CN102859468A - 流体致动器和具有流体致动器的显示装置 - Google Patents

Abstract

流体致动器（12）包括流体充填室（32B）、相对室（32B）活动并与流体接触的活动元件（36）、以及流体在室（32B）内外之间循环以改变室内的流体量、并因此引起活动元件（36）移动的通道（44）。流体是磁流变流体，并且流体致动器（12）包括磁场产生部件（26、28），磁场产生部件被设置用于在通道（44）中产生受控磁场。

Description

流体致动器和具有流体致动器的显示装置

技术领域

本发明涉及流体致动器。本发明还涉及包括多个流体致动器的显示装置。

更确切的说，本发明涉及流体致动器，该致动器包括充填有流体的室、相对于该室活动并与流体接触的活动元件、以及流体在室的内部和外部之间循环以改变室内的流体量和因此导致活动元件移动的通道。

背景技术

这种流体致动器特别使用在带有可变形屏的二维显示装置、如公布号为US 5,222,895的专利中描述的装置中。该文献中使用的机构建立在所用流体的电流变特性的基础上。通过在流体循环通道周围设置电极来形成流体阀，当给这些电极足够地供给电流时，通过增加流体的表观粘度关闭通道。因此，通过打开或关闭通道，允许或阻止活动元件移动，以改变或保持显示屏的变形。

该技术在希望关闭通道时、即在希望保持显示屏的一定变形时需要给电极施加较高电压。因此，出于安全考虑，在致动器内部与显示装置的外表面之间设置良好的电绝缘变得必不可少。最后，观察到的是，只要希望关闭通道，换句话说，只要希望流体阀保持在关闭位置，就应保持给电极施加电压，这意味着一定的能耗。

在公布号为US 5,496,174的专利中也描述了使用相同技术的流体致动器。

此类致动器可特别地用于设计带有可变形表面的显示装置，例如盲人用的盲文或其它的信息显示屏，多个致动器则分布在显示屏的表面上。因此，能以可重配置的方式在显示屏上显示不同形状。

实现此类显示屏需要低成本致动器和简单的组装方法，以便保持合理的制造成本。实际上，具有1mm分辨率的尺寸为32cm x 24cm的触摸界面有76800个独立启动或成组启动的致动器。另外，可能应同时启动许多个致动器，这提出能耗问题。利用上述文献中提出的技术，能耗不是最佳的。

为制造集成在具有可变形表面的显示装置中的致动器，可以考虑其它技术，但是这些技术一般不能在或结构复杂性方面、或能耗方面、或这两个方面带来令人满意的方案。例如，已知气动致动器，但阀和连接器的设计很复杂。还已知压电双金属片致动器，但这些致动器非常昂贵。另外，它们体积非常庞大。还已知以形状记忆合金线为基础的方案，但致动通过热传递进行和必须使合金线保持在预先确定的温度，这消耗很多能量。对于使用材料热膨胀以使空腔鼓胀的方案同样如此：必须在空腔中保持一定温度。另外，每个致动器的响应时间取决于有源元件的冷却时间，这大大限制了系统的动态性能。

因此，会希望设置允许避免至少一部分上述问题和约束的流体致动器。

发明内容

因此，本发明的目标是一种流体致动器，该流动致动器包括流体充填室、相对于室活动并与流体接触的活动元件、流体在室的内部和外部之间循环以改变室内的流体量并因此导致活动元件移动的通道，其中，流体是磁流变流体；并且，流体致动器包括磁场产生部件，磁场产生部件被设置用于在通道中产生受控磁场。

磁流变流体包括悬浮在液体溶剂中的铁磁微粒。这些微粒在磁场的作用下形成具有与磁场强度成比例的抗断裂强度的链。因此改变了磁流变流体的表观粘度。因而可以控制流体在产生受控磁场的通道中的流动。

这种致动器的设计非常简单，并且需要极少的运动机械零件，这允许得到坚固的机构。另外，低于电流变流体的供电电压就足够了。最后，存在磁场时，致动器内部与装置外表面之间的电绝缘问题不如产生电场时敏感。

