的情况下实现了它的功能，从而使系统耐久、易于组装并且能够容易地制造。本发明可以在任何类型的用户接口设备中使用，这些用户接口设备包括但不限于用于计算机、电话、PDA、视频游戏控制台、GPS系统、信息服务亭应用等的触摸板、触摸屏或键区等。对于本发明的其他细节，可以在熟悉相关领域的普通技术人员的水平内使用材料和替代物相关的构造。在如常用或逻辑上使用的附加动作的方面，这对于本发明的基于方法的方面同样是适用的。此外，尽管已经参考可选地包括了各种特征的若干示例描述了本发明，但本发明不限于如根据本发明的每个变型所构想的所描述或指示的。可以在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下对所描述的发明进行各种变化，并且可以替代等同设置 (无论本文已经引述的或为了简洁起见没有包括进来的)。任何数量的示出的各个部件或子组件都可以集成到它们的设计中。这些变化或其他可以由组件的设计原理来进行或引导。根据阅读了下面更全面描述的本发明的细节，本发明的这些和其他特征、目的和优点将对本领域普通技术人员变得显而易见。


当结合所附的示意图阅读时，将根据下面的详细描述最好地理解本发明。为了便于理解，已经使用相同的附图标记(在适用的情况下)来指代附图中共有的相似元件。附图中包括图IA和IB示出了用户接口的一些示例，当EAP换能器耦合到显示屏或传感器和设备的主体时，该用户接口能够使用触觉反馈。图2A和2B示出了用户接口设备的截面图，该用户接口设备包括具有与对用户输入的触觉反馈起反应的表面的显示屏。图3A和3B示出了用户接口设备的另一个变型的截面图，该用户接口设备包括被柔性隔膜覆盖的显示屏，其中有源EAP形成在有源垫圈中。图4示出了用户接口设备的另外的变型的截面图，该用户接口设备具有围绕显示屏的边缘布置的弹簧偏置的EAP隔膜，。图5示出了用户接口设备的截面图，其中显示屏利用多个柔顺的垫圈耦合到框架，并且用于显示器的驱动力是多个EAP致动器膜片。图6A和6B示出了具有耦合在显示器之间的波状EAP隔膜或膜的用户接口 230的截面图。图7A和7B示出了根据本发明的一个实施例、在施加电压之前和之后的换能器的顶视透视图。图8A和8B分别示出了用于在用户接口设备中使用的感触反馈设备的分解顶视透视图和底视透视图。图9A是本发明的组装好的电活性聚合物致动器的顶视平面图；图9B和9C分别是图8A的致动器的膜部分的顶视平面图和底视平面图，特别示出了致动器的两相构造。图9D和9E示出了电活性聚合物换能器的阵列的示例，其用于跨与设备的框架隔开的显示屏的表面布置。图9F和9G分别是用于在本文中公开的用户接口设备中使用的致动器阵列的分解图和组装图。图10示出了用户接口设备的侧视图，其中人的手指与设备的接触表面操作性接触；图IlA和IlB分别以图形示出了图9A-9C的致动器当其在单相模式下操作时的力-行程关系和电压响应曲线。图12A和12B分别以图形示出了图9A-9C的致动器当其在两相模式下操作时的力-行程关系和电压响应曲线。图13是用于操作感触反馈设备的电子电路的框图，该电子电路包括电源和控制电子器件。图14A和14B示出了耦合于用户输入设备的EAP致动器的平面阵列的示例的局部横截面图。图15A和15B示意性示出了用作致动器的表面变形EAP换能器，其使用聚合物表面特征来在换能器被激活时提供功输出。图16A和16B是本发明的致动器的示例性构造的截面图。图17A-17D示出了用于在本发明的换能器内进行电连接的过程的各个步骤，用于耦合到印刷电路板(PCB)或柔性连接器。图18A-18D示出了用于在本发明的换能器内进行电连接的过程的各个步骤，所述换能器用于耦合到电线。图19是具有尖锐型电连接的本发明的换能器的截面图。图20A和20B分别是用于应用在按钮型致动器中的厚度模式换能器和电极图案 (pattern)的顶视图。图21示出了使用图6A和6B的按钮型致动器阵列的键区的顶视剖面视图。图22示出了用于在人手形式的新颖的致动器中使用的厚度模式换能器的顶视图。图23示出了呈连续条带构造的厚度模式换能器的顶视图。图24示出了用于应用在垫圈型致动器中的厚度模式换能器的顶视图。图25A-25D是使用各种类型的垫圈型致动器的触摸屏的截面图。图26A和26B是本发明的厚度模式换能器的另一个实施例的截面图，其中换能器的有源和无源区域的相对位置与前面的实施例相反。图27A-27D示出了电活性惯性换能器的示例。图28A示出了电路的一个示例，该电路用来调谐音频信号以在用于电活性聚合物致动器的最佳触觉频率内工作。图28B示出了由图28A的电路滤波的经修改的触觉信号的示例。图28C和28F示出了产生用于单相和两相电活性换能器的信号的附加电路。图28E和28F示出了具有位于设备主体内并耦合于惯性块状物的一个或多个电活性聚合物致动器的设备的示例。能够想到源自图中所示的本发明变型。
具体实施例方式现在参照附图详细描述本发明的设备、系统和方法。如上所述，需要用户接口的设备能够通过使用设备的用户屏幕上的触觉反馈得到改进。图IA和IB示出了这些设备190的简单示例。每个设备包括显示屏232，用户对显示屏232输入或观看数据。显示屏耦合于设备的主体或框架234。显然，任何数量的设备都可以被包括在本公开的范围内，而与是便携式(例如，行动电话、计算机、制造设备等)或是附接于其他非便携式结构(例如，信息显示面板的屏幕、自动售货机屏幕等)无关。用于本公开的目的，显示屏也可以包括触摸板型设备，其中用户输入或交互发生在监视器上或远离实际触摸板的位置(例如，膝上计算机触摸板)。大量设计考虑因素支持选择和使用高级的介电弹性体材料一也称作“电活性聚合物(EAP) ”，特别用于在寻求显示屏232的触觉反馈时换能器的制造。这些考虑因素包括有势力、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。因此，在很多应用中，EAP技术提供对压电的、形状记忆合金(SMA)和诸如马达和螺线管的电磁设备的理想替代。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被薄的弹性体介电材料分开。当电压差施加到电极时，带相反电荷的电极相互吸引，从而压缩它们之间的聚合物介电层。随着电极被拉的更靠近在一起，介电聚合物膜由于其在平面方向膨胀(X和y 轴分量膨胀)而变得更薄(ζ轴分量收缩)。图2A-2B示出了具有显示屏232的用户接口设备230的一部分，显示屏232具有响应于显示屏上的信息、控制或刺激而被用户物理地触摸的表面。显示屏234可以是任何类型的触摸板或屏幕面板，如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)或类似物。此外， 接口设备230的变型可以包括诸如“虚拟”屏幕的显示屏232，在此处图像被变换到屏幕上 (例如，投影仪或图形覆盖)，屏幕可以包括常规的监视器或者甚至具有诸如普通记号或显示的固定信息的屏幕。在任何情况下，显示屏232都包括框架234 (或者壳体或经由直接连接或一个或多个接地元件将屏幕机械地连接到设备的任何其他结构)和电活性聚合物(EAP)换能器236， 换能器236将屏幕232耦合于框架或壳体234。如此处所述，EAP换能器可以沿着屏幕232 的边缘，并且EAP换能器的阵列可以被放置成与屏幕232的与框架或壳体234隔开的部分接触。图2A和2B示出了基本的用户接口设备，其中封装的EAP换能器236形成有源垫圈。任何数量的有源垫圈EAP 236都可以耦合在触摸屏232和框架234之间。一般地，设置足够的有源垫圈EAP236以产生期望的触觉感知。然而，数量通常取决于特定的应用而变化。在设备的一个变型中，触摸屏232可以包括显示屏或传感器板(其中显示屏将位于传感器板后面)。附图示出了用户接口设备230使触摸屏232在非有源和有源状态之间循环。图2A 示出了触摸屏232处于非有源状态下的用户接口设备230。在这种情况下，没有场被施加到EAP换能器236，从而允许换能器处于休眠状态。图2B示出某一用户输入将EAP换能器 236触发到有源状态之后的用户接口设备230，其中换能器236使显示屏232沿箭头238所示的方向移动。可替代地，一个或多个EAP换能器236的移位可以不同，以产生显示屏232 的方向性移动(例如，并非移动整个显示屏232，均勻地移动显示屏232的一个区域能够比另一区域在更大的程度上移位)。显然，耦合于用户接口设备230的控制系统可以被配置成使EAP 236以期望的频率循环和/或改变EAP 236的偏转量。图3A和3B示出了用户接口设备230的另一个变型，其具有被柔性隔膜240覆盖的显示屏232，该柔性隔膜240起到保护显示屏232的作用。