CN102334089A - 用于触觉反馈设备的电活性聚合物换能器 - Google Patents

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Abstract

公开了与在单独生成的音频信号生成声音的同时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觉反馈应用的电活性聚合物换能器。

Description

用于触觉反馈设备的电活性聚合物换能器
相关申请
本申请是于2009年1月21日提交的、题目为“METHODS ANDDEVICES FOR DRIVING ELECTROACTIVE POLYMERS”的第61/146,279号美国临时申请的非临时申请，所述临时申请以引用的方式被完整地并入本文。
技术领域
本发明涉及电活性聚合物用于提供感觉反馈的使用。
背景技术
如今使用的大量设备依赖于这种或那种的致动器以将电能转换为机械能。相反地，很多发电应用是通过将机械作用转换为电能来操作的。用于通过这种方式获得机械能，相同类型的致动器可以称作发生器。同样地，当该结构被用于将诸如振动或压力等物理刺激转换为电信号以用于测量的目的时，可以将其称作传感器。甚至，术语“换能器”可以用于通常指代这些设备中的任意一个。
大量设计考虑喜欢选择并使用还称作“电活性聚合物”(EAP)的高级的电介质弹性材料以用于制造换能器。这些考虑包括电位力、功率密度、功率变换/消耗、大小、重量、成本、响应时间、占空比、服务需求、环境影响等。同样地，在很多应用中，EAP技术给压电形状记忆合金(SMA)和诸如电动机和螺线管等的电磁设备提供了理想的替换。
在第7,394,282号、第7,378,783号、第7,368,862号、第7,362,032号、第7,320,457号、第7,259,503号、第7,233,097号、第7,224,106号、第7,211,937号、第7,199,501号、第7,166,953号、第7,064,472号、第7,062,055号、第7,052,594号、第7,049,732号、第7,034,432号、第6,940,221号、第6,911,764号、第6,891,317号、第6,882,086号、第6,876,135号、第6,812,624号、第6,809,462号、第6,806,621号、第6,781,284号、第6,768,246号、第6,707,236号、第6,664,718号、第6,628,040号、第6,586,859号、第6,583,533号、第6,545,384号、第6,543,110号、第6,376,971号和第6,343,129号美国专利中、在公开号为2009/0001855号、第2009/0154053号、第2008/0180875号、第2008/0157631号、第2008/0116764号、第2008/0022517号、第2007/0230222号、第2007/0200468号、第2007/0200467号、第2007/0200466号、第2007/0200457号、第2007/0200454号、第2007/0200453号、第2007/0170822号、第2006/0238079号、第2006/0208610号、第2006/0208609号和第2005/0157893号美国专利申请中、以及在于2009年1月22日提交的第12/358,142号美国专利申请中、第PCT/US09/63307号PCT申请中、以及第W0 2009/067708号PCT公开中公开了EAP设备及其应用的实施例，并且上述完整内容通过引用的方式被完整地并入本文。
EAP换能器包括两个电极，这两个电极具有可变形的特征并且由较薄的弹性电介质材料分离。当将电压差应用于电极时，反向充电的电极彼此吸引，从而压缩其间的聚合物电介质层。当电极被一起拉得更近时，电介质聚合物薄膜变得更薄(z轴分量收缩)，这是因为其(沿着x轴和y轴)在平面方向上扩展，即，薄膜的位移是平面内的。EAP薄膜也可以被配置为(沿着z轴)在垂直于薄膜结构的方向上产生移动，即，薄膜的位移是平面外的。第2005/0157893号美国专利申请公开了EAP薄膜结构，其提供了这种平面外的位移-也称作表面变形或厚度模式偏斜。
可以对EAP薄膜的材料和物理特征进行改变和控制以定制换能器遭受的表面变形。更具体地说，可以对诸如聚合物薄膜与电极材料之间的相对弹力、聚合物薄膜与电极材料之间的相对厚度和/或聚合物薄膜和/或电极材料的变化厚度、聚合物薄膜和/或电极材料的物理图案(以提供局部的活性区域和无活性区域)、总体上施加于EAP薄膜的张力或预应变力、施加于薄膜的电压量或在薄膜上感应的电容量等因素进行控制和改变，以定制当薄膜处于活性模式时薄膜的表面特征。
存在大量基于换能器的应用，这将受益于由这些EAP薄膜提供的优点。一种此类应用包括在用户接口设备中使用EAP薄膜来产生触觉反馈(通过应用于用户身体的力来向用户发送信息)。存在很多已知的用户接口设备，这些设备通常响应于由用户发起的力来使用触觉反馈。可以使用触觉反馈的用户接口设备的实施例包括键盘、键区、游戏控制器、遥控器、触摸屏、计算机鼠标、轨迹球、手写笔和操纵杆等。用户接口表面可以包括用户操纵、啮合和/或观察关于来自设备的反馈或信息的任何表面。这些接口表面的实施例包括但不限于键(例如，键盘上的键)、游戏手柄(gamepad)或按钮、显示屏等。
由这些类型的接口设备提供的触觉反馈是物理感觉的形式，例如，振动、脉冲、弹簧力等，其是由用户直接地(例如，通过触摸屏幕)、间接地(例如，通过当蜂窝电话在钱包或包中振动时的振动效果)或以其它方式(例如，通过移动身体的动作，这在传统的意义上创建了压力干扰但是未生成音频信号)感测的。
通常，具有触觉反馈的用户接口设备可以是“接收”由用户发起的动作的输入设备以及提供指示该动作被发起的触觉反馈的输出设备。实际上，通过由用户应用的力来在至少一个自由度上改变用户接口设备的诸如按钮等的一些接触或触摸的部分或表面的位置，其中，应用的力必须达到某一最小阈值，以便使接触部分改变位置并且影响触觉反馈。对接触部分的位置的改变的完成或记录导致响应力(例如，反冲、振动、脉冲)，其也被施加于通过用户作用的设备的接触部分上，该力通过用户的触觉被发送到用户。
使用反冲、“双稳态”或“双相”类型的触觉反馈的用户接口设备的一个共同的实施例是鼠标、键盘、触摸屏或其它接口设备上的按钮。直到应用的力达到某一阈值，才移动用户接口表面，在该阈值处，按钮相对轻松地向下移动并且然后停止-其总体感觉被定义为“点击”按钮。可选择地，表面随着阻力的增大而移动，直到达到力轮廓改变(例如，减小)的某一阈值为止。用户应用的力实质上是沿着垂直于按钮表面的轴，如同用户感觉的响应(但是相反的)力一样。然而，变化包括用户施加的力横向地或在平面内应用于按钮表面。
在另一实施例中，当用户将输入输入到触摸屏上时，屏幕通常在没有听觉提示的情况下通过屏幕上的图形改变来确认输入。触摸屏通过诸如颜色和形状改变的屏幕上的视觉提示的方式来提供图形反馈。触摸板通过屏幕上的光标的方式提供视觉反馈。虽然上面的提示确实提供了反馈，但是来自手指致动的输入设备的最直观且有效的反馈是诸如键盘按键的制动器或鼠标轮的制动器等的触觉反馈。因此，可期望在触摸屏上并入触觉反馈。
触觉反馈能力是众所周知的，以改善用户生产率和效率，特别是在数据输入的环境下。发明人就此相信，对发送到用户的触感的特征和质量的进一步改进可以进一步提高这种生产率和效率。如果由容易制造并且成本较低的感觉反馈机构提供这些改进，而不给已知的触觉反馈设备增加并且优选地减小空间、大小和/或质量要求，则这将是另外有益的。
虽然基于EAP的换能器的并入可以改进这些用户接口设备上的触觉互动，但是仍然存在对在不增加用户接口设备的轮廓的情况下使用这些EAP换能器的需要。
发明内容
本发明包括具有用于感觉应用的电活性换能器的设备、系统和方法。在一个变形中，提供了具有感觉反馈的用户接口设备。本发明的一个益处是给用户提供具有触觉反馈的用户接口设备，而不论输入何时由软件或通过所述设备或相关联的部件生成的另一信号触发。
本文描述的方法和设备试图改进基于EAP的换能器系统的结构和功能。本发明讨论了用于各种应用的定制的换能器结构。本发明还提供了大量设备和方法，用于驱动EAP换能器以及用于机械致动、发电和/或感测的基于EAP换能器的设备和系统。
对于本领域技术人员而言，当阅读了下面更充分地描述的本发明的细节以后，本发明的这些和其它特征、目标和优点将变得明显。
可以由这些设计使用的EPAM暗盒包括但不限于平面的控光装置(diaparagm)、厚度模式和无源耦合设备(混合)。
在包括电活性聚合物换能器的用户接口设备的一个变形中，该设备包括：底盘；用户接口表面；第一电源；与用户接口表面相邻的至少一个电活性聚合物换能器，该电活性聚合物换能器还包括导电表面，其中，所述用户接口表面的一部分和所述导电表面形成了具有第一电源的电路，以使在正常状态下，所述导电表面与所述用户接口表面的所述部分电隔离，以打开所述电路，从而使所述电活性聚合物换能器保持在未通电的状态；以及其中，所述用户接口表面柔性地耦合到所述底盘，以使所述用户接口表面偏斜到所述电活性聚合物换能器使所述电路闭合，从而给所述电活性聚合物换能器通电，以使提供给所述电活性聚合物换能器的信号在所述用户接口表面处产生触感。
上述用户接口的另外变体可以包括多个电活性聚合物换能器，每个电活性聚合物换能器与所述用户接口表面相邻，并且每个电活性聚合物换能器具有各自的导电表面，以使一个用户接口表面偏斜到导电表面使所述各自的电活性聚合物换能器和所述导电表面形成闭合电路，并且其中，剩余的电活性聚合物换能器保持在未通电的状态。
在另一变形中，用户接口设备包括耦合到开关的低压电源和高压电源，以使所述电活性聚合物换能器和导电表面的偏斜关闭所述开关，从而允许所述高压电源给所述电活性聚合物致动器通电。
用户接口设备的另一变形包括与上面所描述的用户接口设备相似的设备，其中，至少一个电活性聚合物换能器被耦合到用户接口表面，电活性聚合物换能器还包括导电表面，导电表面形成具有第一电源的电路，以使在正常状态下，所述导电表面与所述电路电隔离，以打开所述电路，从而使所述电活性聚合物换能器保持在未通电的状态；以及其中，所述电活性聚合物换能器柔性地耦合到所述底盘，以便所述用户接口表面的偏斜使所述电活性聚合物偏斜以与所述第一电源的所述电路接触，从而闭合所述电路，并且给所述电活性聚合物致动器通电，以便提供给所述电活性聚合物换能器的信号在所述用户接口表面处产生触感。
在另一变形中，用户接口设备包括多个电活性聚合物换能器，每个电活性聚合物换能器与所述用户接口表面相邻，并且每个电活性聚合物换能器具有各自的导电表面，以便一个用户接口表面偏斜到导电表面使所述各自的电活性聚合物换能器和所述导电表面形成闭合电路，并且其中，剩余的电活性聚合物换能器保持在所述未通电的状态。
下面的公开内容还包括一种在用户接口设备中产生触觉效果的方法，其中，所述触觉效果模仿双稳态开关效果。在一个实施例中，该方法包括：提供用户接口表面，所述用户接口表面具有耦合到其的电活性聚合物换能器，其中，所述电活性聚合物换能器包括至少一个电活性聚合物薄膜；将所述用户接口表面移动一位移量，以同样地移动所述电活性聚合物薄膜并增加由所述的电活性聚合物薄膜应用于所述用户接口表面的阻力；在所述电活性聚合物薄膜的位移期间延迟所述电活性聚合物换能器的激活；激活所述电活性聚合物换能器以在不减小所述位移量的情况下改变所述阻力，从而创建模仿所述双稳态开关效果的所述触觉效果。所述电活性聚合物的延迟激活可以在预定时间之后发生的。可选择地，延迟所述电活性聚合物的激活是在所述电活性聚合物薄膜的预定位移之后发生的。