作为选择，在根据本发明的流体致动器中，磁场产生部件包括电磁铁，该流体致动器可以包括给电磁铁供应电流的装置，该装置设计用于：

－给电磁铁的线圈临时提供强度足够高的电流，以便产生使致动器的可磁化元件饱和的磁场，其产生在提供电流后继续存在的剩余磁场，剩余磁场的强度足以通过作用于位于通道中的磁流变流体的粘度使通道保持关闭；

－给电磁铁的线圈临时提供通过取消剩余磁场使致动器的可磁化元件去磁的强制励磁。

在这种情况下，只有希望打开和关闭通道以使活动元件移动的时刻需要消耗电能，这就使致动器尤其消耗极少能量。

以同样可选择的方式，根据本发明的流体致动器可以另外包括在通道中产生永磁场的永磁体，永磁场的强度足以通过作用于位于通道中的磁流变流体的粘度使通道保持关闭，并且磁场产生部件可被构造成以使在它们被激发时，受控磁场至少部分地补偿永磁场的作用。

在这种情况下，只有希望打开通道以导致活动元件移动的时刻需要消耗能量，这也使致动器需要很少能量。

还是作为选择，根据本发明的流体致动器可以包括位于永磁体两侧的两个电磁铁，以便在给这两个电磁铁供电时在两个电磁铁之间引导永磁体产生的永磁场。

仍作为选择，根据本发明的流体致动器可以包括配有贯通管道和形成室的其中一壁的板，活动元件包括可在贯通管道中移动的活塞。

仍作为选择，根据本发明的流体致动器可以包括配有贯通管道和形成室的其中一壁的板，活动元件包括密封地固定在板的与室内部相反的表面上的可变形膜，该膜覆盖管道。

本发明的目标还在于一种包括多个如上定义的流体致动器的具有可变形表面的显示装置，这些致动器的活动元件分布、尤其以矩阵方式均匀分布在可变形表面上。

作为选择，根据本发明的显示装置可以包括显示屏，显示屏包括板，该板配有多个贯通管道，流体致动器的磁流变流体充填室与这些贯通管道相对布置。

还是作为选择，根据本发明的显示装置可以包括给流体致动器的室供应在可调压力下的磁流变流体的公共管网。

还是作为选择，根据本发明的显示装置可以包括单独地控制每个流体致动器的每个磁场产生部件和共同地控制公共管网的管中的磁流变流体的压力的电子电路。

附图说明

借助下面仅作为例子给出并参照附图进行的描述，将更好地了解本发明，附图中：

－图1示意表示符合本发明第一实施方式的流体致动器；

－图2-5表示在几个运行状况的图1的流体致动器；

－图6示意表示符合本发明第二实施方式的流体致动器；

－图7以分解透视图示意表示符合本发明一实施方式的具有可变形表面的显示装置；

－图8表示图7显示装置的一零件的细节；

－图9以透视图示意表示图7的在安装时的显示装置；和

－图10以透视图示意表示配有符合本发明一实施方式的具有可变形表面的显示装置的便携装置。

具体实施方式

图1中所示的流体致动器12包括壳体14，壳体14以能引导磁场线的材料例如铁或钢、或者更普遍地软铁磁材料制成。例如，该壳体14包括圆形实心底部16、柱形侧壁18和圆形实心上板20，上板20开有在柱形侧壁18的纵向对称轴线D上对中的贯通孔22。

在本发明一实施方式中，在壳体14内部，柱形永磁体24布置于底部16上，围绕轴线D对中。其半径明显小于柱形侧壁18的内半径。具有相同半径的柱形中心核26布置在该永磁体24上，中心核同样围绕轴线D对中和在壳体14内沿该轴线延伸直到一定高度H。该中心核26例如也由铁或钢、或者更普遍地软铁磁材料构成，以便沿与轴线D平行的方向引导磁场线。

线圈28围绕中心核26延伸在中心核的外表面与侧壁18的内表面之间，而不达到侧壁的内表面。线圈28由电导线构成，电导线缠绕在中心核26周围，以与中心核一起形成电磁铁。

因此，永磁体24产生第一永磁场B1，第一永磁场的磁场线可以被中心核26、上板20、侧壁18和底部16引导，而电磁铁26、28能在电控制下产生第二受控磁场B2，第二受控磁场的磁场线也可被中心核26、上板20、侧壁18和底部16引导。