同样，该设备可以包括大量的将显示屏232耦合于基部或框架234的有源垫圈EAP 236。响应于用户输入，当将电场施加到EPA 236从而引发移位时，显示屏232与隔膜240 —起移位，使得设备230进入有源状态。图4示出了用户接口设备230的另一个变型，其具有围绕显示屏232的边缘布置的弹簧偏置的EAP隔膜244。EAP隔膜244可以围绕屏幕的周边布置，或者仅仅布置在允许屏幕产生对用户的触觉反馈的位置。在该变型中，无源的柔顺的(compliant)垫圈或弹簧 244提供逆着屏幕232的力，从而将EAP隔膜242置于张紧的状态。在提供电场242给隔膜的时候(同样，在用户输入产生信号的时候)，EAP隔膜242变松弛，以引发屏幕232的移位。如箭头246所指示的，用户输入设备230可以被配置成在相对于垫圈244提供的偏置的任何方向上产生屏幕232的移动。此外，少于所有EAP隔膜242的致动产生屏幕232的不均勻的移动。图5示出了用户接口设备230的又一个变型。在该示例中，显示屏232利用多个柔顺的垫圈244耦合于框架234，并且用于显示器232的驱动力是多个EAP致动器膜片248。 EAP致动器膜片248被弹簧偏置，并且在施加电场时能够驱动显示屏。如图所示，EAP致动器膜片248在弹簧的两侧的任一侧上具有相反的EAP膜片。在这种构造中，激活EAP致动器膜片248的相反侧使组件在中间点为刚性。EAP致动器膜片248像控制人手臂的移动的二头肌和三头肌肌肉一样起作用。尽管未示出，但如在序列号为11/085，798和11/085，804 的美国专利申请中所论述的，致动器膜片248能够被叠置，以提供两相输出动作和/或放大输出，用于在更稳健的应用中使用。图6A和6B示出了用户接口 230的另一个变型，其具有在多个点或接地元件252处耦合在显示器232和框架234之间的EAP隔膜或膜242，以适应EAP膜242的波纹或折叠。 如图6B所示，对EAP膜242施加电场引起在波纹方向上的移位，并使显示屏232相对于框架234偏转。可选地，用户接口 232可以包括同样耦合在显示器232和框架234之间的偏置弹簧250和/或覆盖显示屏232的一部分(或全部)的柔性保护隔膜240。注意到，上面论述的附图示意性地示出了这些使用EAP膜或换能器的触觉反馈设备的示例性构造。很多变型都在本公开的范围内，例如在该设备的变型中，EAP换能器能够被执行为仅仅移动传感器板或元件(例如，根据用户输入被触发，并且提供信号给EAP换能器)而非整个屏幕或板组件。在任何应用中，通过EAP构件的显示屏或传感器板的反馈移位都可以仅仅在平面内(其感测为横向运动)，或者可以在平面外(其感测为竖向移位)。可替代地，EAP换能器材料可以被分段，以提供可独立寻址/移动的节段，从而提供板元件的角位移。此外，任何数量的EAP换能器或膜(如在上面列出的申请和专利中公开的)都可以被结合在这里描述的用户接口设备中。这里描述的设备的变型允许设备的整个传感器板(或显示屏)用作触觉反馈元件。这允许了广泛的多功能性。例如，屏幕可以响应于虚拟的键敲击而回弹一次，或者，其可以响应于诸如屏幕上的滑杆的滚动元件而输出连续的回弹，从而有效地模拟滚轮的机械制动。使用控制系统，能够通过读取用户手指在屏幕上的精确位置以及相应地移动屏幕面板以模拟3D结构来合成三维轮廓。在屏幕位移足够并且屏幕质量相当大的情况下，屏幕的反复振荡可能甚至代替移动电话的振动功能。这种功能性可以应用到文本的浏览中，其中一行文本的滚动(竖向地)用触觉“凸块”表示，从而模拟制动。在视频游戏的环境下，与在现有技术的视频游戏系统中使用的振荡振动马达相比，本发明提供了增加的交互性和更精细的运动控制。在触摸板的情况下，通过提供物理提示，用户交互性和可访问性可以提高， 特别是对于视力受损的人而言。EAP换能器可以被配置成与施加的电压成比例地移位，这有助于与本发明的触觉反馈设备一起使用的控制系统的编程。例如，软件算法可以将像素灰度转化成EAP换能器位移，由此，在屏幕光标的尖端下的像素灰度值被连续地测量，并被EAP换能器转译成成比例的位移。通过移动手指跨越触摸板，人可以感觉或感测到粗糙的3D纹理。相似的算法可以应用到网页上，其中当在图标上移动手指时，图标的边界被反馈回给用户，作为页面结构中的凸块或蜂鸣按钮。对于普通用户，这将在上网时提供全新的感触体验，对于视力受损的人而言，这将增加必不可少的反馈。由于大量原因，EAP换能器对于这些应用是理想的。例如，EAP换能器由于其较轻的重量和最少的部件而提供了非常低的轮廓，并且因此对于在感触/触觉反馈应用中使用是理想的。图7A和7B示出了 EAP膜或隔膜10结构的示例。薄的弹性体介电膜或层12夹在柔顺的或可拉伸电极板或层14和16之间，从而形成电容性结构或膜。介电层的长度“1” 和宽度“W”以及复合结构的长度和宽度比其厚度“t”大得多。一般地，介电层具有在从大约IOym到大约100 μ m的范围内的厚度，其中结构的总厚度在从大约25 μ m到大约IOcm 的范围内。另外，理想的是选择电极14、16的弹性模量、厚度和/或微观几何形态以使其对致动器贡献的附加刚度通常小于介电层12的刚度，介电层12具有相对较低的弹性模量，即小于大约lOOMPa，更典型地小于大约lOMPa，但是很可能比每个电极厚。适于与这些柔顺的电容性结构一起使用的电极是能够抵抗大于大约的周期应变却不由于机械疲劳而出现故障的电极。从图7B中看到，当电压施加到电极两端时，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使介电膜12(沿ζ轴)被压缩。由此使得介电膜12随着电场的变化而偏转。由于电极14、16是柔顺的，所以它们随介电层12改变形状。一般而言，偏转指的是介电膜12的一部分的任何移位、膨胀、收缩、扭转、线性或区域应变，或者任何其他的变形。取决于形状配合结构，例如在其中使用电容性结构10的框架(统称为“换能器”)， 该偏转可以用来产生机械功。在上面指出的专利文献中公开和描述了各种不同的换能器结构。在施加了电压的情况下，换能器膜10继续偏转，直到机械力平衡驱动偏转的静电力。机械力包括介电层12的弹性回复力、电极14、16的弯曲或拉伸、以及耦合于换能器10 的设备和/或负载提供的任何外部阻力。由于施加的电压而产生的换能器10的偏转也可以取决于大量其他因素，如弹性体材料的介电常数及其尺寸和刚度。电压差和感应的电荷的移除引起相反的效果。在一些情况下，电极14和16可以覆盖介电膜12的相对于膜的总区域的有限部分。这样做以防止电介质的边缘周围的电击穿，或者实现其某些部分中的定制的偏转。可以使有源区域外部的介电材料(是介电材料的一部分，具有足够的静电力以实现该部分的偏转)在偏转期间用作有源区域上的外部弹力。更具体地，有源区域外部的材料可以通过其收缩或膨胀抵抗或加强有源区域偏转。介电膜12可以被预应变。预应变改善了电能与机械能之间的转化，即预应变允许介电膜12偏转地更多，并且提供更大的机械功。膜的预应变可以被描述为施加预应变之后在一个方向上的尺寸相对于施加预应变之前在该方向上的尺寸的变化。该预应变可以包括介电膜的弹性变形，并且可以例如通过拉伸张紧的膜以及在被拉伸的同时固定一个或多个边缘而得以形成。预应变可以施加在膜的边界处，或者仅仅用于膜的一部分，并且可以通过使用刚性框架或通过硬化膜的一部分而被实施。图7A和7B的换能器结构和其他类似的柔顺结构以及它们的构造细节更全面地描述在这里公开的引用专利和公开的多个中。除了上面描述的EAP膜之外，感触或触觉反馈用户接口设备还可以包括被设计为产生横向运动的EAP换能器。例如，从图8A和8B所示的顶部到底部，各种部件包括致动器30，致动器30具有弹性膜形式的电活性聚合物(EAP)换能器10，其将电能转化为机械能 (如上所述)。所产生的机械能是输出构件的物理“位移”的形式，在这里输出构件是盘28 的形式。参照图9A-9C，EAP换能器膜10包括两个薄的弹性电极工作对32a、32b和34a、 34b，其中每个工作对被(例如，由丙烯酸酯、硅酮、氨基甲酸乙酯、热塑性弹性体、碳氢化合物橡胶、氟化弹性体(flurorelastomer)或类似物制成的)弹性体介电聚合物26的薄层分开。当电压差施加到每个工作对的带相反电荷的电极的两端时(即，在电极32a和32b两端，以及在电极34a和34b两端)，相对的电极相互吸引，从而压缩位于它们之间的介电聚合物层26。随着电极被拉的更靠近在一起，介电聚合物26由于其在平面方向膨胀(即，χ和 y轴分量膨胀)变得更薄(即，ζ轴分量收缩)(关于轴的参照，见图9B和9C)。另外，跨每个电极分布的相同电荷使得嵌入在该电极内的导电微粒相互排斥，从而促进弹性电极和介电膜的膨胀。