在下面的公开内容中的方法的另一变形包括在用户接口设备中产生预定的触觉效果。该方法可以包括：提供波形电路，所述波形电路被配置为产生至少一个预定的触觉波形信号；将信号路由到所述波形电路，以便当所述信号等于触发值时，所述波形电路生成所述触觉波形信号；以及向电源提供所述触觉波形信号，所述电源被耦合到电活性聚合物换能器以便所述电源致动所述电活性聚合物换能器，以产生由所述触觉波形信号控制的复杂的触觉效果。
本公开还包括一种在具有用户接口表面的用户接口设备中产生触觉反馈感觉的方法，该方法包括，将来自驱动电路的输入信号发送到电活性聚合物换能器，其中，所述输入信号致动所述电活性聚合物换能器，并且在所述用户接口表面处提供所述触觉反馈感觉；以及在期望的触觉反馈感觉以后，发送阻尼信号以减小所述用户接口表面的机械位移。这种方法可以用于产生包括双稳态击键效果(bi-stable key-click effect)的触觉效果感觉。
本文公开的另一种方法包括在用户接口设备中产生触觉反馈的方法，该方法包括，给所述用户接口设备提供电活性聚合物换能器，所述电活性聚合物换能器具有第一相位并且具有第二相位，其中，所述电活性聚合物换能器包括所述第一相位共用的第一引线、所述第二相位共用的第二引线、以及所述第一相位和所述第二相位共用的第三引线；使所述第一引线保持在高压，同时使所述第二引线保持接地；以及驱动所述第三引线，以从所述接地改变为所述高压，从而在各自的其它相位的去激活时实现所述第一相位和所述第二相位的激活。
本发明可以在任意一种用户接口设备中使用，该用户接口设备包括但不限于用于计算机、电话、PDA、视频游戏机、GPS系统、公用电话亭等的触摸板、触摸屏或键区等。
至于本发明的其它细节，材料或可替换的相关配置可以在相关领域的技术人员的水平范围内使用。在一般或逻辑使用的额外动作方面，这些对于本发明的基于方法的方面可以是成立的。此外，虽然已经参照可选择地并入各种特性的几个实施例对本发明进行了描述，但是本发明不限于所描述的或指出的关于本发明的每个变形所设想的实施例。在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变，并且可以对等价形式(无论是否在本文中被引用或者为了某种简洁而未被包含在本文中)进行替换。可以将所示的任意数量的单独部分或子组件集成到其设计中。可以针对该组件通过设计原则来进行或指导这些改变或其它改变。
对于本领域技术人员而言，在阅读了下面更充分地描述的本发明的细节以后，本发明的这些和其它特征、目标和优点将变得明显。
附图简述
通过下面详细描述，当结合附图阅读时，将最佳地理解本发明。为了便于理解，已经(在适用的情况下)使用相同的参考编号来指示附图共用的相似的元件。附图包含以下内容：
图1A和图1B示出了可以在EAP换能器被耦合到设备的显示屏或传感器以及主体时使用触觉反馈的用户接口的一些实施例。
图2A和图2B示出了包括具有对用户的输入反应出触觉反馈的表面的显示屏的用户接口设备的横截面图。
图3A和图3B示出了具有由具有形成于活性垫圈中的活性EAP的柔性隔膜所覆盖的显示屏的用户接口设备的另一变形的横截面图。
图4示出了具有位于显示屏的边缘附近的弹簧偏置的EAP隔膜的用户接口设备的另外变形的横截面图。
图5示出了用户接口的横截面图，其中，使用大量适应的垫圈将显示屏耦合到框架，并且用于显示的驱动力是大量EAP致动器控光装置。
图6A和图6B示出了具有耦合到显示器的波纹EAP隔膜或薄膜的用户接口230的横截面图。
图7A和图7B示出了根据本发明的一个实施方式在应用电压之前和之后的换能器的顶部透视图。
图8A和图8B分别示出了在用户接口设备中使用的感觉反馈设备的分解顶部和底部透视图。
图9A是本发明的装配电活性聚合物致动器的顶部平面图；图9B和图9C分别是图8A的致动器的薄膜部分的顶部平面图和底部平面图，并且具体地说，示出了致动器的双相配置。
图9D和图9E示出了用于放置在与设备的框架分离的显示屏的表面上的电活性聚合物换能器阵列的实施例。
图9F和图9G分别是在本文公开的用户接口设备中使用的致动器阵列的分解图和装配图。
图10示出了使用操作地与设备的接触面接触的人体手指的用户接口设备的侧视图。
图11A和图11B分别用图表的形式示出了当在单相模式中操作时图9A至图9C的致动器的力冲程关系和电压响应曲线。
图11C和图11D分别用图表的形式示出了当在双相模式中操作时图9A至图9C的致动器的力冲程关系和电压响应曲线。
图12A至图12C示出了双相换能器的另一变形。
图12D示出了图12A至图12C的双相换能器的位移与时间关系的图示。
图13是包括用于操作感觉反馈设备的电源和控制电子设备的电路的框图。
图14A和图14B示出了耦合到用户输入设备的EAP致动器的平面阵列的实施例的部分横截面图。
图15A和图15B示意性地示出了用作使用聚合物表面特征来在换能器被激活时提供工作输出的致动器的表面变形EAP换能器；
图16A和图16B是本发明的致动器的示例性结构的横截面图；
图17A至图17D示出了用于在主题换能器中进行电连接以耦合到印刷电路板(PCB)或花线连接器的过程的各个步骤；
图18A至图18D示出了用于在主题换能器中进行电连接以耦合到电线的过程的各个步骤；
图19是具有穿刺类型的电连接的主题换能器的横截面图；
图20A和图20B分别是用于按钮类型致动器中的应用的厚度模式换能器和电极图案的顶视图；
图21示出了使用图6A和图6B的按钮型致动器阵列的键区的顶部剖面图；
图22示出了以人手的形式在新颖的致动器中使用的厚度模式换能器的顶视图；
图23示出了连续带配置中的厚度模式变换器的顶视图；
图24示出了用于垫圈型致动器的应用的厚度模式换能器的顶视图；
图25A至图25D是使用各种类型的垫圈型致动器的触摸屏的横截面图；
图26A和图26B是本发明的厚度模式换能器的另一实施方式的横截面图，其中，换能器的有源区域和无源区域的相对位置与上面的实施方式是相反的。
图27A至图27D示出了电活性惯性换能器的实施例。
图28A示出了对音频信号进行调谐以在电活性聚合物致动器的最佳触摸频率内工作的电路的一个实施例。
图28B示出了由图28A的电路滤波的经修改的触觉信号的实施例。
图28C和图28F示出了用于为单相和双相电活性换能器产生信号的另外的电路。
图28E和图28F示出了具有设备主体内的、并且被耦合到惯性块(inertial mass)的一个或多个电活性聚合物致动器的设备的实施例。
图29A至图29C示出了当在用户接口设备中使用时的电活性聚合物换能器的实施例，其中，换能器和/或用户接口表面的一部分完成开关以给换能器提供功率。
图30A至图30B示出了被配置为形成用于给换能器供电的两个开关的电活性聚合物换能器的另一实施例。
图31A至图31B示出了延迟电活性聚合物换能器的激活以产生模仿机械开关效果的触摸效果的各种示意图。
图32示出了用于使用触发信号(例如，音频信号)来驱动电活性聚合物换能器从而传送存储波形以产生期望的触摸效果的电路的实施例。
图33A和图33B示出了通过以单个驱动电路提供双相激活来驱动电活性聚合物换能器的另一变形。
图34A示出了显示由图34B的信号触发触觉效果以后的残留移动的位移曲线的实施例。
图34C示出了使用电子阻尼来减小所示的残留移动效果的位移曲线的实施例，其中，触觉效果和阻尼信号如图34D所示。
图35示出了用于给电活性聚合物换能器供电的能量获取电路的实施例。
通过附图所示的本发明来设想本发明的变形。
本发明的详细描述
现在参照附图来详细描述本发明的设备、系统和方法。
如上所述，可以通过使用在设备的用户屏幕上的触觉反馈来对需要用户接口的设备进行改进。图1A和图1B示出了这种设备190的简单的实施例。每个设备包括用户输入或观察其数据的显示屏232。显示屏被耦合到设备的主体或框架234。明显地，任意数量的设备被包含在本发明的范围内，而不论是便携的(例如，蜂窝电话、计算机、制造装配等)还是固定于其它非便携的结构(例如，信息显示板的屏幕、自动对话屏等)。为了本发明的目的，显示屏还可以包括触摸板型的设备，其中，用户输入或相互作用发生在与实际的触摸板(例如，膝上型计算机的触摸板)远离的位置或监控器上。
大量设计考虑喜欢选择并使用还称作“电活性聚合物”(EAP)的高级的电介质弹性材料，以尤其在寻找显示屏232的触觉反馈时制造换能器。这些考虑包括电位力、功率密度、功率变换/消耗、大小、重力、成本、响应时间、占空比、服务需求、环境影响等。同样地，在很多应用中，EAP技术给压电形状记忆合金(SMA)和诸如电动机和螺线管等的电磁设备提供了理想的代替物。
EAP换能器包括两个较薄的薄膜电极，这两个电极具有弹性特征并且由较薄的弹性电介质材料分离。在一些变形中，EAP换能器可以包括无弹性的电介质材料。在任何情况下，当将电压差应用于电极时，反向充电的电极彼此吸引，从而压缩其间的聚合物电介质层。当电极被一起拉得更近时，电介质聚合物薄膜变得更薄(z轴分量收缩)，这是因为其在平面方向上扩展(x轴和y轴分量扩展)。
图2A至图2B示出了包括具有用户响应于显示屏上的信息、控制或刺激来物理触摸的表面的显示屏232的用户接口设备230的一部分。显示屏234可以是任意类型的触摸板或屏幕面板，例如，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)等。此外，接口设备230的变形可以包括显示屏232，例如，“虚拟的”屏幕，其中，图像被移位(transposed)到屏幕(例如，投影机或图形覆盖物)上。该屏幕可以包括传统的监控器或者甚至具有诸如公共符号或显示等的固定的信息的屏幕。
在任意一种情况下，显示屏232包括框架234(通过直接连接或一个或多个接地元件将屏幕机械连接到设备的外壳或任何其它结构)和将屏幕232耦合到框架或外壳234的电活性聚合物(EAP)换能器236。如本文所述，EAP换能器可以沿着屏幕232的边缘，或者EAP换能器阵列可以被放置为与远离框架或外壳234的屏幕232的一部分接触。
图2A和图2B示出了基本的用户接口设备，其中，封装的EAP换能器236形成了活性垫圈。任意数量的活性垫圈EAP 236可以耦合到触摸屏232与框架234之间。通常，提供足够的活性垫圈EAP 236以产生期望的触感。然而，数量通常将随着特定的应用而改变。在设备的变形中，触摸屏232可以包括显示屏或者传感器板(其中，显示屏将在传感器板之后)。
附图示出了用户接口设备230，该用户接口设备230在无活性状态和活性状态之间循环触摸屏232。图2A示出了用户接口设备230，其中，触摸屏232处于无活性状态。在这种情况下，未对EAP换能器236应用场，从而允许换能器处于休眠状态。图2B示出了某个用户输入触发EAP换能器236进入活性状态之后的用户接口设备230，其中，换能器236使显示屏232在箭头238所示的方向上移动。可选择地，一个或多个EAP换能器236的位移可以改变，以产生显示屏232的定向移动(例如，而不是均匀地移动屏幕232的一个区域的整个显示屏232可以比另一个区域移动更大的程度)。明显地，耦合到用户接口设备230的控制系统可以被配置为以期望的频率循环EAP 236和/或改变EAP 236的偏斜量。
图3A和图3B示出了具有由用于保护显示屏232的柔性隔膜240覆盖的显示屏232的用户接口设备230的另一变形。再次，设备可以包括大量活性垫圈EAP 236，这些活性垫圈EAP将显示屏232耦合到基底或框架234。响应于用户输入，当将电场应用于EAP 236从而引起位移时，沿着隔膜240的屏幕232移动，以使设备230进入活性状态。
图4示出了具有位于显示屏232的边缘附近的弹簧偏置的EAP隔膜244的用户接口设备230的另外变形。EAP隔膜244可以被大概放置在屏幕的边缘、或者仅被放置在允许屏幕产生对用户的触觉反馈的那些位置中。在此变形中，无源适应的垫圈或弹簧244在屏幕232上施加力，从而使EAP隔膜242处于张力状态。当向隔膜提供电场242时(再次，当用户输入生成信号时)，EAP隔膜242松弛以引起屏幕232的移动。如箭头246所示，用户输入设备230可以被配置为在相对于由垫圈244提供的偏置的任何方向上产生屏幕232的移动。此外，少于全部EAP隔膜242的致动产生屏幕232的非均匀移动。