在壳体14内从底部16延伸直到中心核26的自由上表面的高度H确定第一内容积30，永磁体24、中心核26和线圈28位于该第一内容积中，第一内容积充满电介质。在高度H以外，在壳体14的总容积中容积与第一内容积30互补的储存室32内，其充填有磁流变流体。

磁流变流体在可调压力下通过管道34被引入储存室32中，管道34在高度H以外开通在侧壁18中。最后，尽管上板20中存在贯通孔22，但储存室32通过活动元件在贯通孔22上的密封布置而与壳体14的外部隔绝，因此，该活动元件与储存室32的磁流变流体接触。

更确切的说，在图1上所示的实施方式中，活动元件是密封地固定在上板20的与壳体14内部相反的外表面38上的可变形膜36。该可变形膜36覆盖贯通孔22。例如，这涉及弹性薄膜，如同时柔软并耐磁流变流体所引起的腐蚀的腈膜。

充满壳体14的第一内容积30的电介质例如是浸没永磁体24、中心核26和线圈28的树脂或胶。这还可相当简单地涉及空气，但在这种情况下，应在第一内容积30与储存室32之间设置刚性并密封的分隔器40。分隔器40可以由塑料膜或铝膜、更普遍地由不导磁的刚性材料制的膜构成。充满第一内容积30的电介质也可以是磁流变流体。在这种情况下，储存室32与第一内容积30之间没有分隔。

如图2所示，磁场B1或B2所产生的磁场线42由中心核26、上板20、侧壁18和底部16引导。在磁场线路径中，在上板20与中心核26的上表面之间确定环形间隙44，贯通孔22的半径小于中心核26的半径。

该间隙44构成储存室32中的磁流变流体在通过管道34引入流体的第一室32A和致动可变形膜36的第二室32B之间的循环通道。因此，第二室32B由上板20、可变形膜36、间隙44和中心核26的上表面限定。它容纳的磁流变流体与可变形膜36接触，因此可以根据其容积使可变形膜或多或少变形。如现在将参照图2、也参照图3、4和5详细描述的，实际上，在磁场B1和/或B2与通过管道34引入流体到储存室32中的压力的作用下，第二室32B中的流体量是可调节的。

在图1-5上所示的实施方式中，永磁体24的存在默认（par défaut）保证其强度足以阻止磁流变流体在通道/间隙44中流动的永磁场B1的存在。

因此，如图2上所示，在第一阶段时，第二室32B中的流体量默认保持恒定，使得可变形膜被保持在第一恒定变形位置，而不消耗任何电能。

当然，永磁体24对于本发明的实现不是必不可少的，通道44的封闭和开启完全可以由电磁铁26、28管控，但是由于永磁体的存在，节约了相当大量的电能，因为只有在可变形膜36的变形改变时才消耗电能。

如图3所示，在第二阶段时，在第一室32A的入口（即管道34处）提供大于第二室32B中压力的压力，并且电流强度穿过线圈28，以产生受控磁场B2，受控磁场的作用至少部分地、优选完全地补偿永磁场B1在通道44中的作用。由于补偿磁场B1的受控磁场B2，通道44对磁流变流体流动开放，并且由于管道34处提供的超压，所述流动从第一室32A向第二室32B进行。由此，可变形膜36向第二高位变形。具体的说，磁场B2导致使磁场B1线在电磁铁26、28的底部与壳体14的底部16之间引导。

如图4上所示，在第三阶段时，不再给线圈28供应电流，使得通道44再关闭。因此，可变形膜36被保持在它的第二高位，而不消耗电能。

最后，如图5上所示，在第四阶段时，在第一室32A的入口（即管道34处）提供低于第二室32B中压力的压力，并且在线圈28中提供电流强度，以产生受控磁场B2，受控磁场B2的作用是补偿永磁场B1在通道44中的作用。由于补偿磁场B1的受控磁场B2，因而通道44重新对磁流变流体流动开放，并且由于在管道34处提供的低压，所述流动从第二室32B向第一室32A进行。由此，可变形膜36向它的第一位置或向第三低位变形。在该阶段，磁场B2重新导致把磁场B1线引导在电磁铁26、28的底部与壳体14的底部16之间。