因此，使得介电层26随着电场的变化而偏转。由于电极材料也是柔顺的，所以电极层与介电层26 —起改变形状。一般而言，偏转指的是介电层26的一部分的任何移位、膨胀、收缩、扭转、线性或区域应变、或者任何其他的变形。该偏转可以用来产生机械功。在制造换能器20时，弹性膜通过两个相对的刚性框架侧8a、8b被拉伸并且保持在预应变状态。已经发现，预应变提高了聚合物层26的介电强度，从而改善了电能和机械能之间的转化，即预应变允许膜偏转地更多，并提供更大的机械功。一般地，在对聚合物层施加预应变之后应用电极材料，但也可以提前应用。设置在层26的同一侧上的两个电极一此处称为同侧电极对，即介电层26的顶侧26a上的电极32a和34a(见图9B)以及介电层 26的底侧26b上的电极32b和34b (见图9C)一通过非有源区域或间隙25彼此电隔离。聚合物层的相对侧上的相对电极形成两组工作电极对，即用于一个工作电极对的电极32a和 32b和用于另一个工作电极对的电极34a和34b。每个同侧电极对优选具有相同的极性，而每个工作电极对的电极的极性彼此相反，即电极32a和32b带相反的电荷，并且电极34a和 34b带相反的电荷。每个电极具有配置成与电压源(未示出)电连接的电接触部35。在所示的实施例中，电极中的每个电极具有半圆形的构造，其中同侧电极对限定基本圆形的图案，用于容纳在介电层26的每侧上的居中设置的刚性输出盘20a、20b。盘 20a、20b (其功能将在下面论述)紧固于聚合物层26的中央暴露的外表面26a、26b，从而将层26夹在盘20a、20b之间。盘与膜之间的耦合可以是机械的，或者通过粘结剂设置。通常， 盘20a、20b将相对于换能器框架22a、22b设定尺寸。更具体地，盘的直径与框架的内部环形直径之比将足以分布施加于换能器膜10的应力。盘直径与框架直径之比越大，则反馈信号或运动的力就越大，但是盘的线性位移越小。相反，盘直径与框架直径之比越小，则输出力越小，并且线性位移越大。取决于电极构造，换能器10能够在单相模式或两相模式下工作。在所构造的方式中，上面描述的本发明感触反馈设备的输出部件(即两个耦合的盘20a、20b)的机械位移是横向的而非竖向的。换句话说，不同于感测反馈信号是在垂直于用户接口的显示表面232 并且平行于用户手指38施加的输入力(在图10中用箭头60a指代)的方向(但是处于相反或向上的方向)的力，本发明的感触/触觉反馈设备的感测的反馈或输出力(在图10 中由双头箭头60b指代)在平行于显示表面232且垂直于输入力60a的方向上。取决于电极对围绕垂直于换能器10的平面的轴线以及相对于换能器以其工作的显示表面232模式 (即单相或两相)的位置的旋转对齐，该横向运动可以在360°内的任一方向或多个方向上。例如，横向反馈运动可以相对于用户手指(或者手掌或把手等)的向前方向从一侧到另一侧，或者是上下运动(两者都是两相致动)。尽管熟悉本领域的技术人员将认识到提供横向于或垂直于触觉反馈设备的接触表面的反馈位移的某些其他致动器构造，但这样构造的设备的整体轮廓可能大于上面提到的设计。图9D-9G示出了能够跨越设备的显示屏放置的电活性聚合物阵列的示例。在该示例中，用于在EAP致动器阵列的EAP膜阵列200 (见图9F)的电压侧200a和接地侧200b分别使用在本发明的触觉反馈设备中。膜阵列200包括以矩阵构形设置的电极阵列，以增加空间和功效，并简化控制电路。EAP膜阵列的高压侧200a提供在介电膜208的材料上竖直延伸(根据图9D中示出的视点)的电极图案202。每个图案202包括高压线对202a、202b。 EAP膜阵列的相对的或接地侧200b提供相对于高压电极横向地一即水平地一延伸的电极图案206。每个图案206包括接地线对206a、206b。每对相对的高压和接地线(202a、206a 和202b、206b)提供可单独激活的电极对，使得相对的电极对的激活提供箭头212所示方向上的两相输出运动。组装好的EAP膜阵列200 (示出了在介电膜208的顶侧和底侧上相交的电极图案)在图9F中被设置在EAP换能器222的阵列204的分解视图内，阵列204以其组装形式示出在图9G中。EAP膜阵列200夹在相对的框架阵列214a、214b之间，其中在两个阵列的每一个阵列内的每个单独的框架节段216由在开放区域内的居中定位的输出盘218 限定。框架/盘节段216和电极构造的每个组合形成EAP换能器222。取决于期望的致动器应用和类型，可将附加的部件层添加到换能器阵列204。换能器阵列220可以整体结合到用户接口阵列中，例如显示屏、传感器表面或者触摸板。 当以单相模式操作感触/触觉反馈设备2时，仅有致动器30的一个电极工作对在任何一个时间(at any one time)都是激活的。致动器30的单相操作可以利用单个高压电源来控制。随着施加到单个选定工作电极对的电压增大，换能器膜的激活部分(一半) 将膨胀，从而在换能器膜的非有源部分的方向上在平面内移动输出盘20。图IlA示出了当在单相模式下交替地激活两个工作电极对时，致动器30的感测反馈信号(即，输出盘位移) 相对于中心位置的力-行程关系。如图所示，输出盘的相应的力和位移彼此相等，但是位于相反的方向上。图IlB示出了当在该单相模式下操作时，产生的所施加电压与致动器的输出位移之间的非线性关系。两个电极对通过共享的介电膜的“机械”耦合可以以相反的方向移动输出盘。因此，当都操作两个电极对时，虽然彼此独立，但对第一工作电极对施加电压(相位1)将在一个方向上移动输出盘20，而对第二工作电极对的施加电压(相位2)将在相反的方向上移动输出盘20。如图IlB的各种曲线所反映的，随着电压线性地变化，致动器的位移是非线性的。输出盘在位移期间的加速也能够通过两个相的同步操作来控制，以增强触觉反馈效应。致动器还可以被分割成多于两个相，这些相能够被独立地激活，以实现输出盘更复杂的运动。为了实现输出构件或部件更大的位移，并因此提供更大的感触反馈信号给用户， 以两相模式操作致动器30，即同时激活致动器的两个部分。图12A示出了当以两相模式操作致动器时，输出盘的感触反馈信号的力-行程关系。如图所示，在该模式下，致动器的两个部分32、34的力和行程两者都位于相同的方向上，并且具有双倍于在单相模式下操作时的致动器的力和行程的量值的量值。图12B示出了当在该两相模式下操作时，产生的所施加电压与致动器的输出位移的线性关系。通过将致动器的机械耦合部分32、34串联地电连接以及控制其公共节点55，例如以图13的框图40所示的方式进行，公共节点55的电压与输出构件(无论在哪一种构造中)的位移(或阻挡力)之间的关系接近线性相关。在该操作模式下，致动器30的两个部分32、34的非线性电压响应有效地彼此抵消，从而产生线性电压响应。通过使用控制电路44和切换组件46a、46b- —个切换组件用于致动器的一个部分，该线性关系允许通过使用由控制电路供给到切换组件的不同类型的波形而使致动器的性能精细地被调谐和调制。使用电路40的另一个优点在于减少操作感触反馈设备所需的切换电路和电源的数量的能力。在不使用电路40的情况下，将需要两个独立的电源和四个切换组件。因此，电路的复杂性和成本减低了，同时控制电压和致动器位移之间的关系改善了，即变得更加线性。可以使用多种类型的机构来传递来自用户的输入力60a，以实现期望的感触反馈 60b(见图10)。例如，电容性或电阻性的传感器50(见图13)可以被容纳在用户接口板4 内，以感测由用户输入的施加在用户接触表面上的机械力。来自传感器50的电输出52被提供给控制电路44，该控制电路44依次触发切换组件46a、46b，以根据控制电路提供的模式和波形将来自电源42的电压施加给感触反馈设备的相应的换能器部分32、34。本发明的另一个变型涉及EAP致动器的气密密封，以最小化可能出现的湿气或水分冷凝对EAP膜的任何影响。对于下面描述的各种实施例，EAP致动器被密封在与触觉反馈设备的其他部件基本分开的阻挡膜中。该阻挡膜或壳体可以例如由箔制成，其优选是热密封的或类似的，以最小化水分到密封膜内的泄漏。阻挡膜或壳体的一些部分可以由柔顺的材料制成，以允许改进外壳内的致动器与壳体外的点的机械耦合。这些设备实施例中的每个实施例都能实现致动器的输出构件的反馈运动与例如为键区的用户输入表面的接触表面的耦合，同时最小化气密密封致动器包装中的任何折衷。也可以提供各种用于将致动器的运动耦合于用户接口接触表面的示例性装置。关于方法，本发明的方法可以包括与所描述的设备的使用相关联的机械部件和/或活动中的每一个。因此，暗示所描述的设备的使用的方法形成本发明的一部分。其他的方法可能着重于这些设备的制造。图14A示出了耦合于用户输入设备190的EAP致动器204的平面阵列的示例。