图5示出了用户接口设备230的又一变形。在该实施例中，使用大量顺从性的垫圈244来将显示屏232耦合到框架234，并且用于显示屏232的驱动力是大量EAP致动器的控光装置248。EAP致动器的控光装置248是弹簧偏置的，并且当应用电场时，可以驱动显示屏。如图所示，EAP致动器的控光装置248在弹簧的任意一侧上具有相对的EAP隔膜。在这种配置中，激活EAP致动器的控光装置248的相对侧面形成了在中心点处刚性的装配。EAP致动器的控光装置248像控制人体手臂的移动的相对的二头肌和三头肌一样操作。虽然未示出，但是如第11/085,798号和第11/085,804号美国专利申请所讨论的，致动器的控光装置248可以被堆叠以提供双相输出操作和/或对输出进行放大以在更鲁棒的应用中使用。
图6A和图6B示出了具有在大量点或接地元件252处被耦合到显示器232和框架242之间以在EAP薄膜242中容纳波纹或折叠的EAP隔膜或薄膜242的用户接口230的另一变形。如图6B所示，将电场应用于EAP薄膜242引起波纹方向上的位移并且使显示屏232相对于框架234偏斜。用户接口232可以可选择地包括还耦合到显示屏232与框架234之间的偏置弹簧250和/或覆盖显示屏232的一部分(或全部)的柔性的保护隔膜240。
应当注意的是，上面讨论的附图示意性地示出了使用EAP薄膜或换能器的此类触觉反馈设备的示例性配置。很多变形属于本公开的范围内，例如，在设备的变形中，EAP换能器可以被实现为仅移动传感器板或元件(例如，当用户输入时被触发并且向EAP换能器提供信号的传感器板或元件)而不是整个屏幕或板装配。
在任意应用中，通过EAP元件进行的显示屏或传感器板的反馈移动可以专门地是平面内的(其被感测为横向移动)或者可以是平面外的(其被感测为垂直移动)。可选择地，可以对EAP换能器的材料进行分割以独立地提供可设定可寻址/可移动的部分，从而提供面板元件的角移动或其它类型的移动的组合。此外，可以将任意数量的EAP换能器或薄膜(如本申请和上面列出的专利中所公开的)并入本文所描述的用户接口设备中。
本文所描述的设备的变形允许设备的整个传感器面板(或显示屏)用作触觉反馈元件。这考虑到广泛的多功能性。例如，屏幕可以响应于虚拟键的敲击来跳动一次，或者，屏幕可以响应于屏幕上的诸如滚动条等滚动单元来输出连续的跳动，从而高效地刺激滚轮的机械制动。由于使用了控制系统，因此可以通过读取用户手指在屏幕上的精确位置并且相应地移动屏幕面板以刺激3D结构，来对三维轮廓进行合成。考虑到足够的屏幕位移和较大的屏幕质量，屏幕的反复摆动甚至可以替代移动电话的振动功能。可以将这种功能性应用到文本的浏览，其中，(垂直地)滚动文本的一行是通过触觉“碰撞”来表示的，从而刺激制动器。在视频游戏的情况下，本发明提供了提高的互动和对现有的视频游戏系统中使用的摆动振动马达的更精细的运动控制。在触摸板的情况下，可以通过提供物理提示来改进用户互动和可接近性，特别是用于视觉障碍人群。
EAP换能器可以被配置为转移到应用电压，这有助于对由主题触觉反馈设备使用的控制系统进行编程。例如，软件算法可以将像素灰度级转换为EAP换能器位移，由此屏幕光标的尖端下的像素灰度级的值被连续地测量并通过EAP换能器转化为成比例的位移。通过在触摸板上移动手指，用户可以感觉或感测到大致的3D结构。可以在网页上应用类似的算法，其中，当在图标上移动手指时，将图标的边界作为页面结构或蜂鸣按钮中的凸起反馈回用户。对于普通用户而言，这将提供网上冲浪时的全新的感觉体验，对于视觉损坏的人群而言，这将增加不可缺少的反馈。
由于许多原因，因此对于这些应用而言，EAP换能器是理想的。例如，由于EAP换能器的较轻的重量和最小的部件，因此EAP换能器提供了非常不引人注意的轮廓，并且同样地，对于在感觉/触觉反馈应用中的使用而言是理想的。
图7A和图7B示出了EAP薄膜或隔膜10的结构的实施例。较薄的电活性绝缘薄膜或层12被夹入顺从性的或可伸展的电极面板或层14和16之间，从而形成电容结构或薄膜。电介质层的长度“l”和宽度“w”以及复合结构的长度和宽度远大于其厚度“t”。通常，绝缘层具有范围在约10μm至约100μm的范围中的厚度，其中，该结构的总厚度在从约15μm至约10cm的范围内。此外，期望选择电极14、16的弹性模数、厚度和/或微观几何形态，以使其贡献给致动器的额外的硬度通常小于电介质层12的硬度，但是可能比这些电极中的每个电极要厚，所述电介质层12具有相对低的弹性模数，即，小于约100MPa，并且更典型地小于约10MPa。适于由这些顺从性的电容性结构使用的电极是能够抵挡大于约1％的循环应力而不会由于机械疲劳而失效的电极。
如图7B所示，当将电压应用于电极上时，两个电极14、16中的不同的电荷彼此吸引，并且这些静电吸引力(沿着Z轴)压缩电介质薄膜12。从而使电介质薄膜12在电场改变的情况下偏斜。因为电极14、16是顺从性的，因此它们与电介质层12一起改变形状。一般而言，偏斜是指电介质薄膜12的一部分的任何移动、膨胀、收缩、扭转、线性或区域应力、或者任何其它变形。根据该结构，例如，使用电容性结构10的框架(统称为“换能器”)，该偏斜可以用于产生机械功。上面确定的专利文献中公开并描述了各种不同的换能器结构。
由于应用的电压，因此换能器薄膜10继续偏斜，直到机械力对驱动偏斜的电活性力进行平衡为止。机械力包括电介质层12的弹性恢复力、电极14、16的适应或伸展、以及由耦合到换能器10的设备和/或负载提供的任何外部电阻。由于应用的电压而引起的换能器10的由此产生的偏斜也取决于大量其它因素，例如，电活性材料的介电常量及其大小和硬度。感应电荷和电压差的移除引起相反的效果。
在一些情况下，电极14和16可以相对于电介质薄膜12的整个区域而覆盖薄膜的有限部分。这可以被完成以防止电介质的边缘周围的电击穿或者在其某些部分中实现定制的偏斜。可以使活性区域外的电介质材料(活性区域是具有足够的电活性力来实现该部分的偏斜的电介质材料的一部分)在偏斜期间用作活性区域上的外部弹性力。更具体地说，活性区域外的材料可以通过其收缩或膨胀来抵抗或增强活性区域偏斜。
电介质薄膜12可以被预先拉紧。预先拉紧改善了电能与机械能之间的转换，即，预先拉紧允许电介质薄膜12偏斜更多并且提供更大的机械功。薄膜的预先拉紧可以被描述为在预先拉紧之后在一个方向上的大小相对于在预先拉紧之前在该方向上大小的改变。预先拉紧可以包括电介质薄膜的弹性变形，并且是例如通过在拉伸时拉伸薄膜并且在拉伸时固定边缘中的一个或多个来形成的。可以将预先拉紧施加于薄膜的边缘，或者仅针对薄膜的一部分，并且可以通过使用刚架或者通过使薄膜的一部分变硬来实现预先拉紧。
在本文公开的引用专利和公开物中的很多专利和公开物中，更充分地描述了图7A和图7B的换能器结构及其它类似的适合结构及其构造的细节。
除了上面所描述的EAP薄膜以外，感觉或触觉反馈用户接口设备可以包括被设计为产生横向移动的EAP换能器。例如，如图8A和图8B中所示，各个部件自上而下包括具有弹性薄膜形式的电活性聚合物(EAP)换能器10的致动器30，该换能器将电能转换为机械能(如上所述)。由此产生的机械能是输出元件的物理“位移”的形式，此处是圆盘28的形式。
参照图9A至图9C，EAP换能器薄膜10包括两个工作的较薄的弹性电极对32a、32b以及34a、34b，其中，每个工作对由一薄层(例如，由丙烯酸脂、硅酮、聚氨酯、热塑性弹性体、碳氢化合物橡胶、含氟弹性体等制成的)电活性电介质聚合物26分隔。当将电压差应用于每个工作对的反向充电的电极上(即，应用于电极32a、32b以及电极34a、34b上)时，相对的电极彼此吸引从而压缩其间的电介质聚合物层26。当电极被一起拉得更近时，电介质聚合物26变得更薄(即，z轴分量收缩)，这是因为其在平面方向上扩展(即，x轴和y轴分量扩展)(参照图9B和9C以进行轴参考)。此外，分布在每个电极上的相似的电荷使嵌入到该电极中的导电粒子相互排斥，从而有助于弹性电极和电介质薄膜的膨胀。因而使电介质层26在电场改变的情况下偏斜。由于电极材料也是顺从性的，因此电极层随着电介质层26改变形状。一般而言，偏斜是指电介质层26的一部分的任何移动、膨胀、收缩、扭转、线性或区域应力，或者任何其它变形。该偏斜可以用于产生机械功。
在制造换能器20时，通过两个或更多个相对的刚架侧面8a、8b来将弹性薄膜伸展并保持在预先拉伸的情况下。在这些使用4边的框架的变形中，双轴地伸展薄膜。已经观察到，预先拉伸改进了聚合物层26的电介质强度，从而改进了电能与机械能的转化，即，预先拉伸允许薄膜偏斜更多并且提供更大的机械功。通常，电极材料是在预先拉伸聚合物层之后被应用的，但是可以预先应用。提供在层26的同侧的、在本文称作同侧电极对的两个电极，即，电极层26顶面26a上的电极32a和34a(参见图9B)以及电极层26的底面26b上的电极32b和34b(参见图9C)是通过无活性的区域或间隙25彼此电隔离的。来自两组工作电极对的聚合物层的相对面上的相对电极，即，用于一个工作电极对的电极32a和32b以及用于另一个工作电极对的电极34a和34b。每个同侧的电极对优选地具有相同的极性，而每个工作电极对的电极的极性彼此相反，即，电极32a和32b被反向充电，而电极34a和34b被反向充电。每个电极具有电接触部分35，其被配置为与电源进行电连接(未示出)。
在所示的实施方式中，电极中的每一个具有半圆的配置，其中，同侧的电极对定义实质上圆形的图案，以将位于中心处的坚硬的输出圆盘20a、20b容纳在电介质层26的每个侧面上。其功能在下文中讨论的圆盘20a、20b被固定于聚合物层26的中心暴露的外表面26a、26b，从而将层26夹入到其中。圆盘与薄膜之间的耦合可以是机械的或者可以通过粘结结合来提供。通常，圆盘20a、20b将相对于换能器的框架22a、22b被安排大小。更具体地说，圆盘直径与框架的内环直径的比率将使得对应用于换能器的薄膜10的应力进行充分地分配。圆盘直径与框架直径的比率越大，反馈信号或移动的力越大，但是圆盘的线性位移越低。可替换地，比率越低，输出力越低，线性位移越大。
根据电极的配置，换能器10能够在单相模式或双相模式下操作。通过所配置的方式，输出部件，即上面所描述的主题感觉反馈设备的两个耦合的圆盘20a和20b的横向机械位移大于垂直机械位移。换言之，本发明的感觉/触觉反馈设备的感测的反馈或输出力(由图10中的双头箭头60b指定)在与显示表面232平行且与输入力60a垂直的方向上，代替感觉反馈信号是处于与用户接口的显示表面232垂直且与由用户的手指38(但是在相对或向上的方向上)施加的输入力(由图10中的箭头60a指定)平行的方向上。根据电极对关于与换能器10的平面垂直的轴且相对于操作换能器的显示表面232模式(即，单相或双相)的位置的旋转对准，该横向移动可以在360°内的任意方向上。例如，横向反馈运动相对于用户手指(或者手掌或把手等)的正向可以是从一侧到另一侧或者从上至下(都是双相致动)。虽然本领域技术人员将认识到提供与触觉反馈设备的接触面横切或垂直的反馈位移的某些其它致动器配置，但是如此配置的设备的整个轮廓可以大于上述设计。
图9D至图9G示出了可以被放置在设备的显示屏上的电活性聚合物阵列的实施例。在该实施例中，在EAP致动器阵列中使用的EAP薄膜阵列200(参见图9F)的电压侧200a和接地侧200b分别在本发明的触觉反馈设备中使用。薄膜阵列200包括在基质配置中提供以增加空间和功率效率并简化控制电路的电极阵列。EAP薄膜的高压侧200a提供了在电介质薄膜208材料上(根据图9D中所示的观察点)垂直地运行的电极图案202。每个图案202包括一对高压线202a、202b。EAP薄膜阵列的对侧或接地侧200b提供了在相对于高压电极横向地即水平地运行的电极图案206。
