CN106484095A - 双层触觉反馈致动器 - Google Patents
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Abstract
本申请通常涉及触觉反馈致动器以及它们在基于触摸的系统中的构造和使用。触觉反馈致动器适当地为双层结构，其包括具有不同热系数的至少两种材料，允许所述结构响应于结构的加热和/或冷却而从第一位置偏转到第二位置。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年8月25日提交的标题为“Ultrathin Bilayer Haptic FeedbackSignal Generating Actuator(超薄双层触觉反馈信号生成致动器)”的第62/209,820号美国临时专利申请的权益，其公开内容以引用方式全部并入本文。
技术领域
本申请通常涉及触觉反馈致动器以及它们在基于触摸的系统中的构造和使用。触觉反馈致动器适当地为双层结构，其包括具有不同热系数的至少两种材料，允许所述结构响应于结构的加热和/或冷却而从第一位置偏转到第二位置。
背景技术
触觉效果用于增强个人与电子装置的互动。触觉效果使得用户能够体验触觉，其通常由嵌入在装置中的致动器来生成。替代地或除经由显示器或音频装置的视觉和/或听觉效果之外，此触觉效果致动器提供用户与电子装置的互动的应答或反馈。仍然需要经由各种大小的装置中的不可见的用户接口提供此反馈。由于具有用户接口的越来越多的电子装置需要有效的功耗，此触觉效果致动器的大小和功耗变得更加重要。本领域中仍然需要具有低型面(profile)(例如薄的或紧凑的)且消耗较少功率的触觉效果致动器。
发明内容
鉴于前文，本文提供了用于向用户提供触觉反馈的系统和方法，特别是经由具有触觉反馈生成器的装置。
在实施例中，本文提供了用于向用户提供触觉反馈的系统。所述系统适当地包括具有触觉反馈生成器的装置，其中触觉反馈生成器包括双层材料条带。在实施例中，响应于温度变化，双层材料条带配置为在第一位置与第二位置之间偏转以向用户提供触觉反馈。
本文还提供了响应于用户接触触觉反馈生成器系统而在触觉反馈生成器系统中生成触觉反馈的方法。在实施例中，所述方法包括提高触觉反馈生成器系统中的第一热能源/散热器(sink)的温度，由此提高系统中的双层材料条带的温度，且将双层材料条带在第一位置与第二位置之间偏转以生成触觉反馈至用户。
附图说明
根据本技术的且如附图中说明的实施例的以下描述可更好地理解本技术的前述以及其它特征和方面。并入本文并且形成说明书的一部分的附图进一步用于说明本技术的原理。图中的部件不一定按比例绘制。
图1A至1B是根据此处的实施例用于向用户提供触觉反馈的系统的截面图。
图2A至2C是根据此处实施例的触觉反馈生成器的截面图。
图3是说明根据此处实施例的双金属条带的偏转与温度的曲线图。
图4是根据此处实施例的包括流体通道的热能源/散热器的图示。
图5是根据此处另一实施例的包括流体通道的热能源/散热器的图示。
图6是根据此处实施例的用于向用户提供触觉反馈且包括多个双层材料条带的系统的图示。
图7是根据此处实施例的用于向用户提供触觉反馈且包括多个双层材料条带的系统的剖面图。
图8A至8B是根据此处实施例的触觉反馈生成器的截面图。
图9是根据此处实施例的双层材料条带的截面图。
具体实施方式
将参考图式详细地描述各个实施例。对各个实施例的参考并不限制在此所附的权利要求书的范围。另外，本说明书中陈述的任何实例均不旨在具有限制性并且仅仅陈述所附权利要求书的许多可能实施例中的某些实施例。
在实施例中，本文提供了用于向用户提供触觉反馈的系统。如图1A和1B中说明性地所示，系统100适当地包括具有触觉反馈生成器106A的装置104，在实施例中触觉反馈生成器106A在本文还被描述为用户触摸式触觉信号生成器。
如本文所使用，“触觉反馈”是指诸如经由触感从如本文所述的系统传送至用户的振动、纹理和/或热量等的信息。触觉反馈也可被描述为本文实施例中的触觉反馈信号。
可包括触觉反馈生成器106A的装置104的实例包括各种可穿戴设备、移动电话和平板计算机、触摸板、键盘、游戏机和控制器等。