如图所示，EAP致动器204的阵列覆盖屏幕232的一部分并通过支座(stand off) 256耦合于设备190的框架234。在该变型中，支座256允许用于致动器204和屏幕232的运动的空隙。在设备190的一个变型中，致动器204的阵列可以是位于用户接口表面或屏幕232后面的多个分立的致动器或致动器的阵列，这取决于期望的应用。图14B示出了图14A的设备190的底视图。如箭头254所示，EAP致动器204可以为屏幕232沿轴线的运动作好准备，以作为沿正交于屏幕232的方向上的运动的替代或与其联合。到目前为止描述的换能器/致动器实施例具有耦合于EAP换能器膜的有源区域 (即，包括重叠的电极的区域)和非有源区域两者的一个或多个无源层。在换能器/致动器同样也使用了刚性输出结构的情况下，该结构已经定位在存在于有源区域上方的无源层的区域的上方。另外，这些实施例的有源/可激活区域已经相对于非有源区域居中地定位。 本发明还包括其他换能器/致动器构造。例如，所述一个或多个无源层可以仅仅覆盖有源区域或仅仅覆盖非有源区域。另外，EAP膜的非有源区域可以居中地定位于有源区域。参照图15A和15B，提供了根据本发明一个实施例的用于将电能转化为机械能的表面变形EAP致动器10的示意图。致动器10包括EAP换能器12，EAP换能器12具有薄的弹性体介电聚合物层14以及顶部和底部电极16a、16b，顶部和底部电极16a、16b分别在其顶表面和底表面的一部分上附接于介电层14。换能器12的包括介电层和至少两个电极的部分在此称作有源区域。本发明的任何换能器都可以具有一个或多个有源区域。当电压差施加到带相反电荷的电极16a、16b的两端时，相对的电极相互吸引，从而压缩它们之间的介电聚合物层14的部分。随着电极16a、16b被拉的更靠近在一起(沿 ζ轴)，介电层14的位于电极16a、16b之间的部分由于其在平面方向(沿χ和y轴)上的膨胀变得更薄。对于不可压缩的聚合物，即在应力下具有基本恒定的体积的聚合物，或者对于另外的在框架内的能够压缩的聚合物或类似物，该动作导致有源区域(即，被电极覆盖的区域)外的柔顺的介电材料一特别是有源区域的边缘的周边周围(即，紧邻地围绕有源区域的边缘)的柔顺的介电材料一在厚度方向上(正交于换能器膜限定的平面)移位或凸出到平面外。该膨胀产生介电表面特征24a-d。尽管平面外表面特征24示出为对于有源区域是相对局部的，但该平面外并不总是如所示的是局部化的。在一些情况下，如果聚合物被施加预应变，则表面特征24a-b分布在介电材料的非有源部分的表面区域上。为了放大本发明的换能器的表面特征的竖直轮廓和/或可见性，可将可选的无源层添加到换能器膜结构的一侧或两侧上，其中该无源层覆盖EAP膜表面区域的全部或一部分。在图15A和15B的致动器实施例中，顶部和底部无源层18a、18b分别附接于EAP膜12 的顶侧和底侧。致动器的激活和产生的介电层12的表面特征17a-d被无源层18a、18b的增加厚度所放大，如图15B中的参考标记^a-d所表示的。除了升高的聚合物/无源层表面特征之外，EAP膜12还可以构造成使得一个或两个电极16a、16b被压在介电层的厚度下方。因此，被压下的电极或其一部分根据EAP 膜12的致动以及产生的介电材料14的偏转来提供电极表面特征。电极16a、16c可以被图案化或设计成产生定制的换能器膜表面特征，这些换能器膜表面特征可以包括聚合物表面特征、电极表面特征和/或无源层表面特征。在图15A和15B的致动器实施例10中，设有一个或多个结构20a、20b以便于耦合柔顺的无源片与刚性机械结构之间的功并引导致动器的功输出。这里，顶部结构20a(其可以是平台、棒、条、杆等的形式)用作输出构件，而底部结构20b用来将致动器10耦合于固定或刚性结构22，如地面。这些输出结构不必是分立的部件，而是可以与致动器要驱动的结构集成或成一体。结构20a、20b还用来限定由无源层18a、18b形成的表面特征的周边或形状。在所示实施例中，尽管总的致动器叠置物产生致动器的非有源部分的厚度增大， 但如图15B所示，在致动时致动器所经历的高度净变化Ah是负的。本发明的EAP换能器可以具有提供期望厚度模式致动的任何适当的构造。例如， 可以使用多于一个EAP膜层来制造用于在更复杂的应用中使用的换能器，其中所述更复杂的应用例如为具有集成的感测能力的键盘按键，其中附加的EAP膜层可以用作电容传感
ο图16A示出了根据本发明的这种致动器30，使用具有双EAP膜层34的叠置换能器 32。该双层包括两个介电弹性体膜，其中顶部膜3 分别夹在顶部和底部电极34b、3k之间，底部膜36a分别夹在顶部和底部电极36b、36c之间。设有成对的导电迹线或层(共同称为“母线”)以将电极耦合到电源的高压侧和接地侧(接地侧未示出)。母线定位在相应的EAP膜的“非有源”部分(即，顶部电极和底部电极不重合的部分)的上方。顶部和底部母线4h、42b分别定位在介电层34a的顶侧和底侧上，并且顶部和底部母线44a、44b分别定位在介电层36a的顶侧和底侧上。介电层34a的顶部电极34b和介电层36a的底部电极 36c (即，两个朝向外的电极)通过导电弹性体通孔68a(在图16B中示出)借助于母线4 和4 的相互耦合而被共同地极化，将在下面参照图17A-17D更详细地描述通孔68a的形成。介电层Ma的底部电极；Mc和介电层36a的顶部电极36b (即，两个朝向内的电极)通过导电弹性体通孔68b (在图16B中示出)借助于母线42b和44b的相互耦合而被共同地极化。灌封材料66a、66b用来密封通孔68a、68b。当操作致动器时，每个电极对的相对的电极在施加电压时被吸在一起。为了安全的目的，接地电极可以被放置在叠置物的外侧，以在任何尖锐的物体到达高压电极之前将其接地，从而消除了电击的危险。两个EAP膜层可以通过膜与膜粘接剂40b粘附在一起。可选地，粘接层可以包括无源或片层，以加强性能。顶部无源层或片50a和底部无源层52b通过粘接层40a以及通过粘接层40c粘附于换能器结构。输出棒46a、46b可以分别通过粘接层48a、48b分别耦合于顶部和底部无源层。本发明的致动器可以使用任何适当数量的换能器层，其中层的数量可以是偶数或奇数。在奇数情况下的构造中，可以使用一个或多个公共接地电极和母线。另外，在安全不是问题的情况下，高压电极可以被定位于换能器叠置物的外侧，以更好地适应特定的应用。
为了能够操作，致动器30必须电耦合到电源和控制电子器件(均未示出)。这可以通过致动器或PCB上的电迹线或电线或者通过将高压和接地通孔68a、68b耦合于电源的柔性连接器62或中间连接来实现。致动器30可以包装在保护阻挡材料中，以使致动器 30密封而避免湿气和环境污染物。这里，保护阻挡物包括顶盖和底盖60、64，其优选地围绕PCB/柔性连接器62密封，以保护致动器免受外力和应变和/或环境暴露。在一些实施例中，保护阻挡物可以是不渗透的，以提供气密密封。该些盖子可以具有一定的刚性形状， 以保护致动器30不被物理损坏，或者可以是柔顺的，以允许用于致动器30的致动位移的空间。在一个具体的实施例中，顶盖60由成形的箔制成，并且底盖64由柔顺的箔制成，或者反之亦然，并且两个盖子然后被热密封于板/连接器62。也可以使用很多其他包装材料，如金属化的聚合物膜、PVDC、阿克拉(Aclar)、苯乙烯类或烯烃类共聚物(styrenic or olefinic copolymers)、聚酯和聚烯烃(polyesters and polyolef ins)。柔顺的材料用来覆盖一个或多个输出结构，这里是棒46b，其转化致动器输出。本发明的叠置致动器/换能器结构的导电部件/层一如刚刚描述的致动器30-通过穿过叠置结构而形成的电通孔(图16B中的68a和68b)被共同地耦合。图17a_19示出了本发明的用于形成通孔的各种方法。参照图17A-17D描述在图16B的致动器30中使用的类型的导电通孔的形成。在致动器70 (这里，其由单个膜换能器构建，其中沿直径定位的母线76a、76b被放置在介电层 74的非有源部分的相对侧上，共同夹在无源层78a、78b之间)层压于PCB/柔性连接器72 之前或之后，叠置的换能器/致动器结构70被激光钻孔80穿过其整个厚度到PCB 72，以形成通孔82a、82b，如图17B所示。其他用于形成通孔的方法也可以使用，如机械钻孔、冲孔、 模制、穿孔以及核化(coring)。通孔然后通过任何适当的分配方法(如通过注射)利用导电材料(如以硅酮形式的碳微粒)被填充，如图17C所示。然后，如图17D所示，可选地，利用任何兼容的非导电材料如硅酮来灌封86a、86b导电填充通孔84a、84b，以将通孔的暴露端电隔离。可替代地，可以在暴露的通孔上放置非导电条带。