每个图案206包括一对接地线206a、206b。每对相反的高压线和接地线(202a、206a以及202b、206b)提供了独立激活的电极对，以使相反的电极对的激活在箭头212所示的方向上提供双相输出运动。装配的EAP薄膜阵列200(示出了电介质薄膜208的顶面和底面上的电极的交叉图案)被提供在EAP换能器222的阵列204的分解图内的图9F中，EAP换能器222的阵列204在图9G中以其装配的形式被示出。EAP薄膜阵列200被夹入到相反的框架阵列214a、214b之间，其中，每个单独的框架段216处于由开放区域中的位于中心处的输出圆盘218所定义的两个阵列中的每一个阵列中。框架/圆盘段216和电极配置的每个组合形成了EAP换能器222。根据期望的致动器的应用和类型，可以将部件的额外层添加到换能器阵列204。可以将换能器阵列220完整地并入到诸如显示屏、传感器表面或触摸板等的用户接口阵列中。
当以单相模式操作感觉/触觉反馈设备2时，在任何一个时刻将仅激活致动器30的一个工作电极对。可以使用单个高压电源来对致动器30的单相操作进行控制。当应用于所选择的单个工作电极对的电压增加时，换能器薄膜的激活部分(一半)将膨胀，从而在换能器薄膜的无活性部分的方向上共面地移动输出圆盘20。图11A示出了当可选择地以单相模式致动两个工作电极对时，致动器30的感觉反馈信号(即，输出圆盘位移)相对于中心位置的力-冲程关系。如图所示，输出圆盘的各自的力和位移彼此相等，但是处于相反的方向上。图11B示出了当在该单相模式下操作时所应用的电压与致动器的输出位移的由此产生的非线性关系。通过共用的电介质薄膜的方式使两个电极对“机械”耦合可以使输出圆盘在相反的方向上移动。因此，当操作两个电极对时，虽然这两个电极对相互独立，但是向第一工作电极对施加电压(相位1)将使输出圆盘20在一个方向上移动，而向第二工作电极对施加电压(相位2)将使输出圆盘20在相反的方向上移动。如图11B的各个图形所反应的，当电压是线性地变化时，致动器的位移是非线性的。还可以通过两个相位的同步运行来对输出圆盘在移动期间的加速度进行控制，从而提高触觉反馈效果。还可以将致动器划分为两个以上的相位，这些相位可以被独立地激活以实现输出圆盘的更复杂的运动。
为了实现输出元件或部件的更大的位移，并且因此向用户提供更大的感觉反馈信号，在双相模式下操作致动器30，即，同时激活致动器的两个部分。图11C示出了当在双相模式下操作致动器时输出圆盘的感觉反馈信号的力-冲程关系。如图所示，在该模式下致动器的两个部分32、34的力和冲程都处于相同的方向上，并且具有当在单相模式下操作时的致动器的力和冲程的幅度的两倍。图11D示出了施加的电压与当在该双相模式下操作时的致动器的输出位移之间的由此产生的线性关系。通过例如以图13的框图40中所示的方式将致动器的机械耦合的部分32、34进行串联地电连接并且控制其共用节点55，共用节点55的电压与(无论在什么配置中的)输出元件的位移(或阻塞力)之间的关系达到线性相关。在该操作模式下，致动器30的两个部分32、34的非线性电压响应高效地彼此抵消，以产生线性电压响应。由于使用了控制电路44和开关装配46a、46b(致动器的每一个部分对应于一个)，该线性关系允许通过使用通过控制电路供应给开关装配的不同类型的波形，来精细调整并调节致动器的性能。使用电路40的另一个优点是能够减小操作感觉反馈设备所需的开关电路和电源的数量。在没有使用电路40的情况下，将需要两个独立的电源和四个开关装配。因此，减小了电路的复杂性和成本，同时改进了控制电压与致动器位移之间的关系，即，使得该关系更加线性。另一个优点是在双相操作期间，致动器获得同步性，这消除了可能降低性能的延迟。
图12A至图12C示出了双相电活性聚合物换能器的另一变形。在该变形中，换能器10包括与电介质薄膜96有关的第一电极对90和与电介质薄膜96有关的第二电极对92，其中，两个电极对90和92处于棒或机械元件94的对面上，这促进了与另一结构的耦合从而传递移动。如图12A所示，电极90和92都处于相同的电压(例如，都处于0电压)。在第一相位中，如图12B所示，对一个电极对92通电以使薄膜膨胀并且将棒94移动距离D。第二电极对90是通过连接到薄膜但是处于0电压的属性来压缩的。图12C示出了第二相位，在该第二相位中，第一电极92对的电压被减小或断开同时应用于第二电极对90的电压被通电。该第二相位与第一相位同步，以使位移是D的两倍。图12D示出了随着时间的推移图12A至图12C的换能器10的位移。如图所示，当在相位1期间对第一电极92通电时，相位1因将棒94移动量D而出现。在时刻T1时，相位2开始出现，并且与减小第一电极92的电压同步地给相反的电极90通电。棒94在两个相位期间的净位移是2×D。
各种类型的机构可以用于发送来自用户的输入力60a，以实现期望的感觉反馈60b(参见图10)。例如，电容性或电阻性传感器50(参见图13)可以被容纳在用户接口垫4中，以感测由用户输入的、施加于用户接触面上的机械力。将来自传感器50的电输出52供应给控制电路44，该控制电路44相应地触发开关装配46a、46b，以根据由控制电路提供的模式和波形将来自电源42的电压施加到感觉反馈设备的各自的换能器部分32、34。
本发明的另一变形包括对EAP致动器进行密封以使可能发生在EAP薄膜上的湿度或湿气凝结度的任何作用最小化。对于下面所描述的各个实施方式而言，实质上与触觉反馈设备的其它部件分离地将EAP致动器密封在阻挡薄膜中。阻挡薄膜或包装可以由例如箔制成，该箔优选地被热密封等以使泄露到密封的薄膜中的湿气最小化。阻挡薄膜或包装的一部分可以是由顺从性的材料制成，以允许包装内的致动器与包装外的点的改进的机械耦合。这些设备实施方式中的每一个实现了致动器的输出元件的反馈运动与诸如键盘等的用户输入表面的接触面的耦合，同时使密封的致动器组件中的任何折衷最小化。还提供了用于将致动器的运动耦合到用户接口的接触面的各种示例性的方式。关于方法，主题方法可以包括与所描述的设备的使用相关联的机械和/或活动中的任意一个。同样地，隐式地使用所描述的设备的方法形成了本发明的一部分。其它方法可以集中在这些设备的制造。
图14A示出了耦合到用户输入设备190的EAP致动器的平面阵列204的实施例。如图所示，EAP致动器的阵列204覆盖屏幕232的一部分，并且通过托脚256被耦合到设备190的框架234。在该变形中，托脚256允许清除致动器204和屏幕232的移动。在设备190的一个变形中，致动器的阵列204可以是用户接口表面或屏幕232之后的多个离散的致动器或者致动器阵列，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可以考虑作为在垂直于屏幕232的方向上的移动的替换或者与该移动相结合，沿着轴移动屏幕232。
迄今所描述的换能器/致动器的实施方式具有耦合到EAP换能器薄膜的活性区域(即，包括覆盖电极的区域)和无活性区域的无源层。在换能器/致动器也已经使用坚硬的输出结构的情况下，该结构已经被放置在位于活性区域上的无源层的区域上。此外，这些实施方式的活性/可激活的区域已经被放置在无活性区域的中心处。本发明还包括其它换能器/致动器配置。例如，无源层可以仅覆盖活性区域或者仅覆盖无活性区域。此外，EAP薄膜的无活性区域可以位于活性区域的中心处。
参照图15A和图15B，提供了用于根据本发明的一个实施方式将电能转换为机械能的表面变形EAP致动器10的示意表示。致动器10包括EAP换能器12，该EAP换能器12具有较薄的弹性电介质聚合物层14和分别附加到电介质14的顶表面和底表面的一部分上的电介质14的顶部电极16a和底部电极16b。包括电介质和至少两个电极的换能器12的一部分在本文中被称作活性区域。本发明的换能器中的任何一个换能器可以具有一个或多个活性区域。
当将电压差施加到重叠和反向充电的电极16a、16b(活性区域)上时，相反的电极相互吸引，从而压缩其间的电介质聚合物层14的这部分。当电极16a、16b(沿着z轴)被一起拉得更近时，它们之间的电介质层14的这部分变得更薄，这是因为其在平面方向上(沿着x轴和y轴)扩展。对于不能压缩的聚合物，即在压力下具有基本上恒定的体积的聚合物而言，或者对于在框架等中的以其它方式可压缩的聚合物而言，该操作使顺从性的电介质材料位于活性区域(即，由电极覆盖的区域)外部，特别在活性区域的边缘的周边，即，紧邻活性区域的边缘的周边，从而在(垂直于由换能器薄膜定义的平面的)厚度方向上异面地移动或凸出。该凸出产生电介质表面特征24a-d。虽然示出了活性区域相对局部的异面表面特征24，但是异面平面并不总是位于如图所示的位置处。在一些情况下，如果聚合物被预先拉伸，则在电介质材料的无活性部分的表面区域上分配表面特征24a-b。
为了放大主题换能器的表面特征的垂直轮廓和/或可见度，可以将可选择的无源层添加到换能器薄膜结构的一面或两面，其中，无源层覆盖EAP薄膜表面区域的全部或一部分。在图15A和图15B的致动器实施方式中，分别将顶部无源层18a和底部无源层18b附加到EAP薄膜12的顶面和底面上。通过无源层18a、18b的增加的厚度，来将致动器的激活和电介质层12的由此产生的表面特征17a-d进行放大，如由图15B中的参考编号26a-d所标记的。
除了提高的聚合物/无源层表面特征26a-d以外，EAP薄膜12可以被配置为使一个或两个电极16a、16b被减小到电介质层的厚度以下。同样地，当致动EAP薄膜12和电介质材料14的由此产生的偏斜时，被减小的电极或其一部分提供电极表面特征。电极16a、16c可以被组成图案或设计为产生定制的换能器薄膜表面特征，该换能器薄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和图15B的致动器实施方式10中，提供一个或多个结构20a、20b以促进顺从性的无源板层与坚硬的机械结构之间的功的耦合，并且指导致动器的功输出。此处，顶部结构20a(其可以是平台、棒、杠杆、杆等的形式)用作输出元件，同时底部结构20b用于将致动器10耦合到诸如地面等的固定的或坚硬的结构22。这些输出结构不需要是离散的部件，而是可以与致动器期望驱动的结构集成或形成整体。结构20a、20b还用于定义由无源层18a、18b形成的表面特征26a-d的边缘或形状。在所示的实施方式中，当集合的致动器堆栈产生致动器的无活性部分的厚度的增加时，如图15B所示，由致动器在致动时所经历的高度的净变化Δh是负的。
本发明的EAP换能器可以具有适合的结构来提供期望的厚度模式致动。例如，一个以上的EAP薄膜层可以用于制造在更复杂的应用中使用的换能器，例如，具有集成感测能力的键盘键，其中，额外的EAP薄膜层可以用作电容性传感器。
图16A示出了这种根据本发明使用具有双EAP薄膜层34的堆叠的换能器32的致动器30。双层包括两个电介质弹性体薄膜，其具有被分别夹入到顶部电极34b和底部电极34c之间的顶部薄膜34a以及被分别夹入到顶部电极36b与底部电极36c之间的底部薄膜36a。提供了传导轨迹或层对(统称为“总线”)，以将电极耦合到电源的高压侧和接地侧(电源未示出)。将总线条放置在各自的EAP薄膜的“无活性”部分上(即，顶部电极和底部电极未重叠的部分)。分别将顶部总线条42a和底部总线条42b放置在电介质层34a的顶面和底面上，并且分别将顶部总线条44a和底部总线条44b放置在电介质层36a的顶面和底面上。通过传导弹性体通路(via)68a(如图16B所示)，通过总线条42a和44a的互耦，使电介质层34a的顶部电极34b和电介质36a的底部电极36c，即两个面向外的电极共同偏振，下面将参照图17A至17D来详细描述其形成。还通过传导弹性体通路68b(如图16B所示)，通过总线条42b和44b的互耦，使电介质34a的底部电极34c和电介质36a的顶部电极36b，即两个面向内的电极共同偏振。陶瓷材料66a、66b被用于对通路68a、68b进行密封。当操作致动器时，每个电极对的相反的电极在电压被施加时被拉在一起。为了安全的目的，可以将接地电极放置在堆栈的外部，以在其达到高压电极之前将任何穿刺目标接地，从而消除电击危险。两个EAP薄膜层可以通过膜与膜的粘贴40b被粘贴在一起。粘贴层可以可选择地包括无源层或板层以提高性能。顶部无源层或板层50a和底部无源层52b通过粘贴层40a和粘贴层40c被粘贴到换能器结构。可以分别通过粘贴层48a、48b来分别将输出棒46a、46b耦合到顶部无源层和底部无源层。