按序地，该第四阶段能以如下方式进行：首先，通过磁场B2对磁场B1的补偿打开通道44；然后，逐渐降低在第一室32A的入口34提供的压力，以便以调节方式减小可变形膜36的变形。

如前面指出的，在没有永磁体24的情况下，完全可以通过电磁铁26、28管控通道44的封闭和开启。

在这种情况下，为了只要希望保持通道44关闭就不需要持续消耗电能，可以实施利用磁场的剩磁特性的以下方法，用以关闭然后打开通道44：

－给线圈28临时提供强度足够高的电流，以便产生致动器的可磁化元件的饱和磁场，其产生在提供电流之后仍继续存在的、强度足以保持通道44关闭的剩余磁场；

－给线圈28临时提供通过消除剩余磁场使致动器的可磁化元件去磁的强制励磁。

例如，用于去磁的强制励磁可以包括提供方向相对于为关闭通道提供的电流的方向相反的电流、或者提供以对数方式衰减的正弦交流电流。

因此，通过该方法，节约了大量电能，因为只有在控制所述通道44打开和关闭时才消耗电能。该方法通过与线圈28电连接的供电装置（未示出）实施。

根据本发明的另一可能的实施方式，图6上所示的流体致动器12’与前面描述的致动器12在两个方面上不同。要注意的是，这两个方面是互相独立的，使得它们可以作为不同实施方式的对象，但是为简明起见，现在将描述包括这两个方面的单一实施方式。

首先，用可在上板20的贯通孔22中密封移动的活塞36’取代可变形膜36，作为致动器12’的活动元件。

然后，致动器12’包括布置在永磁体24两侧的两个电磁铁26A、28A和26B、28B，以便在给所述两个电磁铁供电时把永磁体24产生的永磁场B1引导在这两个电磁铁26A、28A与26B、28B之间。

具体的说，在壳体14的内部，柱形中心核26A布置在底部16上，围绕轴线D对中。它的半径明显小于柱形侧壁18的内半径。该中心核26A例如由铁或钢、更普遍地软铁磁材料构成，以便朝与轴线D平行的方向引导磁场线。线圈28A围绕中心核26A在中心核26A的外表面与侧壁18的内表面之间延伸，而不达到侧壁的内表面。线圈28A由电导线构成，所述电导线缠绕在中心核26A周围，以便与中心核一起形成第一电磁铁26A、28A。

与中心核26A具有相同半径的柱形永磁体24布置在第一电磁铁26A、28A上，同样围绕轴线D对中。

相同半径的另一柱形中心核26B布置在永磁体24上，也围绕轴线D对中，并在壳体14内沿该轴线延伸直到前面确定的高度H。该中心核26B例如如同中心核26A由铁或钢、更普遍地由软铁磁材料构成，以便将磁场线朝与轴线D平行的方向引导。线圈28B围绕该中心核26B延伸在中心核26B的外表面与侧壁18的内表面之间，而不达到侧壁的内表面。线圈28B由电导线构成，该电导线缠绕在中心核26B周围，以便与中心核一起形成第二电磁铁26B、28B。

因此，永磁体24产生永磁场B1，永磁场B1的磁场线可以由中心核26A和26B、上板20、侧壁18和底部16引导，而电磁铁26A、28A和26B、28B能够在电控制下产生受控磁场B2A和B2B，受控磁场B2A和B2B的磁场线同样可以由中心核26A和26B、上板20、侧壁18和底部16引导。在该第二实施方式中，可以期望的是：比起第一实施方式中，在给两个电磁铁供电时所述磁场线更好地被引导在两个电磁铁之间。

从如上面描述的致动器之一的致动器出发，可以设计包括多个这种致动器的具有可变形表面的显示装置，这些致动器的活动元件分布在可变形表面上。这些活动元件例如以矩阵方式规则地分布在显示装置的可变形表面上。