可以使用标准的电布线来代替PCB或柔性连接器，以将致动器耦合于电源和电子器件。利用这些实施例形成电通孔以及与电源的电连接的各个步骤示出在图18A-18D中， 其中与图17A-17D的部件和步骤相似的部件和步骤具有相同的参考标记。这里，如图18A 所示，通孔82a、82b仅需被钻孔到致动器厚度内的到达母线84a、84b的程度的深度。然后用导电材料填充通孔，如图18B所示，之后将引线88a、88b插入到沉积的导电材料中，如图 18C所示。导电填充通孔和引线然后可以被灌封，如图18D所示。图19示出了在本发明的换能器内提供导电通孔的另一种方式。换能器100具有包括介电层104的介电膜，介电层104具有夹在电极106a、106b之间的部分，电极106a、106b 依次被夹在无源聚合物层IlOaUlOb之间。导电母线108设置在EAP膜的非有源区域上。 手动地或以其他方式驱动具有尖锐的构造的导电接触件114，穿过换能器的一侧至刺穿母线材料108的深度。导电迹线116沿着PCB/柔性连接器112从尖锐的接触件114的暴露端延伸。这种形成通孔的方法特别地有效，因为其免除了以下步骤钻通孔、填充通孔、将导电线放置在通孔中、以及灌封通孔。本发明的厚度模式EAP换能器能够在具有任何适当的构造和表面特征呈现的大量致动器应用中使用。图20A-M示出了示例性的厚度模式换能器/致动器应用。
图20A示出了具有圆形构造的厚度模式换能器120，该圆形构造对于在感触或触觉反馈应用中使用的按钮致动器是理想的，在这些应用中，用户物理地接触设备，如键盘、 触摸屏、电话等。换能器120由薄的弹性体介电聚合物层122以及顶部和底部电极图案 lMa、124b形成(底部电极图案以虚线示出)，这在图20B的隔离视图中最佳地看到。电极图案1 中的每个电极图案提供柄部125，该柄部125具有形成同心图案的多个相对延伸的指部127。这两个电极的柄部在圆形介电层122的相对侧上彼此沿直径定位，其中其相应的指部彼此并列地(appositional)对齐，以产生图20A所示的图案。尽管在该实施例中相对的电极图案是相同的并且彼此对称，但也能够想到其他实施例，其中相对的电极图案在形状和所占据的表面积的大小上不对称。换能器材料中两个电极材料不重叠的部分限定出换能器的非有源部分128a、U8b。电接触件U6a、126b设置在两个电极柄部中的每一个电极柄部的基部，用于将换能器电耦合于电源和控制电子器件(均未示出)。当换能器被激活时，相对的电极指部被吸到一起，从而压缩它们之间的介电材料122，其中换能器的非有源部分128a、U8b凸出，以如需要的那样形成围绕按钮周边和/或在内部地朝向按钮的表面特征。按钮致动器可以是单个输入或接触表面的形式，或者可以设置成具有多个接触表面的阵列格式。当以阵列的形式构建时，图20A的按钮换能器对于在用于多种用户接口设备(如计算机键盘、电话、计算器等)的键区致动器130中使用是理想的，如图21所示。换能器阵列132包括相互连接的电极图案的顶部阵列136a和电极图案的底部阵列136b(以虚线示出)，其中两个阵列彼此相对以根据需要产生具有有源和非有源部分的图20A的同心换能器图案。键盘结构可以是位于换能器阵列132上方的无源层134的形式。无源层 134可以具有其自己的表面特征，如键边界138，其可以在无源状态下隆起，以使用户能够通过触觉地将他/她的手指与各个键区对准，和/或在激活时进一步放大相应的按钮的周边的凸出。当键被按压时，其覆盖的单个换能器被激活，从而导致如上所述的厚度模式凸出，以往回提供触觉感知给用户。可以以这种方式提供任何数量的换能器并将其间隔开，以适应正在使用的键区134的类型和尺寸。用于这些换能器阵列的制造技术的示例公开在了 2008年6月27日提交的名为“用于感触反馈应用的电活性聚合物换能器”的美国专利申请 No. 12/163，554中，在此将该美国专利申请的内容通过参引的方式全部并入。熟悉本领域的技术人员将注意到，本发明的厚度模式换能器无需是对称的，并且可以采用任何构造和形状。本发明的换能器可以使用在任何能够想到的新颖的应用中，如图22所示的新颖的手形设备140。设有人手形状的介电材料142，其具有呈相似的手形的顶部和底部电极图案lMa、144b(底侧图案以虚线示出)。电极图案中的每个电极图案分别电耦合于母线146a、146b，母线146a、146b则依次电耦合于电源和控制电子器件(均未示出)。这里，相对的电极图案彼此对齐或位于彼此之上，而非插入，从而产生交替的有源和非有源区域。因此，不同于仅仅在图案的内边缘和外边缘整体地产生隆起的表面特征，而是遍及手形轮廓设置隆起的表面特征，即在非有源区域上。应当注意，该示例性应用中的表面特征可以提供视觉反馈而非触觉反馈。能够想到，可以通过着色、反射材料等来加强视觉反馈。本发明的换能器膜可以通过常用的基于卷材的(web-based)制造技术被高效地大量生产，特别是在换能器电极图案是一致的或重复性的情况下。如图23所示，换能器膜150可以设置成连续的带的形式，该连续的带具有沉积或形成在介电材料带152上的连续的顶部和底部电总线156a、156b。更典型地，厚度模式特征由分立的(即，不连续的)但重复性的有源区域158限定，有源区域158由与相应的母线156a、156b电耦合的顶部和底部电极图案15^、154b形成；它的尺寸、长度、形状和图案可以对于特定的应用来定制。然而， 能够想到，一个或多个有源区域可以设置成连续的图案。电极和总线图案可以通过已知的基于卷材的制造技术形成，然后将各个换能器单个化(singulate)，也可以通过例如为通过沿选定的单个化线155对带150进行切割的已知的技术。应当注意，在有源区域沿带连续设置的情况下，需要以高精度切割条带，以避免电极短路。这些电极的切割端可能需要灌封或以其他方式深腐蚀，以避免漏电流路的形成问题。总线156a、156b的切割端子然后被耦合于电源/控制机构，以实现产生的致动器的致动。在单个化之前或之后，所述条带或单个化的条带部分可以与任何数量的其他换能器膜条带/条带部分叠置，以提供多层结构。如果期望的话，叠置的结构然后可以层压或机械地耦合于致动器的刚性机械部件，如输出棒或类似物。图M示出了本发明的换能器的另一个变型，其中换能器160由介电材料条带162 形成，并且顶部和底部电极16^、164b位于以矩形图案布置的条带的相反侧上，从而构成开放区域165。电极中的每一个电极分别端接在电总线166a、166b中，电总线166a、166b具有用于耦合于电源和控制电子器件(均未示出)的电触点168a、168b。跨越封闭区域165 延伸的无源层(未示出)可以用在换能器膜的任一侧上，从而形成垫圈构造，用于环境保护和输出棒(同样未示出)的机械耦合。如所构造的，换能器的激活产生沿着换能器条带的内侧和外侧周边169的表面特征和有源区域16^、164b的厚度的减少。应当注意，垫圈致动器不必是连续的单个致动器。也可以使用一个或多个分立的致动器来勾勒出(line)区域的周边，该区域可选地利用非有源柔顺的垫圈材料密封。其他的垫圈型致动器公开在上面引用的美国专利申请No. 12/163,5 中。这些类型的致动器适于感触(例如，触觉或振动)反馈应用，如触摸传感器板、触摸板和触摸屏，用于应用在手持多媒体设备、医疗器械、信息服务亭或汽车仪表板、玩具和其他新颖的产品等中。图25A-25D是使用本发明的厚度模式致动器的变型的触摸屏的截面图，其中相同的附图标记在这四个图中表示相似的部件。参照图25A，触摸屏设备170可以包括一般由玻璃或塑料材料制成的触摸传感器板174以及可选的液晶显示器(LCD) 172。触摸传感器板 174和液晶显示器(IXD) 172叠置在一起并被限定它们之间的开放空间176的EAP厚度模式致动器180隔开。集合的叠置结构由框架178结合在一起。致动器180包括由被电极对 184a、184b居中地夹入的介电膜层182形成的换能器膜。换能器膜继而夹在顶部和底部无源层186a、186b之间，并且进一步保持在输出结构对188a、188b之间，输出结构188a、188b 分别机械地耦合于触摸板174和LCD172。图25A的右侧示出了当致动器未激活时LCD与触摸板的相对位置，而图25A的左侧示出了当致动器激活时(即在用户沿箭头175的方向下压触摸板174时)部件的相对位置。从该图的左侧清楚地看到，当致动器180被激活时，电极184a、184b被吸到一起，从而压缩它们之间的介电膜182的部分，同时产生有源区域外的介电材料和无源层186a、186b中的表面特征，所述表面特征被输出块188a、188b引起的压缩力进一步加强。因此，所述表面特征在与箭头175相反的方向上在触摸板174上提供微小的力，该力响应于触摸板的下压而提供触觉感知给用户。