本发明的致动器可以使用任意适当数量的换能器层，其中，层的数量可以是偶数或奇数。在换能器层的构造中，可以使用一个或多个共用接地电极和总线条。此外，在安全不是问题的情况下，可以将高压电极放置在换能器堆栈的外部，以更好地适应特殊的应用。
为了可操作，致动器30必须被电耦合到电源和控制电子设备(均未示出)。这可以通过致动器或PCB上的电子迹线或电线或者将高压和接地通路68a、68b耦合到电源或中间连接的花线连接器62来完成。可以用保护屏障材料来封装致动器30，以对其进行密封从而远离潮湿和环境污染物。此处，保护屏障包括顶盖60和底盖64，其被优选地密封在PCB/花线连接器62的周围，以保护致动器远离外力和应力和/或环境暴露。在一些实施方式中，保护屏障可以是不能渗透的，以提供密封。这些覆盖物可以具有略微坚硬的形式以保护致动器30以防止有形损坏，或者可以是顺从性的，以给致动器30的致动位移留出空间。在一个特定的实施方式中，顶盖60是由成形的箔制成，而底盖64是由顺从性的箔制成，反之亦然，其中，两个覆盖物然后被热密封到板/连接器62。还可以使用诸如金属化的聚合物薄膜、PVDC、Aclar、苯乙烯或烯烃共聚物、聚酯和聚烯烃等的很多其它包装材料。顺从性的材料用于覆盖转化致动器输出的输出结构，此处，棒46b。
诸如刚刚描述的致动器30等的本发明的堆叠的致动器/换能器结构的传导部件/层通常是经由通过堆栈结构形成的电子通路(图16B中的68a和68b)来耦合的。图17a至图19示出了用于形成通路的本发明的各种方法。
参照图17A至图17D描述了在图16B的致动器30中使用的类型的传导通路的形成。在将致动器70(此处，是通过单个薄膜换能器构造的，其中直径地定位的总线条76a、76b被置于电子层74的无活性部分的相对侧上，其被共同夹入无源层78a、78b之间)层压到PCB/花线连接器72之前或之后，堆叠的换能器/致动器结构70通过其整个厚度被激光钻孔80到PCB 72，以形成通孔82a、82b，如图17B所示。还可以使用用于创建通孔的其它方法，例如，机械钻孔、冲孔、成型、穿刺和取芯。然后，通过任何适合的分配方法，例如，通过喷射，使用诸如硅酮中的碳粒子等传导材料来填充这些通孔，如图17C所示。然后，如图17D所示，使用诸如硅酮等任何顺从性的非传导材料来可选择地封装86a、86b传导填充通路84a、84b，以对通路的暴露端进行电隔离。可选择地，非传导带可以被放置在暴露的通路上。
可以使用标准的电气布线来代替PCB或花线连接器，以将致动器耦合到电源和电子设备。图18A至图18D示出了使用这些实施方式来形成电子通路和到电源的电气连接的各个步骤，其中，与图17A至图17D的部件和步骤相似的部件和步骤具有相同的参考编号。此处，如图18A所示，只需要对通孔82a、82b进行钻孔以达到触及总线84a、84b的程度的致动器厚度内的深度。然后，使用如图18B所示的传导材料来对通孔进行填充，此后，如图18C所示，将引线88a、88b插入到沉淀的传导材料中。然后，如图18D所示，可以对传导填充通路和引线进行封装。
图19示出了在本发明的换能器中提供传导通路的另一种方式。换能器100具有绝缘薄膜，该绝缘薄膜包括具有夹在电极106a、106b之间的部分的电介质层104，电极106a、106b相应地被夹在无源聚合物层110a、110b之间。传导总线条108被提供在EAP薄膜的无活性区域上。手动地或者通过使换能器的一侧达到穿透总线条材料108的深度，来驱动具有穿刺配置的传导接触114。传导轨迹116沿着PCB/花线连接器112从穿刺接触114的暴露端开始延伸。这种形成通路的方法特别有效，这是因为其消除了对通孔进行钻取、对通孔进行填充、将传导电线放置在通孔中以及封装通孔的步骤。
本发明的EAP换能器在具有任何适合的构造和表面特征表示的各种致动器应用中是可用的。图20A至图24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觉或触觉反馈应用中使用的按钮致动器是理想的，在所述应用中，用户物理地接触诸如键盘、触摸屏、电话等设备。换能器120是由较薄的弹性电介质聚合物层122以及顶部电极图案124a和底部电极图案124b(底部电极图案被显示在幻影(phantom)中)形成，最佳地如图20B中的单独的图中所示。电极图案124中的每一个提供了干(stem)部分125，该干部分具有形成同心图案的多个相对延伸的指状物部分127。两个电极的干被相互作为直径定位在圆形电介质层122的相对面上，其中，电极各自的指状物部分彼此同位格对准，以产生图20A中所示的图案。虽然在该实施方式中的相对的电极图案彼此相同并且对称，但是可以设想其它的实施方式，在这些实施方式中，相对的电极图案在形状和/或其所占用的表面积的量上是不对称的。两个电极材料在其中未重叠的换能器材料的部分定义了换能器的无活性部分128a、128b。将电接触126a、126b提供在两个电极的干部分中的每一个的底部处，以用于将换能器电耦合到电源和控制电子设备(均未示出)。当换能器被激活时，相对的电极指状物被拉在一起，从而使用换能器凸起的无活性部分128a、128b来压缩其间的电介质材料122，以根据需要在按钮的周边附近和/或按钮的内部形成表面特征。
按钮致动器可以具有单输入或接触面的形式，或者可以以具有多个接触面的阵列形式来提供按钮致动器。当以阵列的形式来构造时，图20A的按钮换能器对于在用于各种用户接口设备诸如计算机键盘、电话、计算器等的如图21所示的键盘致动器130中使用是理想的。换能器阵列132包括具有互联的电极图案的顶部阵列136a和电极图案的底部阵列136b(如幻影所示)，其中，两个阵列彼此相对以使用所描述的活性部分和无活性部分来产生图20A的同心换能器图案。键盘结构可以在换能器阵列132的顶部上具有无源层134的形式。无源层134可以具有其自己的表面特征，例如，键盘边缘138，在无源状态下，该表面特征凸起，以使用户能够将他/她的手指与单独的键区触觉地对准，和/或在激活时进一步放大各自的按钮的边缘的凸起。当键被按下时，键所处的各自的换能器被激活，从而引起上面所描述的厚度模式凸起，以将触感提供回用户。可以通过这种方式来提供任意数量的换能器，并且这些任意数量的换能器被分隔以适应正在使用的键盘134的类型和大小。于2008年6月27日提交的、题为“ELECTROACTIVE POLYMER TRANSDUCERS FOR SENSORYFEEDBACK APPLICATIONS”的美国专利申请中公开了用于这些换能器阵列的制造技术的实施例，该专利申请通过引用的方式被完整地并入本文。
本领域技术人员将清楚的是，本发明的厚度模式换能器无需是对称的，并且可以呈现任何结构和形状。可以在诸如图22中所示的新颖的手动设备140等任何可想象的新颖应用中使用主题换能器。提供了人手形式的电介质材料142，其具有类似的手形的顶部电极图案144a和底部电极图案144b(在幻影中示出了下侧图案)。电极图案中的每一个被分别电耦合到总线146a、146b，总线146a、146b相应地被电耦合到电源和控制电子设备(均未示出)。此处，相对的电极图案彼此对准或者位于彼此之上而不是彼此插入，从而创建交替的活性区域和无活性区域。同样地，在整个手轮廓上即在无活性区域上提供凸起表面特征，而不是仅在图案的内部边缘和外部边缘上创建凸起表面特征作为总体。应当注意的是，该示例性的应用中的这些表面特征可以提供视觉反馈而不是触觉反馈。可以预期的是，可以通过色彩、反光材料等来提高视觉反馈。
可以通过常用的基于网络的制造技术来高效地大量生产本发明的换能器薄膜，特别是在换能器的电极图案是均匀的或重复的情况下。如图23所示，可以以连续带的形式来提供换能器薄膜150，其具有被沉淀或形成在电介质材料152的带上的连续的顶部电气总线156a和底部电气总线156b。最通常地，通过由电耦合到各自的总线156a、156b的顶部电极图案154a、底部电极图案154b所形成的离散的(即，非连续的)但重复的活性区域158来定义厚度模式特征；其大小、长度、形状和图案可以被定制以用于特定的应用。然而，可以设想的是，可以以连续的图案来提供活性区域。可以通过已知的基于网络的制造技术，来形成电极和总线图案，然后还可以通过诸如沿着选择的单切封装线155来切割带150等已知的技术，来对单独的换能器进行单切封装。应当注意的是，在沿着带连续地提供活性区域的情况下，需要以高度的精确度来对带进行切割，以避免使电极短路。这些电极的切割端可能需要封装或以其它方式被深腐蚀以避免跟踪问题。然后，将总线156a、156b的切割终端耦合到电源/控制源以实现对由此产生的致动器的致动。
在单切之前或之后，该带或单切的带部分堆满了任意数量的其它换能器薄膜带/带部分，以提供多层结构。然后，如果希望，则可以将堆叠的结构层压或机械耦合到致动器的坚硬的机械部件，例如，输出棒等。
图24示出了主题换能器的另一个变形，在该主题换能器中，换能器160是由一条电介质材料162制成，其具有以矩形图案排列的带的相对面上的顶部电极164a和底部电极164b，从而构造开口区域165。电极中的每一个分别终止于电气总线166a、166b，其具有用于耦合到电源和控制电子设备(均未示出)的电气接触点168a、168b。延伸到有界区域165上的无源层(未示出)可以在换能器薄膜的任意一面上使用，从而形成垫圈配置，用于对输出棒(也未示出)进行环境保护和机械耦合。如所配置的，换能器的激活沿着换能器带的内边缘和外边缘169产生表面特征和活性区域164a、164b的厚度的减小。应当注意的是，垫圈致动器不需要是连续的单个致动器。一个或多个离散的致动器也可以用于将可以可选择地使用无活性的顺从性的垫圈材料来密封的区域的边缘形成直线。
在上面引用的第12/163,554号美国专利申请中公开了其它垫圈型的致动器。这些类型的致动器适合用于在手持式多媒体设备、医疗仪器、公用电话亭或自动仪表板、玩具和其它新颖的产品等中应用的例如具有触摸传感器板、触摸板和触摸屏的感觉(例如，触觉或振动)反馈应用。
图25A至图25D是使用本发明的厚度模式致动器的变形的触摸屏的横截面图，其中，在四个附图中，相同的参考编号是指相同的部件。参照图25A，触摸屏设备170可以包括通常由玻璃或塑料材料制成的触摸传感器板174以及可选择地液晶显示器(LCD)172。这两个设备被堆叠在一起，并且由在其间定义了开放空间176的EAP厚度模式致动器180分隔开。集合的堆叠结构是由框架178结合在一起的。致动器180包括换能器薄膜，其是由通过电极对184a、184b被夹入到中心处的电介质薄膜层182形成。换能器薄膜相应地被夹入到顶部无源层186a和底部无源层186b之间，并且进一步被保持在一对输出结构188a、188b之间，其中，这对输出结构188a、188b被分别机械地耦合到触摸板174和LCD 172。图25A的右侧示出了当致动器是无活性的时LCD和触摸板的相对位置，而图25A的左侧示出了当致动器是活性的时，即当用户在箭头175的方向上按压触摸板174时，这些部件的相对位置。从附图的左侧显而易见的是，当致动器180是被激活时，电极184a、184b被拉在一起，从而压缩其间的电子薄膜182的一部分，同时在活性区域的外部的电介质材料和无源层186a、186b中创建表面特征，这些表面特征通过由输出块188a、188b引起的压缩力被进一步提高。同样地，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，这响应于按压触摸板，给用户提供了触感。