从如图1致动器的致动器出发实现的显示装置50例如以分解图示于图7上。该显示装置例如按照多层设计（其是矩阵组装的可能方法之一），通过以下元件的组装进行安装：

－第一矩形板52，其由铁或钢、更普遍地由软铁磁材料构成以引导磁场线，形成显示装置50的致动器的底部16组；

－矩形框架54，其开有一些柱形贯通孔，该矩形框架由铁或钢、更普遍地由软铁磁材料构成以引导磁场线，形成显示装置50的致动器的侧壁18组；

－第二矩形板56，其由铁或钢、更普遍地由软铁磁材料构成以便引导磁场线，形成显示装置50的致动器的上板20组；

－矩形可变形膜58，其安置于第二矩形板56的与框架54相对的外表面上；和

－第三矩形板60，其作用是保持显示装置50装配在一起和使可变形膜58在压力下密封保持靠在第二矩形板56上，同时允许可变形膜通过一些孔变形，其中，这些孔以矩阵方式规则地布置在第三矩形板60上，与设在框架54的柱形贯通孔中的室相对。

更确切的说，第三矩形板60例如设有一些规则地布置在其表面上的杆，这些杆用于穿过设在板52、56、框架54和膜58中的相应孔，以将整体在压力下保持。例如当至少一部分所述杆带有螺纹时和装置尺寸允许时可以通过旋拧、或者通过本领域技术人员能力范围内的任何其它适当传统技术来保证所述的在压力下保持。

在该实施方式中，膜58在第二板56和第三板60之间在压力下的密封保持、以及膜58通过第三板60的每个孔的可能的局部变形，同时保证致动器的密封性和保证与每个致动器的磁流变流体接触的活动元件的存在。

要注意的是，永磁体24、中心核26和线圈28布置于开在框架54中的每个柱形贯通孔内，以形成相应致动器。

图8以俯视图表示框架54的一细节。该图示出给致动器的室提供在预先确定的可调压力下的磁流变流体的公共管网62的实施方式。

该管网62在框架54的底部中挖出，为设于开在框架54中的每个柱形贯通孔中的每个致动器室供应磁流变流体。管网与开在框架54的边部上的侧向管道64连接，以便提供带压磁流变流体。

图9表示在安装好位置的图7的显示装置50。由于用于致动器的技术，可以得到紧凑的、尤其厚度小于5mm的装置。另外，由于运动机械零件的数量少，因而装置很可靠。

要注意的是，尽管该显示装置和组成显示装置的某些零件示出为呈矩形的形状，但是其可以更普遍地为任何形状。

最后，图10示意表示便携装置70，其配有如图9所示的装置50的具有可变形表面的显示装置。本身广义上是显示装置的便携装置70，例如是远程通讯装置、个人数字辅助装置或任何其它便携电子装置。在这种情况下，与显示装置相关的控制该显示装置50的电子电路72还可被集成在便携装置70中。

更确切的说，该电子电路72被设计用于单独地控制每个流体致动器12的每个电磁铁26、28和用于以共同的方式控制公共管网62的管中的磁流变流体的压力。因此，通过调整对电磁铁的区别供电和磁流变流体压力，就可得到可变形表面的几乎无限数量的形态、因而便携装置70的屏上的几乎无限数量的形状，其中，对电磁铁的区别供电和磁流变流体压力用于改变每个致动器的活动元件（可变形膜或活塞）在高位（表面的最大局部变形）与低位（例如局部平坦的表面）之间、经过这两个极端位置之间的所有中间位置的位置。

因此，如另外作为非限定例子所示的，一地理区域的平面图、例如连同它的道路74、它的选择路径76、它的结构元件如建筑物78、当前位置指示器80和目的位置指示器82，可以突起地表示在便携装置70的可变形表面上。

显然可以考虑其它应用，如根据背景菜单变化的触摸按钮的动态显示，或者图形、视频的突起显示。可以在公共显示、残疾人可访问性、盲文屏、机动车领域中的人-机界面等背景中考虑这些应用。

显然，如前述致动器之一的致动器设计简单并且能耗低。因此，将其集成到具有可变形表面的显示装置中是有利的。

另外要注意的是，本发明并不限于上面描述的实施方式。实际上，对于本领域技术人员清楚的是：可以根据刚对其所公开的教导对上述实施方式进行各种改变。尤其是，可以用其它等效的、即如同它们一样能在控制下产生非永久磁场的部件来替代上面描述的电磁铁。