图25B的触摸屏设备190具有与图25A的触摸屏设备相似的构造，不同之处在于 LDC 172全部位于矩形(或正方形等)形状的厚度模式致动器180构成的内部区域内。这样，当设备处于非激活状态时(如图的右侧所示)LCD 172与触摸板174之间的间距176显著地小于图25A的实施例中的情况，从而提供较低轮廓设计。另外，致动器的底部输出结构 188b直接地坐落在框架178的背壁178’上。不管两个实施例之间的结构差异如何，设备 190都与设备170相似地工作，因此致动器表面特征响应于下压触摸板而在与箭头185相反的方向上提供微小的触觉力。刚刚描述的两个触屏设备是单相设备，因为它们在单个方向上工作。两个(或更多个)本发明的垫圈型致动器可以串联地使用，以产生如图25C中的两相(双向)触摸屏设备200。设备200的构造与图25B的设备的构造相似，但是增加了坐落在触摸板174上方的第二厚度模式致动器180’。两个致动器和触摸板174通过框架178保持叠置的关系， 框架178具有附加的向内延伸的顶部肩178”。这样，触摸板174直接夹在致动器180、180’ 的各自的最内输出块188a、188b’之间，而致动器180’的各自的最外输出块188b、188a’则分别支撑框架构件178’和178”。该封闭的垫圈布置使灰尘和碎屑不进入空间176内的光学路径内。这里，图的左侧示出了处于激活状态的底部致动器180和处于无源状态的顶部致动器180’，其中使传感器板174沿箭头195的方向移向LCD 172。相反，图的右侧示出了处于无源状态的底部致动器180和处于激活状态的顶部致动器180’，其中使传感器板174 沿箭头195’的方向移离IXD 172。图25D示出了另一个两相触摸传感器设备210，但是厚度模式条带致动器对180定向成使电极正交于触摸传感器板。这里，触摸板174的两相或双向移动处于箭头205所示的平面内。为了实现这种平面内运动，致动器180被定位成使得其EAP膜的平面正交于LCD 172和触摸板174的平面。为了保持这种位置，致动器180被保持在框架178的侧壁202和触摸板174所支靠的内部框架构件206之间。当内部框架构件206附接于致动器180的输出块188a时，其和触摸板174相对于外部框架178是“浮动的”，以为平面内或横向运动作好准备。该构造提供了相对紧凑、低轮廓设计，因为其消除了否则对于触摸板174的两相平面外运动所必需增加的空间。两个致动器相反地工作用于两相运动。板174和支架206的组合组件保持致动器条带180微微地压缩在框架178的侧壁202上。当一个致动器是激活的时侯，由于所存储的压缩力其进一步压缩或变薄而另一个致动器则膨胀。这使板组件向激活的致动器移动。通过使第一致动器去激活以及激活第二致动器来使板沿相反的方向移动。图26A和26B示出了变型，其中换能器的非有源区域相对于一个或多个有源区域靠内或居中地定位，即，EAP膜的中央部分没有重叠的电极。厚度模式致动器360包括EAP 换能器膜，该EAP换能器膜包括夹在电极层36^、354b之间的介电层362，其中膜的中央部分365是无源的并且没有电极材料。EAP膜通过顶部和底部框架构件366a、366b中的至少一个保持在拉紧或拉伸状态，框架构件366a、366b共同提供夹头(cartridge)构造。覆盖膜的无源部分365的顶侧和底侧中的至少一个的是无源层368a、368b，其中可选的刚性约束件或输出构件370a、370b分别安装在无源层368a、368b上。在EAP膜在其周边被夹头框架 366约束的情况下，当被激活时(见图^B)，ΕΑΡ膜的压缩使膜材料向内缩回，如箭头367a、367b所示，而不是像上述致动器实施例那样向外。压缩的EAP膜撞击在无源材料368a、368b 上，使其直径减小并使其高度增大。构造上的这种改变分别在输出构件370a、370b上施加向外的力。与前述致动器实施例相同，无源耦合的膜致动器可以以叠置或平面的关系设置成多个，以提供多相致动和/或增大输出力和/或致动器的行程。可以通过在介电膜和/或无源材料上施加预应变来加强性能。致动器可以用作键或按钮装置，并且可以与诸如隔膜开关的传感器设备叠置或集成。底部输出构件或底部电极可以用来提供充分的压力给隔膜开关以完成电路，或者如果底部输出构件具有导电层， 则可以直接地完成电路。多个致动器可以以阵列使用用于诸如键区或键盘的应用。美国专利申请公开No. 2005/0157893中公开的各种介电弹性体和电极材料适于与本发明的厚度模式换能器一起使用。通常，介电弹性体包括任何基本绝缘的、柔顺的聚合物，如硅酮橡胶和丙烯(acrylic)，其响应于静电力而变形，或者其变形导致电场的变化。在设计或选择适当的聚合物时，可以考虑最佳的材料、物理和化学属性。这些属性可以通过慎重地选择单体(包括任何侧链(side chains))、添加剂、交联度、结晶度(crystallinity)、 分子量(molecular weight)等来被修改。本文描述并适于使用的电极包括结构化的电极，其包括金属迹线和电荷分布层、 纹理化的电极、导电脂如碳脂或银脂、胶状悬浮物、高纵横比导电材料如导电碳黑、碳原纤维、碳纳米管、石墨烯(graphene)和金属纳米线，以及离子导电材料的混合物。电极可以由诸如含有碳或其他导电微粒的弹性体基质的柔顺的材料制成。本发明也可以使用金属和半刚硬的电极。用于在本发明的换能器中使用的示例性无源层材料包括但不限于例如硅酮、苯乙烯类或烯烃类共聚物、聚氨酯、丙烯酸酯、橡胶、软聚合物、软弹性体(凝胶)、软聚合物泡沫、或者聚合物/凝胶混合物。一个或多个无源层和介电层的相对弹性和厚度被选择为实现期望的输出(例如，预期表面特征的净厚度或薄度)，其中该输出响应可以设计成线性的 (例如，当被激活时，无源层厚度被与介电层的厚度成比例地放大)或非线性的(例如，无源层和介电层以不同的速率变薄或变厚)。关于方法，本发明的方法可以包括与所描述的设备的使用相关联的机械部件和/ 或活动中的每一个。因此，暗示所描述的设备的使用的方法形成本发明的一部分。其他的方法可能着重于这些设备的制造。对于本发明的其他细节，可以在熟悉相关领域的普通技术人员的水平内使用材料和替代物相关的构造。在如常用或逻辑上使用的附加动作的方面，这对于本发明的基于方法的方面同样是适用的。此外，尽管已经参考可选地包括了各种特征的若干示例描述了本发明，但本发明不限于如根据本发明的每个变型所构想的所描述或指示的。可以在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下对所描述的发明进行各种变化，并且可以替代等同设置 (无论本文已经引述的或为了简洁起见没有包括进来的)。任何数量的示出的各个部件或子组件都可以集成到它们的设计中。这些变化或其他可以由组件的设计原理来进行或引导。在另一个变型中，夹头组件或致动器360可以适于在提供振动按钮、键、触摸板、 鼠标或其他接口中的触觉响应中使用。在这种示例中，致动器30的耦合使用不可压缩的输出几何形状。该变型通过使用模制到输出几何形状中的不可压缩材料提供了电活性聚合物膜片夹头的粘结中心约束的替代。在没有中心盘的电活性聚合物致动器中，致动改变在电极几何形状的中心处的无源膜的状态，从而减小应力和应变(力和位移)。这种减小出现在膜平面的所有方向上，不是仅仅在单个方向上。根据电活性聚合物的放电，无源膜然后返回到初始应力和应变能量状态。电活性聚合物致动器可以利用不可压缩材料(在应力下具有基本恒定的体积)来构建。致动器360组装有不可压缩输出板368a、368b，其在非有源区域365中在致动器360的中心处粘结到无源膜区域，代替中心盘。该构造可以用来通过在与无源部分365接合处压缩输出板来传递能量。这使输出板368a和368b膨胀，从而在正交于平的膜的方向上产生致动。该不可压缩的几何形状能够通过对各种表面增加限制以控制致动期间其变化的方位来进一步被加强。对于上面的示例，增加非柔顺的刚性元件以约束输出板的顶表面防止了该表面改变其尺寸，从而将几何形状改变集中于输出板的期望尺寸。上述变型还能够允许结合有在致动时电活性聚合物介电弹性体的双轴向应力和应变状态改变；正交于致动方向的传递致动；不可压缩几何形状的设计以最优化性能。 上述变型可以包括多种换能器平台，包括膜片、平面的、惯性的驱动、厚度模式、混合形式 (在所附公开中描述的平面的和厚度模式的组合)，以及甚至滚动一用于任何触觉反馈(鼠标、控制器、屏幕、平板、按钮、键盘等)。这些变型可以移动用户接触表面的特定部分，如触摸屏、键区、按钮或键帽，或者移动整个设备。不同的设备实施可能需要不同的EAP平台。例如，在一个示例中，厚度模式致动器的条带可以对触摸屏、混合或平面的致动器提供平面外运动，以提供对键盘上的按钮的键敲击感触；或者提供惯性驱动设计，以提供鼠标和控制器中的警笛(rumbler)反馈。