图25B的触摸屏设备190具有与图25A的触摸屏设备相似的结构，其差别在于LCD 172全部位于由矩形(或者正方形等)形状的厚度模式致动器180构造的内部区域中。同样地，当设备处于无活性状态时，LCD 172和触摸板174之间的间隔176(如附图的右侧所示)明显小于图25A的实施方式中的间隔，从而提供不引人注意的轮廓设计。此外，致动器的底部输出结构188b直接位于框架178的后壁178′。不论两个实施方式之间的结构差别如何，设备190与设备170类似地作用，其原因在于，响应于按压触摸板，致动器的表面特征在与箭头185相反的方向上提供了微小的触觉力。
刚刚描述的两个触摸屏设备是单相设备，这是因为它们在单个方向上起作用。主题垫圈型致动器中的两个(或更多个)可以协力地被使用，以产生如图25C所示的双相(双向)触摸屏设备200。设备200的结构与图25B的设备的结构相似，但是外加了位于触摸板174的顶上的第二厚度的模式致动器180′。通过具有额外的向内延伸的顶部侧翼178″的框架178，来使两个致动器和触摸板174保持堆叠关系。同样地，触摸板174被分别直接夹入到致动器180、180′的最里面的输出块188a、188b′之间，同时致动器180′的最外面的输出块188b、188a′分别支持框架元件178′和178″。该封闭垫圈排列使灰尘和碎片保持在空间176内的光学路径的范围外。此处，附图的左侧示出了活性状态下的底部致动器180和无活性状态下的顶部致动器180′，其中，使传感器板174在箭头195的方向上朝LCD 172移动。相反地，附图的右侧示出了无源状态下的底部致动器180和有源状态下的顶部致动器180′，其中，使传感器板174在箭头195′的方向上远离LCD 172移动。
图25D示出了另一双相触摸传感器设备210，但是具有面向垂直于触摸传感器板的电极的一对厚度模式带致动器180。此处，触摸板174的双相或双向移动如箭头205所示是共面的。为了实现这种共面的运动，将致动器180定位为使其EAP薄膜的平面与LCD 172和触摸板174的那些平面垂直。为了维持该位置，致动器180保持在框架178的侧壁202与触摸板174所处的内部框架元件206之间。虽然内部框架元件206被固定于致动器180的输出块188a，但是其和触摸板174相对于外部框架178是“浮动的”，以允许共面或横向运动。该结构提供了相对紧凑的不引人注意的轮廓设计，这是因为其消除了额外的清除，这对于通过触摸板174进行的双相异面运动是必要的。对于双相运动而言，两个致动器相反地工作。板174和支架206的组合装配使致动器带180相对于框架178的侧壁202保持微小的压缩。当一个致动器是活性的时，其压缩或者进一步变薄，同时由于所存储的压缩力，另一个致动器膨胀。这将板装配向活性致动器移动。该板通过去激活第一致动器并且激活第二致动器来在相反的方向上移动。
图26A和图26B示出了换能器的无活性区域位于活性区域的内部或中心处(即EAP薄膜的中心部分缺乏重叠电极)的变形。厚度模式致动器360包括EAP换能器薄膜，该EAP换能器薄膜包括夹入到电极层364a、354b之间的电介质层362，其中，薄膜的中心部分365是无源的并且缺乏电极材料。通过顶部框架元件366a、底部框架元件366b中的至少一个，使EAP薄膜保持在拉紧或伸张状态下，以共同地提供暗盒配置。覆盖薄膜的无源部分365的顶面和底面中的至少一个的是分别具有可选择的坚硬约束的无源层368a、368b或者安装于其上的输出元件370a、370b。在EAP薄膜被暗盒框架366约束在边缘处的情况下，当被激活时(参见图26B)，EAP薄膜的压缩使得薄膜材料如箭头367a、367b所示向内收缩，而不是如同前面所描述的致动器实施方式一样向外。压缩的EAP薄膜紧密结合在无源材料368a、368b上，从而使其直径减小并使其高度增加。配置中的这种改变分别向输出元件370a、370b施加向外的力。如同前面所描述的致动器实施方式一样，可以以堆叠或平面的关系成倍地提供无源耦合的薄膜致动器，以提供多相致动器和/或增加致动器的输出力和/或冲程。
可以通过对电介质薄膜和/或无源材料进行预应变，来提高性能。致动器可以用作键或按钮设备，并且可以与诸如隔膜开关等传感器设备堆叠或集成在一起。底部输出元件或底部电极可以用于向隔膜开关提供足够的压力，以完成电路，或者如果底部输出元件具有传导层则可以直接完成电路。可以在用于诸如键区或键盘等应用的阵列中使用多个致动器。
在第2005/0157893号美国专利申请公开中公开的各种电介质弹性体材料和电极材料适合于由本发明的厚度模式换能器使用。通常，电介质弹性体包括任何实质上绝缘的顺从性的聚合物，例如，硅橡胶和丙烯酸，其响应于静电力而变形或者其变形导致电场的改变。在设计或选择顺从性的聚合物时，技术人员可以考虑最佳的材料、物理特性和化学特性。这些特性可以通过明智地选择单体(其包括任何支链)、添加剂、横向耦合的程度、结晶度、分子量等来调整。
本文描述的且适合于使用的电极包括构造的电极，这些电极包括金属迹线和电荷分布层、纹理填充电极、诸如碳油脂或银油脂等传导油脂、胶状悬浮体、诸如传导的黑烟末、碳纤维、碳纳米管、石墨和金属纳米线等高纵横比传导材料以及离子传导材料的混合物。电极可以是由诸如包括碳粒子或其它传导粒子的弹性体基质等的顺从性的材料制成。本发明还可以使用金属和半僵硬的电极。
例如，用于主题换能器的示例性的无源层材料包括但不限于硅酮、苯乙烯或烯族共聚物、聚氨酯、丙烯酸酯、橡胶、柔软的聚合物、柔软的弹性体(凝胶)、柔软的聚合物泡沫或者聚合物/凝胶混合物。无源层和电介质层的相对弹力和厚度被选择为实现期望的输出(例如，期望的表面特征的净厚度或薄度)，其中，输出响应可以被设计为是线性的(例如，将无源层的厚度按比例放大为当被激活时的电介质层的厚度)或非线性的(例如，无源层和电介质层以变化的速率变得更薄或更厚)。
关于方法，主题方法可以包括与所描述的设备的使用相关联的机械和/或活动中的每一个。同样地，隐式地使用所描述的设备的方法形成了本发明的一部分。其它方法可以集中于这些设备的制造。
至于本发明的其它细节，材料和可替换的相关配置可以在相关领域的技术人员的水平范围内使用。在一般或逻辑使用的额外操作方面，这些对于本发明的基于方法的方面可以是成立的。此外，虽然已经参照可选择地并入各种特性的几个实施例对本发明进行了描述，但是本发明不限于所描述的或指出的关于本发明的每个变形所设想的实施例。在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变，并且可以对等同形式(无论在本文中被引用或者为了一些简洁而未被包含在本文中)进行替换。可以将所示的任意数量的单独部分或子组件集成到其设计中。可以针对该组件通过设计原则来进行或指导这些改变或其它改变。
在另一变形中，暗盒装配或致动器360可以适用于在振动按钮、键、触摸板、鼠标或其它接口中提供触觉响应。在该实施例中，对致动器360进行耦合使用不可压缩的输出几何结构。该变形通过使用被铸造成输出几何结构的不可压缩的材料，来提供没有电活性聚合物控光装置暗盒的接合的中心约束的替代。
在没有中心圆盘的电活性聚合物致动器中，致动在电极几何结构的中心处改变了无源薄膜的状态，从而减小应力和应变(力和位移)二者。该减小在薄膜的平面的所有方向上而不仅在单个方向上发生。当对电活性聚合物进行放电时，无源薄膜然后返回至原始应力和应变能量状态。可以使用不可压缩的材料(在应力下具有基本上恒定的体积的材料)来构造电活性聚合物致动器。致动器360被装配有不可压缩的输出板368a、368b，这些输出板在无活性区域365中的致动器360的中心处被接合到无源薄膜区域，从而替代中心圆盘。该配置可以用于通过在其具有无源部分365的接口处压缩输出板来传递能量。这使输出板368a和368b膨胀，以在垂直于扁平薄膜的方向上创建致动。可以通过给各个表面添加约束以控制其在致动期间改变的方向，来进一步增强不可压缩的几何结构。对于上面的实施例而言，添加非顺从性的增强板来限制输出板的顶表面防止了该表面改变其大小，从而将几何结构的改变集中于输出板的期望大小。
上面所描述的变形还可以允许在致动时电活性聚合物电介质弹性体的二轴应力和应变状态改变的耦合；垂直于致动方向的传输致动；不可压缩的几何结构的设计以优化性能。上面所描述的变形可以包括各种换能器平台，其包括：控光装置、平面的惯性驱动、厚度模式、混合体(在所附的公开内容中描述的平面和厚度模式的组合)以及甚至对于任何触觉反馈(鼠标、控制器、屏幕、板、按钮、键盘等)的滚动。这些变形可能移动诸如触摸屏、键区、按钮或键帽等用户接触面的特定部分，或者移动整个设备。
不同的设备实现可能需要不同的EAP平台。例如，在一个实施例中，厚度模式致动器的带可能给触摸屏、混合物或平面致动器提供异面运动，以给键盘上的按钮提供击键感觉，或者提供惯性致动设备以在鼠标和控制器中提供振动(rumbler)反馈。
图27A示出了用于给各个用户接口设备提供触觉反馈的换能器的另一个变形。在该变形中，块或重量262被耦合到电活性聚合物致动器30。虽然所示的聚合物致动器包括薄膜暗盒致动器，但是设备的可替换的变形可以使用如在上面公开的EAP专利和应用中所描述的弹簧偏置的致动器。
图27B示出了图27A的换能器装配的分解图。如图所示，惯性换能器装配260包括夹入到两个致动器30之间的块262。然而，设备的变形包括一个或多个致动器，这取决于块的任意一面上的期望的应用。如图所示，致动器被耦合到惯性块262并且经由底座或凸缘被固定。致动器30的致动使块相对于致动器在x-y方向上移动。在额外的变形中，致动器可以被配置为给块262提供垂直或z轴移动。
图27C示出了图27A的惯性换能器装配260的侧视图。在该示意图中，所示的装配具有包围致动器30和惯性块262的中心外壳266和顶部外壳268。此外，所示的装配260具有固定装置或紧固件270，其通过开口或孔24在外壳和致动器内延伸。孔24可以提供多个功能。例如，孔可以仅用于安装的目的。可选择地或结合地，孔可以将致动器电耦合到电路板、花线电路或机械地面。图27D示出了图27C的惯性换能器装配260的透视图，其中，惯性块(未示出)位于外壳装配264、266和268内。外壳装配的部分可以提供多个功能。例如，除了提供机械支撑和安装以及附件特征以外，它们可以包括用作机械硬止动装置(stop)以防止可能损坏致动器暗盒的惯性块在x、y和/或z方向上的过多移动的特征。例如，外壳可以包括凸出的表面以限制惯性块的过多移动。在所示的实施例中，凸起的表面可以包括包含孔24的外壳的一部分。可替换地，孔24可以可选择地被放置为使位于其间的任何紧固件270用作用于限制惯性块的移动的高效止动装置。
也可以使用集成的边缘或延长物来设计外壳装配264和266，其中集成的边缘或延长物覆盖致动器的边缘以防止在操作时的电震。这些部分的任何或全部部分也可以作为诸如消费电子设备的外壳等更大的装配的外壳的一部分被集成。例如，虽然所示的外壳被显示为是将被安装在用户接口设备内的独立的部件，但是换能器的可替换的变形包括作为实际的用户接口设备的外壳的组成部分或一部分的外壳装配。例如，计算机鼠标的主体可以被配置为用作惯性换能器装配的外壳。
惯性块262还可以提供多个功能。虽然在图27A和图27B中示为圆形，但是可以将惯性块的变形制造为具有更复杂的形状，以使其具有组合的特征，该特征用作对其在x、y和/或z方向上的运动进行限制的机械硬止动装置。例如，图27E示出了包括具有与外壳264的止动装置或其它特征啮合的成形表面263的惯性块262的惯性换能器装配的变形。在所示的变形中，惯性块262的表面263与紧固件270啮合。因此，惯性块262的位移被限制于成形表面263与止动装置或紧固件270之间的间隙。砝码的质量可以被选择为调节整个装配的谐振频率，并且构造的材料可以是任何密致材料，但是优选地被选择为使所需的体积和成本最小化。适合的材料包括金属和金属合金，例如，铜、钢、钨、铝、镍、铬和黄铜，并且可以使用聚合物/金属复合材料、树脂、液体、凝胶或者其它材料。