在下面的权利要求中，所用术语不应被理解为将权利要求局限于本说明书中陈述的实施方式，而是应被理解为其中包括所有等效方案，所有等效方案是所述权利要求由于它们的表述而旨在覆盖的，和对这些等效方案的预见是本领域技术人员通过将其普通知识应用来实施刚对其公开的教导而在其能力范围内的。

Claims (10)

1.流体致动器（12；12’），其包括充填流体的室（32B）、相对所述室（32B）活动并与所述流体接触的活动元件（36；36’）、通道（44），所述通道用于所述流体在所述室（32B）的内部和外部之间循环，以改变所述室内的流体量并因此引起所述活动元件（36；36’）移动，

其特征在于，所述流体是磁流变流体；并且，所述流体致动器（12、12’）包括磁场产生部件（26、28；26A、26B、28A、28B），所述磁场产生部件被设置用于在所述通道（44）中产生受控磁场。

2.如权利要求1所述的流体致动器（12），其中，所述磁场产生部件包括电磁铁，所述流体致动器包括给该电磁铁（26、28）供应电流的装置，所述装置被设计用于：

－给所述电磁铁的线圈（28）临时提供强度足够高的电流，以产生所述致动器的可磁化元件的饱和磁场，其产生在提供电流后仍继续存在的剩余磁场，所述剩余磁场的强度足以通过作用于位于所述通道中的磁流变流体的粘度使所述通道（44）保持关闭；

－给所述电磁铁的线圈（28）临时提供强制励磁，所述强制励磁通过消除所述剩余磁场使所述致动器的可磁化元件去磁。

3.如权利要求1所述的流体致动器（12；12’），所述流体致动器另外包括在所述通道（44）中产生永磁场的永磁体（24），所述永磁场的强度足以通过作用于位于所述通道中的磁流变流体的粘度保持所述通道（44）关闭，其中，所述磁场产生部件（26、28；26A、26B、28A、28B）被构造成以使在所述磁场产生部件被激活时，所述受控磁场至少部分地补偿所述永磁场的作用。

4.如权利要求3所述的流体致动器（12’），所述流体致动器包括布置在所述永磁体（24）两侧的两个电磁铁（26A、26B、28A、28B），以便在给所述两个电磁铁（26A、26B、28A、28B）供电时，使所述永磁体（24）产生的所述永磁场在这两个电磁铁（26A、26B、28A、28B）之间引导。

5.如权利要求1至4中任一项所述的流体致动器（12；12’），所述流体致动器包括配有贯通管道（22）并形成所述室（32B）的其中一壁的板（20），其中，所述活动元件（36’）包括在所述贯通管道中可移动的活塞。

6.如权利要求1至4中任一项所述的流体致动器（12；12’），所述流体致动器包括配有贯通管道（22）并形成所述室（32B）的其中一壁的板（20），其中，所述活动元件（36）包括密封地固定在所述板的与所述室的内部相反的表面上的可变形膜，所述可变形膜覆盖所述贯通管道（22）。

7.具有可变形表面的显示装置（50、70），所述显示装置包括多个如权利要求1至6中任一项所述的流体致动器（12；12’），这多个流体致动器的活动元件（36；36’）分布、尤其以矩阵方式规则地分布在所述可变形表面上。

8.如权利要求7所述的具有可变形表面的显示装置（50、70），所述显示装置包括具有板（60）的显示屏（58、60），所述板配有多个贯通管道，所述流体致动器（12；12’）的充填磁流变流体的室（32B）与所述多个贯通管道相对布置。

9.如权利要求7或8所述的具有可变形表面的显示装置（50、70），所述显示装置包括给所述流体致动器的室（32B）供应带有可调压力的磁流变流体的公共管网（62）。

10.如权利要求9所述的具有可变形表面的显示装置（50、70），所述显示装置包括电子电路（72），所述电子电路（72）单独地控制每个流体致动器（12；12’）的每个所述磁场产生部件（26、28；26A、26B、28A、28B）和共同地控制所述公共管网（62）的管中的磁流变流体的压力。

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