图27A示出了具有各种用户接口设备的用于提供触觉反馈的换能器的另一变型。 在该变型中，块状物或重块262耦合接于电活性聚合物致动器30。尽管所示的聚合物致动器包括膜夹头致动器，但是该设备的替代性变型可以使用如上面公开的EAP专利和申请中描述的弹簧偏置致动器。图27B示出了图27A的换能器组件的分解视图。如图所示，惯性换能器组件沈0 包括夹在两个致动器30之间的块状物沈2。然而，取决于块状物的任一侧上的期望应用，设备的变型包括一个或多个致动器。如图所示，一个或多个致动器经由基板或凸缘连接到惯性块状物262并被紧固。致动器30的致动引发块状物相对于致动器在χ-y方位上的移动。 在另外的变型中，致动器可以构造成提供块状物262的法向或ζ轴运动。图27C示出了图27A的惯性换能器组件沈0的侧视图。在该视图中，组件示出为具有封闭致动器30和惯性块状物沈2的中央壳体266和顶部壳体沈8。此外，组件260示出为具有延伸穿过壳体和致动器内的开口或通孔M的固定装置或紧固件270。通孔对可以起到多种作用。例如，通孔可以仅仅用于安装用途。可替代地，或者成为组合，通孔可以将致动器电耦合于电路板、柔性板或机械地。图27D示出了图27C的惯性换能器组件沈0的透视图，其中惯性块状物(未示出)位于壳体组件沈4、266和沈8内。壳体组件的部件可以起到多种作用。例如，除了提供机械支撑和安装及附接特征之外，这些部件还可以包括用作机械硬阻挡件的特征，以防止惯性块状物在x、y和/或ζ方向上的过量运动，这种过量运动可能损坏致动器夹头。例如，壳体可以包括隆起的表面，以限制惯性块状物的过量运动。 在所示的示例中，隆起表面可以包括壳体的含有通孔M的部分。可替代地，通孔对可以被选择性地被放置，使得穿过其设置的任何紧固件270用作有效的阻挡件，以限制惯性块状物的运动。壳体组件264和266还能够设计成具有覆盖致动器的边缘的集成唇部或延伸部， 以防止操作时的电击。这些部件中的任一个或全部也可以被集成作为较大组件的壳体(如消费者电子设备的壳体)的部件。例如，尽管所示的壳体示出为紧固在用户接口设备内的单独部件，但是替代性的换能器变型包括与实际用户接口设备的壳体成一体或是其一部分的壳体组件。例如，计算机鼠标的主体可以构造成用作用于惯性换能器组件的壳体。惯性块状物262还能够起到多种作用。尽管其在图27A和27B中示出为圆形，但是惯性块状物的变型可以制造成具有更复杂的形状，使得其具有用作限制其在χ、y和/或 Z方向上的运动的机械硬阻挡件的集成特征。例如，图27E示出了惯性换能器组件的变型， 其具有惯性块状物262，惯性块状物262具有与壳体264的阻挡件或其他特征接合的成形表面沈3。在所示的变型中，惯性块状物沈2的表面263接合紧固件270。因此，惯性块状物 262的位移被限制于在成形表面263与阻挡件或紧固件270之间的间隙。重块的质量能够被选择为适应总体组件的共振频率，并且结构的材料可以是任何密实材料，但是优选选择为最小化所需体积和成本。适当的材料包括金属和金属合金，诸如铜、钢、钨、铝、镍、铬和黄铜，并且可以使用聚合物/金属复合物材料、树脂、流体、凝胶或其他材料。用于电活性聚合物触觉的滤波器声音驱动波形这里描述的本发明的方法和设备的另一个变型涉及以改进反馈的方式驱动致动器。在一个这种示例中，触觉致动器由声音信号驱动。这种构造免除了对生成波形以产生不同类型的触觉感知的单独处理器的需要。相反，触觉设备可以使用一个或多个电路以将已有的音频信号修改成经修改的触觉信号，例如滤波或放大频谱的不同部分。因此，经修改的触觉信号然后驱动致动器。在一个示例中，经修改的触觉信号驱动电源来触发致动器以实现不同的感触效果。该方法具有如下优点其与能够加强来自诸如游戏控制器或手持游戏控制台的触觉设备中的音乐或声音效果的反馈的任何音频信号自动地关联和同步。图28A示出了用来调谐音频信号以在用于电活性聚合物致动器的最佳触觉频率内工作的电路的一个示例。所示的电路通过幅值截止、DC偏移调节以及AC波形峰-峰大小调节来修改音频信号，以产生与图28B所示的信号相似的信号。在某些变型中，电活性聚合物致动器包括两相电活性聚合物致动器，并且其中改变音频信号包括滤波音频信号的音频波形的正部分，以驱动电活性聚合物换能器的第一相；以及逆转音频信号的音频波形的负部分，以驱动电活性聚合物换能器的第二相，从而改善电活性聚合物致动器的性能。例如，正弦波形式的源音频信号可以被转换成方波(例如，通过削波)，使得触觉信号是产生最大致动器力输出的方波。在另一个示例中，电路可以包括一个或多个整流器，以滤波音频信号的频率，从而使用音频信号的音频波形的全部或一部分来驱动触觉效果。图28C示出了电路的一个变型，其设计成滤波音频信号的音频波形的正部分。在另一个变型中，该电路可以与图28D所示的电路组合用于具有两个相的致动器。如图所示，图^C的电路能够滤波音频波形的正部分，以驱动致动器的一个相，而图28D所示的电路能够逆转音频波形的负部分，以驱动2 相触觉致动器的另一相。结果是，该两相致动器将具有更大的致动器性能。在另一实施方式中，音频信号中的阈值能够用来触发驱动致动器的次级电路的操作。该阈值能够由音频信号中的幅值、频率或特定模式来限定。该次级电路可以具有固定的响应如振荡器电路设定以输出特定的频率，或者可以具有基于多个限定的触发的多个响应。在一些变型中，可以基于特定的触发来预先确定响应。在这种情况下，可以根据特定的触发提供存储的响应信号。通过这种方式，而不是修改源信号，电路根据源信号的一个或多个特性来触发预先确定的响应。次级电路还可以包括定时器以输出有限持续时间的响应。很多系统可以受益于具有用于声音的能力的触觉实施方式(例如，计算机、智能手机、PDA、电子游戏)。在该变型中，滤波的声音用作用于电活性聚合物触觉的驱动波形。 通常在这些系统中使用的声音文件可以被滤波以仅仅包括用于触觉反馈致动器设计的最佳频率范围。图28E和28F示出了设备400的一个这种示例，在这种情况下为计算机鼠标， 其具有位于鼠标主体400内并且耦合于惯性块状物404的一个或多个电活性聚合物致动器 402。当前的系统在< 200Hz的最佳频率下操作。诸如猎枪发射的声音或门关闭的声音的声音波形可以被低通滤波，以允许仅仅使用来自这些声音的< 200Hz的频率。该滤波后的波形然后作为输入波形被提供给驱动触觉反馈致动器的EPAM电源。如果是在游戏控制器中使用这些示例，则猎枪发射和关闭门的声音将与触觉反馈致动器是同时的，从而将强化的体验提供给游戏玩家。在一个变型中，已有的声音信号的使用可以为与由单独生成的音频信号产生的声音同时地在用户接口设备中产生触觉效果的方法作好准备。例如，所述方法可以包括将音频信号发送到滤波电路；通过滤波预定频率以下的频率范围来改变音频信号以产生触觉驱动信号；以及提供触觉驱动信号给耦合于电活性聚合物换能器的电源，使得电源致动电活性聚合物换能器以与音频信号生成的声音同时地驱动触觉效果。所述方法还可包括驱动电活性聚合物换能器以同时地生成声音效果和触觉响应。对于本发明的其他细节，可以在熟悉相关领域的普通技术人员的水平内使用材料和替代物相关的构造。在如常用或逻辑上使用的附加动作的方面，这对于本发明的基于方法的方面同样是适用的。此外，尽管已经参考可选地包括了各种特征的若干示例描述了本发明，但本发明不限于如根据本发明的每个变型所构想的所描述或指示的。可以在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下对所描述的发明进行各种变化，并且可以替代等同设置 (无论本文已经引述的或为了简洁起见没有包括进来的)。任何数量的示出的各个部件或子组件都可以集成到它们的设计中。这些变化或其他可以由组件的设计原理来进行或引导。另外，能够想到，都可以独立地或者与这里描述的特征中的任何一个或多个特征组合地阐释和要求保护所描述的本发明变型的任何可选特征。对单数个物品的指代包括存在多个同一物品的可能性。更具体地，如此处和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、 “一个”、“所述”和“该”包括复数个指示物，除非另外具体说明。换句话说，在上面的描述以及下面的权利要求中，冠词的使用考虑到描述的物品中的“至少一个”。还应当注意，权利要求可以撰写成排除任何可选的元件。因此，本声明意在用作与权利要求元件的引用有关的排他性术语如“仅仅”、“仅”及类似词的使用或“否定”限制的使用的在先基础。在不使用这些排他性术语的情况下，权利要求中的术语“包括”应当考虑到包括任何附加的元件一与在权利要求中列举了给定数量的元件或是特征的添加可以认作改变了权利要求中阐述的元件的属性无关。另外说明，除非本文中特别限定，否则本文中使用的所有技术和科学术语都被给定尽可能地普遍理解的含义，同时保持权利要求的有效性。