用于电活性聚合物触觉的滤波器声音驱动波形
本文所描述的发明的方法和设备的另一个变形包括以改进反馈的方式来对致动器进行驱动。在一个此类实施例中，触觉致动器是由声音信号驱动的。这种配置消除了对用于生成波形以产生不同类型的触感的单独的处理器的需要。相反，触觉设备可以使用一个或多个电路来将现有的音频信号修改为经修改的触觉信号，例如，对频谱的不同部分进行滤波或放大。因此，然后，经修改的触觉信号对致动器进行驱动。在一个实施例中，经修改的触觉信号对电源进行驱动，以触发致动器来实现不同的感觉效果。该方法的优点是，能够自动地与可以对反馈进行增强的任何音频信号进行相关或同步，所述反馈来自诸如游戏控制器或手持式游戏机等的触觉设备中的音乐或声音效果。
图28A示出了用于对音频信号进行调谐以在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实施例。所示的电路通过幅度截止、DC偏移调节和AC波形峰间值幅度调节来调节音频信号，以产生与图28B中所示的信号类似的信号。在某些变形中，电活性聚合物致动器包括两个相位电活性聚合物致动器，并且，其中，改变音频信号的步骤包括对音频信号的音频波形的正部分进行滤波，以驱动电活性聚合物换能器的第一相位，以及转化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位，从而改进电活性聚合物换能器的性能。例如，可以将正弦波形形式的源音频信号转化为方波波形(例如，经由限幅)，以使触觉信号成为产生最大致动器的力输出的方波波形。
在另一实施例中，电路可以包括用于对音频信号的频率进行滤波的一个或多个整流器，以使用音频信号的音频波形的全部或一部分来致动触觉效果。图28C示出了被设计为对音频信号的音频波形的正部分进行滤波的电路的一个变形。在另一个变形中，该电路可以与图28D中所示的用于具有两个相位的致动器的电路相结合。如图所示，图28C的电路可以对音频波形的正部分进行滤波，以对致动器的一个相位进行驱动，同时图28D中所示的电路可以转化音频波形的负部分以驱动双相触觉致动器的另一相位。其结果是，双相致动器将具有更好的致动器性能。
在另一实现中，音频信号中的阈值可以用于触发对致动器进行驱动的辅电路的操作。该阈值可以由音频信号中的幅度、频率或特定的模式来定义。辅电路可以具有固定的响应，例如，被设置为输出特定的频率的振荡器电路，或者可以具有基于多个定义的触发器的多个响应。在一些变形中，这些响应可以基于特定的触发器被预先确定。在这种情况下，可以在特定的触发器上提供存储的响应信号。通过这种方式，电路根据源信号的一个或多个特征来触发预定的响应，而不是调节源信号。辅电路还可以包括用于输出有限的持续时间的响应的定时器。
很多系统可以受益于具有对声音的接受力(capability)的触觉的实现(例如，计算机、智能电话、PDA、电子游戏)。在该变形中，滤波的声音用作电活性聚合物触觉的驱动波形。可以对通常在这些系统中使用的声音文件进行滤波，以仅包括对于触觉反馈致动器设计的最佳的频率范围。图28E和图28F示出了设备400的一个此类实施例，在该情况下，计算机鼠标在鼠标主体400中具有一个或多个电活性聚合物致动器402，并且被耦合到惯性块404。
当前的系统在＜200Hz的最佳频率处工作。可以对诸如猎枪射击的声音或者关门的声音等的声音波形进行低通滤波，以仅允许使用来自这些声音的＜200Hz的频率。然后，将经滤波的波形作为输入波形提供给对触觉反馈致动器进行驱动的EPAM电源。如果在游戏控制器中使用这些实施例，则猎枪射击的声音和关门的声音与触觉反馈致动器将是同时的，从而给游戏玩家提供丰富的体验。
在一个变形中，使用现有的声音信号可以考虑在由单独生成的音频信号生成声音的同时在用户接口设备中产生触觉效果的方法。例如，该方法可以包括将音频信号路由到滤波电路；改变音频信号以通过对低于预定频率的频率范围进行滤波来产生触觉驱动信号；以及向耦合到电活性聚合物换能器的电源提供触觉驱动信号，以使电源对电活性聚合物换能器进行致动，从而在由音频信号生成声音的同时驱动触觉效果。
该方法还可以包括驱动电活性聚合物换能器，以同时生成声音效果和触觉响应。
图29A至图30B示出了另一变形，即，通过使用换能器的用于对换能器进行供电的结构来对一个或多个换能器进行驱动，以使换能器在正常(预先激活)状态下保持未通电。可以将下面的描述并入到本文所描述的任何设计中。用于驱动换能器的设备和方法在试图减小用户接口设备的主体或底盘的轮廓时特别有用。
在第一实施例中，用户接口设备400包括一个或多个电活性聚合物换能器或致动器360，其可以被驱动以在无需复杂的切换机构的情况下在用户接口表面402处产生触觉效果。相反，多个换能器可以由一个或多个电源380来供电。在所示的实施例中，换能器360是上面以及前面通过引用的方式并入本文的申请中所描述的厚度模式换能器。然而，该变形呈现的概念可以应用于大量不同的换能器设计。
如图所示，致动器360可以被堆叠在包括开路的层中，该开路包括高压电源380，高压电源380具有用作到每个换能器360的连接的一个或多个接地总线382。然热，设备400被配置为使得在备用状态下，每个致动器360保持未通电，这是因为形成电源380的电路保持为打开。
图29B示出了单个用户接口表面420，其具有图29A中所示的换能器360。为了完成总线382与电源380之间的完全连接，用户接口表面402包括一个或多个导电表面404。在该变形中，导电表面404包括用户接口402的底表面。换能器360还将包括输出元件370或换能器360的其它部分上的导电表面。
为了致动换能器360，如图29C所示，当用户接口表面402向换能器360偏斜时，两个传导部分被电气耦合以闭合电路。该操作完成电源380的电路。此外，按压用户接口表面402不仅关闭了与换能器360的缝隙，而且还可以用于关闭设备400的开关以使设备400认识到表面402被致动。
该配置的一个益处是未对所有换能器360进行供电。相反，只给在其中各自的用户接口表面完成电路的那些换能器供电。该配置使功耗最小化，并且可以消除阵列中的致动器360之间的串扰。该构造考虑非常薄的键区和键盘，这是因为这消除了对通常用于这些设备的金属或弹性的圆顶类型开关的需要。
图30A和图30B示出了具有被配置为嵌入的开关的电活性聚合物换能器360的用户接口设备400的另一变形。在图30A中所示的变形中，在换能器360与用户接口表面402之间存在第一间隙406，在换能器360与底盘404之间存在第二间隙408。在该变形中，如图30B所示按压用户接口表面402来关闭第一开关，或者在用户接口表面402与换能器360之间建立闭合电路。闭合该电路允许将功率从高压电源路由到电活性聚合物换能器360(图30A中未示出)。对用户接口表面402的持续按压驱动换能器360，以与位于设备400的底盘404上的额外开关进行接触。后一种连接实现了对设备400的输入，从而使高压电源能够致动换能器360以在用户接口表面402处产生触感或触觉反馈。当释放时，换能器350与底盘404之间的连接打开(建立间隙408)。该操作切断了去往设备400的信号，从而高效地关闭了高压电源并且防止致动器产生任何触觉效果。对用户接口表面402的持续释放使用户接口表面402与换能器360分离，从而建立间隙406。打开后一种开关将换能器360与电源高效地断开。
在上面所描述的变形中，用户接口表面可以包括键盘(例如，QWERTY键盘或其它类型的输入键盘或键区)的一个或多个键。对EPAM的致动提供了按控触觉反馈，其替代了当前的圆顶键的键下压。然而，该配置可以在任何用户接口设备中使用，所述用户接口设备包括但不限于：键盘、触摸屏、计算机鼠标、轨迹球、手写笔、控制面板或将受益于触觉反馈感觉的任何其它设备。
在上述配置的另一种变形中，对一个或多个间隙的关闭可以闭合开路的低压电路。然后，低压电路将触发开关以向高压电路提供功率。通过这种方式，高压电源被提供在高压电路上，并且仅当换能器用于完成该电路时被提供给换能器。只要低压电路保持开路，则高压电源保持解耦合，并且换能器保持未通电。
暗盒的使用可以允许将电气开关嵌入到用户接口表面的整个设计中，并且可以消除对使用传统的圆顶开关来激活接口设备的输入信号(即，因此设备识别键的输入)以及激活键的触觉信号(即，生成与键的选择相关联的触感)的需要。可以通过每个键的按压来关闭任意数量的开关，其中，在设计的约束的范围内，这种配置是可定制的。
嵌入的致动器开关可以通过配置键来路由每个触觉事件，以使每次按压使用给致动器供电的电源来完成电路。该配置简化了对键盘的电子需求。可以通过整个键盘的单个高压电源来供应驱动每个键的触觉所需的高压功率。然而，可以将任意数量的电源并入该设计中。
可以由这些设计使用的EPAM暗盒包括平面的控光装置、厚度模式和无源耦合设备(混合体)。
在另一种变形中，嵌入的开关设计也允许模仿双稳态开关，例如，传统的圆顶型开关(例如，橡胶的圆顶或金属弯曲开关)。在一个变形中，用户接口表面如上所述偏斜电活性聚合物换能器。然而，延迟对电活性聚合物换能器的激活。因此，对电活性聚合物换能器的持续偏斜增加了用户在用户接口表面处感觉到的阻力。该阻力是由换能器中的电活性聚合物薄膜的变形引起的。然后，在预定的偏斜之后或者在换能器被偏斜之后的持续时间，电活性聚合物换能器被激活以使用户在用户接口表面处感觉到的阻力被改变(通常被减小)。然而，用户接口表面的移动可以继续。在激活电活性聚合物换能器的过程中的这种延迟模仿双稳态性能的传统圆顶或弯曲开关。
图31A示出了延迟激活电活性聚合物换能器以产生双稳态效果的图形。如图所示，线101示出了电活性聚合物换能器当被偏斜时但是在换能器的激活被延迟的情况下的无源硬度曲线。线102示出了电活性聚合物换能器一旦被激活时的有源硬度曲线。线103示出了电活性聚合物换能器随着其沿着无源硬度曲线移动然后当被致动时硬度下降到有源硬度曲线102时的力轮廓。在一个示例中，电活性聚合物换能器在敲击中间的某处被激活。
线103的轮廓非常接近于跟踪橡胶圆顶或金属弯曲双稳态机构的硬度的类似的轮廓。如图所示，EAP致动器适合于模仿橡胶圆顶的力轮廓。无源曲线和有源曲线之间的差别将是感觉的主要贡献，这意味着间隙越高，机会越高，并且感觉越强。
曲线的形状和实现期望的曲线或响应的机构可以独立于致动器的类型。此外，可以对任意类型的致动器(例如，控光装置致动器、厚度模式、混合物等)的激活响应进行延迟以提高期望的触觉效果。在该情况下，电活性聚合物换能器用作通过施加电压来改变输出反应力的可变弹簧。图31B示出了基于上面所描述的致动器在激活电活性聚合物换能器的过程中使用延迟的变形的额外图形。
用于驱动电活性聚合物换能器的另一变形包括给定阈值输入信号的情况下使用存储的波形。输入信号可以包括音频或其它触发信号。例如，图32中所述的电路示出了用作对存储的波形的触发的音频信号。此外，系统可以使用触发或其它信号来替换音频信号。该方法使用一个或多个预定的波形来驱动电活性聚合物换能器，而不是通过音频信号来直接对致动器进行简单地驱动。对该致动器进行驱动的这种模式的一个益处是使用存储的波形使得在最小内存和复杂度的情况下产生复杂的波形和致动器性能。可以通过使用针对致动器优化的驱动脉冲而不是使用模拟音频信号来提高致动器的性能(例如，以优选的电压或脉冲宽度或谐振来运行)。可以将致动器的响应与输入信号同步，或者可以延迟致动器的响应。在一个示例中，0.25v的触发阈值可以用作触发。然后，该低电平信号可以产生一个或多个脉冲波形。在另一变形中，该驱动技术可能允许根据任何数量的条件(例如，用户接口设备的位置、用户接口设备的状态、在设备上运行的程序等)来使用相同的输入或触发信号以具有不同的输出信号。