在实施例中，用户102与装置104互动。响应于互动，触觉反馈生成器106A通过朝用户102上升而变形或偏转为偏转式触觉反馈生成器106B(在本文实施例中还被描述为偏转式触觉信号生成器)从而产生触觉反馈108(例如，压力、触摸或振动)。虽然用户互动适当地包括触摸装置104的表面，例如，装置104的基底110(诸如触摸板表面、触摸屏、玻璃或塑料盖等)，但是在另外的实施例中，互动可包括直接触摸触觉反馈生成器106A。用户互动还可包括用户足够充分地接近触觉反馈生成器以开始偏转而不实际上触摸触觉反馈生成器。
在实施例中，触觉反馈生成器106A包括用于生成或提供可以由用户感觉到的触觉反馈力的双层材料条带202(参照图2A至2B)。由双层材料条带的致动提供的所生成的触觉反馈具有足够大的力以免被用户可以施加于触摸表面或触摸式用户接口(包括触觉反馈生成器106A和基底110)的用户法向接触压力抑制或阻断。即，触觉反馈力足够强使得用户102将能够感觉到双层材料条带202向上偏转抵抗用户的触摸。用于提高触觉反馈力的方法在本文已加以描述并且包括使用添加材料(诸如其它层或另外的质量)于双层材料条带202以提高其厚度或总重量。
图2A和2B是容置在装置104内或由装置104支撑的示例性触觉反馈生成器106A和偏转式触觉反馈生成器106B的截面图。如本文所述，在实施例中，触觉反馈生成器106A是触摸式反馈生成器，但是开始如本文所述的触觉反馈不需要直接触摸。
触觉反馈生成器106A适当地包括双层材料条带202，其(例如)如图2B中所示般在双层材料条带202的相对端214和216处耦合至基底110或装置104。在实施例中，双层材料条带202可使用(例如)各种粘附剂或胶水、橡胶附接点或机械枢轴、铰链或允许双层材料条带在第一位置与第二位置之间枢转或偏转(包括允许振荡和振动)的其它连接元件附接在相对端214和216处，而不会脱离触觉反馈生成器106A。
当用户接触所述触觉反馈生成器106A(或基底110)时，开始使双层材料条带202从第一位置(图2A)偏转至第二位置(图2B)的过程以向用户102提供触觉反馈108，在所述第一位置中双层材料条带具有基本上凹入型面(profile)、突出远离用户，在所述第二位置中双层材料条带具有基本上凸出型面、朝用户突出。触觉反馈108确认用户与触觉反馈生成器106A接触(或足够接近互动)。如图2B中所示，触觉反馈生成器106A偏转(即，变形或“跳变(snap)”)至偏转式触觉反馈生成器106B。
在实施例中，双层材料条带202包括第一层204和第二层206。第一层204和第二层206是全部沿第一层204与第二层206之间的公共边界208彼此相关联、粘合或以其它方式粘附的两种条带状(或分层的)材料。条带状表示第一层204和第二层206以及因此双层材料条带202具有某种结构，其中所述结构的长度长于其宽度且其厚度小于其宽度。
在另外的实施例中，双层材料条带202可包括多层，产生一结构，呈现出双层材料条带202的基本上类似的机械特性，其中多层结构如本文所述般响应于温度变化而从第一位置偏转至第二位置。例如，多层结构可包括三层、四层、五层、六层、七层、八层、九层、十层等，以最终形成双层材料条带202。多层结构可结合或粘附在一起以产生类似于双层材料条带202的结构，其基本上具有条带的两个不同部分(各自是由多层构成)，所述两个不同部分具有如本文所述的不同材料性质。
在实施例中，第一层204包括第一材料，且第二层206包括不同于第一材料的第二材料。在实施例中，第一和第二材料是如本文所述的金属材料，从而产生双金属条带。如本文所述，第一材料和第二材料可以选择为具有不同的热膨胀系数(CTE)。例如，实施例中的第一层204的第一材料可具有高于第二层206的第二材料的CTE。例如，在实施例中，第一材料可以是铜，且第二材料可以是铁。例如，S.Boisseau等人在Semi-flexible Bimetal- based Thermal Energy Harvesters,Smart Mater.Struct.22(2013)025021(8pp)中描述了用于双层材料条带202(包括双金属)的示例性材料，其公开内容据此以引用方式全部并入本文。