总之，本发明的宽度不由所提供的示例限制。
权利要求
1.一种与单独生成的音频信号产生的声音同时地在用户接口设备中产生触觉效果的方法，所述方法包括将所述音频信号发送到滤波电路；通过滤波预定频率以下的频率范围来改变所述音频信号以产生触觉驱动信号；以及提供所述触觉驱动信号给耦合于电活性聚合物换能器的电源，使得所述电源致动所述电活性聚合物换能器以与所述音频信号生成的声音同时地驱动触觉效果。
2.如权利要求1所述的方法，还包括利用滤波的信号驱动所述电活性聚合物换能器以产生声音效果。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定频率包括所述电活性聚合物致动器的最佳频率。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定频率包括200赫兹。
5.如权利要求1所述的方法，其中，改变所述音频信号包括滤波所述音频信号的音频波形的正部分以产生触觉信号。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述电活性聚合物包括两相电活性聚合物致动器， 并且其中改变所述音频信号包括滤波所述音频信号的音频波形的正部分，以驱动所述电活性聚合物换能器的第一相；以及逆转所述音频信号的音频波形的负部分，以驱动所述电活性聚合物换能器的第二相，从而改善所述电活性聚合物换能器的性能。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述音频信号包括正弦波形，并且其中改变所述音频信号包括转换正弦波形式以产生具有正方形波形的触觉驱动信号。
8.—种与单独生成的音频信号产生的声音同时地在用户接口设备中产生触觉效果的方法，所述方法包括将所述音频信号发送到触发电路； 基于所述音频信号的特性产生触觉驱动信号；以及提供所述触觉驱动信号给耦合于电活性聚合物换能器的电源，使得所述电源致动所述电活性聚合物换能器以通过控制所述电活性聚合物换能器的触觉输出频率来驱动触觉效^ ο
9.如权利要求8所述的方法，还包括利用滤波的信号驱动所述电活性聚合物换能器以产生声音效果。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述音频信号的特性包括所述音频信号的阈值电压。
11.一种换能器，包括电活性聚合物膜，其包括介电弹性体层，其中所述介电弹性体层的一部分在第一电极和第二电极之间拉伸，其中所述电极的至少一个重叠部分限定出有源膜区域，并且膜的至少一个剩余部分限定出非有源膜区域；第一导电层和第二导电层，所述第一导电层设置在所述非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于所述第一电极，所述第二导电层设置在所述非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于所述第二电极；以及至少一个无源的不可压缩聚合物层，所述不可压缩聚合物层在所述电活性聚合物膜的一侧的至少一部分上延伸，其中所述有源区域的激活改变所述不可压缩无源聚合物层的厚度尺寸。
12.如权利要求11所述的换能器，还包括在包括所述第一电极的位置处延伸穿过所述换能器的第一导电通孔和在包括所述第二电极的位置处延伸穿过所述换能器的第二导电通孑L。
13.如权利要求11所述的换能器，还包括第一无源不可压缩聚合物层和第二无源不可压缩聚合物层，其中所述第一无源不可压缩聚合物层和所述第二无源不可压缩聚合物层位于所述电活性聚合物膜的各侧上。
14.一种换能器组件，包括至少两个叠置的电活性聚合物膜层，每个电活性聚合物膜包括薄的介电弹性体层，其中所述介电弹性体层的一部分夹在第一电极和第二电极之间，其中所述电极的重叠部分限定出有源膜区域，并且膜的剩余部分限定出非有源膜区域，其中相应的电活性聚合物膜层的有源膜区域成叠置对齐，并且相应的电活性聚合物膜层的非有源有源膜区域成叠置对齐；第一导电层和第二导电层，所述第一导电层设置在每个电活性聚合物膜的非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于其第一电极，所述第二导电层设置在每个电活性聚合物膜的非有源膜区域的至少一部分上并且电耦合于其第二电极；以及位于所述电活性聚合物膜的各个暴露侧上方的无源不可压缩聚合物层，其中所述有源区域的激活改变所述无源不可压缩聚合物层的厚度尺寸。
15.如权利要求14所述的换能器组件，还包括在包括每个膜的第一电极的位置处延伸穿过叠置的电活性聚合物膜的第一导电通孔和在包括第二电极的位置处延伸穿过叠置的电活性聚合物膜的第二导电通孔。
16.一种惯性电活性聚合物换能器，包括在顶部框架部件和底部框架部件之间拉伸的电活性聚合物膜，其中框架的中央部分是开放的，以露出所述电活性聚合物膜的中央表面；位于所述电活性聚合物膜的中央表面上的第一输出构件；以及附接于输出盘的至少一个惯性块状物，其中跨在所述电活性聚合物膜上的第一电极和第二电极施加的电压差引起所述聚合物膜的位移，从而导致所述惯性块状物移动。
17.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，还包括夹在顶部第二框架部件和底部第二框架部件之间的第二电活性聚合物膜，其中第二框架的中央部分是开放的，以露出所述电活性聚合物膜的第二中央表面；以及位于所述电活性聚合物膜的中央表面上的第二输出构件，其中所述惯性块状物设置并附接在所述第一输出构件和所述第二输出构件之间。
18.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述电活性聚合物被构造成在所述电活性聚合物膜的平面内移位。
19.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述电活性聚合物构被造成在垂直于所述电活性聚合物膜的平面的方向上移位。
20.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述电活性聚合物是弹簧偏置的。
21.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述惯性电活性聚合物换能器还包括至少一个壳体组件。
22.如权利要求21所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述电活性聚合物膜和惯性块状物装入所述壳体组件内。
23.如权利要求22所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述壳体组件被构造成使所述惯性电活性聚合物换能器电绝缘。
24.如权利要求21所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述壳体组件还包括限制所述惯性块状物的运动的至少一个机械阻挡件，以防止源于过量运动而产生的对致动器夹头的损坏。
25.如权利要求24所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述至少一个机械阻挡件包括位于所述壳体组件内的至少一个紧固件。
26.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述惯性块状物包括成形表面，所述成形表面与所述壳体内的阻挡件接合，以将所述惯性块状物的运动限制于在所述成形表面与所述阻挡件之间的距离，从而防止源于过量运动所产生的对致动器夹头的损坏。
27.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，根据所述电活性聚合物膜的共振频率来选择所述惯性块状物的重量。
28.如权利要求16所述的惯性电活性聚合物换能器，其中，所述壳体组件包括用户接口设备的壳体的一部分。
全文摘要
公开了一种与单独生成的音频信号产生的声音同时地在用户接口设备中产生触觉效果的电活性换能器和方法，以及用于用户接口设备中的感触反馈应用的电活性聚合物换能器。
文档编号G06F3/041GK102272702SQ200980154243
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月4日 优先权日2008年11月4日
发明者A·扎拉比, C·A·韦伯, I·波拉科夫, R·希茨科克 申请人:拜尔材料科学股份公司