图33A和图33B示出了用于通过使用单个驱动电路来提供双相激活以驱动电活性聚合物换能器的又一变形。如图所示，在双相换能器中的三个电源线中，这些相位中的一个相位上的一个引线在高压处保持恒定，另一相位上的一个引线接地，两个相位共用的第三引线被驱动以使电压从接地变为高压。这使一个相位的激活与第二相位的去激活同时发生，以提高双相致动器的突弹跳变(snap-through)性能。
在另一变形中，本文所描述的对用户接口表面的触觉效果可以通过调节用户接口表面的机械行为来改善。例如，在电活性聚合物换能器驱动触摸屏的那些变形中，触觉信号可以消除在触觉效果之后用户接口表面的不期望的移动。当设备包括触摸屏时，通常，屏幕(即，用户接口表面)的移动发生在触摸屏的平面中或在平面之外(例如，z轴)。在任意一种情况下，电活性聚合物换能器是由脉冲502驱动的，以产生如图34B示意性地示出的触觉响应。然而，在由此产生的移动之后可以是滞后机械振铃或振动500，如图34A的图形所示，其中，图34A示出了用户接口表面(例如，触摸屏)的移动。为了改进触觉效果，驱动触觉效果的方法可以包括使用复杂的波形来提供电子阻尼，从而产生逼真的触觉效果。这种波形包括触觉驱动部分502以及阻尼部分504。在触觉效果包括上面所描述的“击键”的情况下，电子阻尼波形可以消除或减小滞后效果以产生更逼真的感觉。例如，图34A和34C的位移曲线示出了当试图模仿击键时的位移曲线。然而，可以使用感觉的电子阻尼来改进任意数量的触感。
图35示出了用于给电活性聚合物换能器供电的供电电路的实施例。很多电活性聚合物换能器需要高压电子设备来产生电流。需要提供功能和保护的简单的高压电子设备。基本的换能器电路是由低压引发电源、连接二极管、电活性聚合物换能器、第二连接二极管和高压集电极电源组成。然而，这种电路在根据需要针对每个循环捕获尽量多的能量时可能不是高效的，并且需要相对更高的电压引发电源。
图35示出了简单的发电电路设计。该电路的一个优点是设计的简单性。对于获得发电机会(假设正在施加机械力)而言，只需要很小的起始电压(近似9V)。对于控制高压输入并输出电活性聚合物换能器而言，不需要控制电平电子设备。通过电路的输出端上的齐纳二极管，实现了无源电压调整。该电路能够产生高压DC功率，并且可以在0.04-0.06焦耳每克附近的能量密度水平处操作电活性聚合物换能器。该电路适合于产生适度的功率并且证明了电活性聚合物换能器的可行性。所示的电路使用电荷转移技术来使电活性聚合物换能器的针对每个机械循环的能量传递最大化，同时仍然保持简单性。额外的益处包括：允许使用极低的电压(例如，9V)进行自身引发；可变的频率和可变的冲程操作二者；使用简化的电子设备(即，不需要控制序列的电子设备)使针对每个循环的能量传递最大化；在可变的频率和可变的冲程应用中进行操作；以及向换能器提供过压保护。
至于本发明的其它细节，在相关领域的技术人员的水平范围内，可以使用材料和可替换的相关配置。根据通常或逻辑使用的另外的操作，这也可适用于本发明的基于方法的方面。此外，虽然已经参照可选择地并入各个特征的几个实施例来对本发明进行描述，但是本发明不限于所描述或指示的、参照本发明的每个变形所设想的那些实施例。可以对所描述的本发明进行各种改变，并且在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以替换等价形式(无论在本文中被引用或者为了一些简洁而未被包含在本文中)。所示的任意数量的单个部分或子装配可以集成到其设计中。可以通过装配的设计的原则来进行或指导这些改变或其它改变。
此外，设想所描述的发明的变形的任何可选的特征可以被单独地或与本文所描述的特征中的任意一个或多个相结合地阐述或要求保护。对单数项的引用包括存在复数的相同的项的可能性。更具体地说，除非另外专门声明，否则本文和所附权利要求中所使用的单数形式“一个(a)”、“一个(an)”、“所述”和“这个(the)”包括复数的所指事物。换言之，在上面的描述和下面的权利要求中，冠词的使用允许主题项的“至少一个”。还应当注意的是，可以撰写权利要求以排除任何可选的要素。同样地，该陈述旨在用作与权利要求的要素的记载或“否定”限制的使用有关的诸如“唯一”、“只有”等的这些排他性的词语的使用的先行基础。在没有使用这些排他性词语的情况下，权利要求中的词语“包括”将允许包括任何额外的要素-而不论给定数量的要素是被列举在权利要求中还是可以认为特征的添加是对权利要求中阐述的要素的属性的转换。另外需要说明的是，除非本文中专门定义，否则将认为本文所使用的所有技术的和科学的术语尽可能是宽泛的公知的意思，同时保持权利要求的有效性。

Claims (24)

1.一种用户接口设备，包括：
底盘；
用户接口表面；
第一电源；
与所述用户接口表面相邻的至少一个电活性聚合物换能器，所述电活性聚合物换能器还包括导电表面；
其中，所述用户接口表面的一部分和所述导电表面与所述第一电源形成一电路，以便在正常状态下，所述导电表面与所述用户接口表面的所述部分电隔离，以打开所述电路，使所述电活性聚合物换能器保持在未通电的状态；以及
其中，所述用户接口表面柔性地耦合到所述底盘，以便所述用户接口表面偏斜到所述电活性聚合物换能器使所述电路闭合，从而给所述电活性聚合物换能器通电，以便提供给所述电活性聚合物换能器的信号在所述用户接口表面产生触感。
2.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述第一电源包括高压电源。
3.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述至少一个电活性聚合物换能器包括多个电活性聚合物换能器，每个电活性聚合物换能器与一用户接口表面相邻，并且每个电活性聚合物换能器具有各自的导电表面，以便一个用户接口表面偏斜到导电表面使各自的电活性聚合物换能器和导电表面形成闭合电路，并且其中，剩余的电活性聚合物换能器保持在所述未通电的状态。
4.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述用户接口设备包括从由以下各项组成的组中选择的设备：键盘、键区、游戏控制器、遥控器、触摸屏、计算机鼠标、轨迹球、手写笔、控制面板和操纵杆。
5.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述用户接口表面包括按钮、键、游戏手柄和显示屏。
6.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述第一电源包括低压电源，并且其中，所述用户接口设备还包括高压电源，所述高压电源被耦合到开关，以便所述电活性聚合物换能器和所述导电表面的偏斜闭合所述开关，允许所述高压电源给所述电活性聚合物致动器通电。
7.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述用户接口表面的所述偏斜发生在所述用户接口表面的法线方向上。
8.根据权利要求1所述的用户接口设备，其中，所述用户接口表面的所述偏斜发生在与所述用户接口表面同平面的方向上。
9.一种用户接口设备，包括：
底盘；
第一电源；
用户接口表面；
耦合到所述用户接口表面的至少一个电活性聚合物换能器，所述电活性聚合物换能器还包括导电表面，所述导电表面与所述第一电源形成一电路，以便在正常状态下，所述导电表面与所述电路电隔离，以打开所述电路，从而使所述电活性聚合物换能器保持在未通电的状态；以及
其中，所述电活性聚合物换能器柔性地耦合到所述底盘，以便所述用户接口表面的偏斜使所述电活性聚合物换能器偏斜以与所述第一电源的所述电路接触，以闭合所述电路，并且给所述电活性聚合物致动器通电，从而使提供给所述电活性聚合物换能器的信号在所述用户接口表面产生触感。
10.根据权利要求9所述的用户接口设备，其中，所述第一电源包括高压电源。
11.根据权利要求9所述的用户接口设备，其中，所述至少一个电活性聚合物换能器包括多个电活性聚合物换能器，每个电活性聚合物换能器与一用户接口表面相邻，并且每个电活性聚合物换能器具有各自的导电表面，以便一个用户接口表面偏斜到所述导电表面使各自的电活性聚合物换能器和导电表面形成闭合电路，并且其中，剩余的电活性聚合物换能器保持在所述未通电的状态。
12.根据权利要求9所述的用户接口设备，其中，所述用户接口设备包括从由以下各项组成的组中选择的设备：键盘、触摸屏、计算机鼠标、轨迹球、手写笔、控制面板和操纵杆。
13.根据权利要求9所述的用户接口设备，其中，所述用户接口表面的所述偏斜发生在所述用户接口表面的法线方向上。
14.根据权利要求9所述的用户接口设备，其中，所述用户接口表面的所述偏斜发生在与所述用户接口表面同平面的方向上。
15.一种在用户接口设备中产生触觉效果的方法，其中，所述触觉效果模仿双稳态开关效果，所述方法包括：
提供用户接口表面，所述用户接口表面具有耦合到其的电活性聚合物换能器，其中，所述电活性聚合物换能器包括至少一个电活性聚合物薄膜；
将所述用户接口表面位移一位移量，以同样地位移所述电活性聚合物薄膜并增加由所述电活性聚合物薄膜施加于所述用户接口表面的阻力；
在所述电活性聚合物薄膜的位移期间延迟所述电活性聚合物换能器的激活；
激活所述电活性聚合物换能器以在不减小所述位移量的情况下改变所述阻力，从而创建模仿所述双稳态开关效果的所述触觉效果。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，延迟所述电活性聚合物的所述激活是在一预定时间之后发生的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，延迟所述电活性聚合物的所述激活是在所述电活性聚合物薄膜的预定位移之后发生的。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述用户接口设备不包括圆顶致动机构。
19.一种在用户接口设备中产生预定的触觉效果的方法，所述方法包括：
提供波形电路，所述波形电路被配置为产生至少一个预定的触觉波形信号；
将信号路由到所述波形电路，以便当所述信号等于触发值时，所述波形电路生成所述触觉波形信号；以及
向被耦合到电活性聚合物换能器的电源提供所述触觉波形信号，以便所述电源驱动所述电活性聚合物换能器，从而产生由所述触觉波形信号控制的复杂的触觉效果。
20.一种在具有用户接口表面的用户接口设备中产生触觉反馈感觉的方法，所述方法包括：
将来自驱动电路的输入信号发送到电活性聚合物换能器，其中，所述输入信号致动所述电活性聚合物换能器，并且在所述用户接口表面处提供所述触觉反馈感觉；以及
在期望的触觉反馈感觉以后，发送阻尼信号以减小所述用户接口表面的机械位移。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述触觉效果感觉模仿双稳态击键效果。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述用户接口设备包括从由以下各项组成的组中选择的设备：键盘、键区、游戏控制器、遥控器、触摸屏、计算机鼠标、轨迹球、手写笔、控制面板和操纵杆。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述用户接口表面包括按钮、键、游戏手柄和显示屏。
24.一种在用户接口设备中产生触觉反馈的方法，所述方法包括：
给所述用户接口设备提供电活性聚合物换能器，所述电活性聚合物换能器具有第一相位并且具有第二相位，其中，所述电活性聚合物换能器包括所述第一相位共用的第一引线、所述第二相位共用的第二引线以及所述第一相位和所述第二相位共用的第三引线；
使所述第一引线保持在高压，同时使所述第二引线保持接地；以及
驱动所述第三引线，以从接地改变为所述高压，从而在各自的其它相位的去激活时实现所述第一相位或所述第二相位的激活。
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