在实施例中，第一层204可具有高于第二层206的CTE。在加热时，第一层204比第二层206更快速地膨胀，从而导致在双层材料202中生成一应力，可为扭矩或其它力，随后使双层材料202在“跳变(snapping)”运动中从第一位置偏转至第二位置。在实施例中，构成双层材料条带202的层粘合在一起并且以某种方式处理使得建立具体的预设、定型或形状记忆配置用于双层材料条带202。例如，材料可被处理成形成为弯曲形状(即，图2A的凸形)，或材料可处理成(诸如通过冲压)形成为V形，从而在本文所述的温度变化之前提供双层材料条带的初始或定型/记忆配置。例如，弯曲形状或V形配置中的设置可以经由冲压(例如，使用机械冲模或印模以使双层材料条带形成为弯曲或V形)而完成。
通过加热双层材料条带202，材料层(如本文所述的2个或更多个材料层)的温度升高。双层材料条带202中的不同材料的不同热膨胀系数(CTE)使双层材料条带202的两层之间的力差值增大。在加热期间，耦合力矩出现在双层材料条带202的固定端处(即，图2B中的214和216处)。高的横向力归因于构成条带的材料的热膨胀系数的差值而出现的不同热膨胀速率所致。在其中耦合的幅度克服双层材料条带中的曲率的临界点处，导致双层材料条带跳变或变形。当条带冷却时，双层材料条带202中的力或应力差值消失或松弛，且收缩使先前累积的应力颠倒并且使条带恢复至其原始定型曲率或V形或其它配置。参见Timoshenko,S.于1925年发表在Journal of the Optical Society of America(美国光学协会期刊)第11版第233页至第255页的“Analysis of Bi-Metal Thermostats(双金属恒温器的分析)”(其公开内容以引用方式全部并入本文)以进一步描述双层材料条带202响应于加热和冷却的移动中所涉及的物理学现象。
双层材料条带202的材料之间的CTE差值使得双层材料条带202在加热或冷却时能够弯曲，由此导致机械移动或偏转。在一个实例中，当双层材料条带202在初始状态中弯曲(如图2A中所示)或为V形时，双层材料条带202在加热时可变形或从图2A中的第一位置偏转至图2B中的第二位置，且接着在冷却时变形或偏转回图2A中的第一位置。
图3示出了用于本文所述的实施例的示例性双层材料条带202(适当地为双金属条带)的滞后循环。图3说明了约42℃至约48℃的温度范围内的偏转，其示出了以微米为单位的最大偏转。图3表明随着双层材料条带的温度的上升(图3中的虚线)，条带达到“跳变启动温度”(图3中的约47℃)，其中条带经历快速偏转而无需进一步可检测的温度上升。在此温度下，双层材料条带202从较低热能源/散热器(即，较低或底部热源)偏转或“跳变”至与上部热能源/散热器(即，上部或顶部冷源)接触，如下文所述。当热量从双层材料条带202传送至热能源/散热器(导致条带冷却)时，双层材料条带的温度降低直至其达到约42.5℃的拐点温度(参照图3中的实线)。当达到此拐点温度时，材料从与上部冷源接触偏转或跳变至再次与较低热源接触。
在实施例中，双层材料条带202由于其偏转所致的移位将为数百微米至若干毫米的数量级。此移位或偏转是从条带的初始位置(例如，图2A的凹入配置)测量至条带的偏转位置(例如，图2B中朝用户的凸出配置)。在其它实施例中，由偏转引起的双层材料条带的移位是约0.1mm至约5mm、约0.1mm至约2mm、约0.1mm至约1mm或约0.1-0.5mm，以向用户提供各种触觉反馈效果。此移位可以仅仅由于用户的每一次交互而发生一次，即，用户与系统交互时发生一次偏转或变形，或用户的每一次交互可以发生若干或多次移位。
在如上文提及的其它实施例中，移位可为数十微米至数百微米的数量级，但是频率为每一次用户交互发生一次以上移位，即，每当用户与系统交互时多次偏转或变形，产生振荡或振动。在发生振荡的实施例中，双层材料条带202的振荡频率可为1Hz至约1000Hz和适当地约1Hz至约100Hz的数量级，或10-100Hz、10-50Hz或约10-20Hz的数量级。
为了响应于温度变化(包括加热和冷却二者)而快速地变形或恢复至初始或原始状态或配置，双层材料条带202适当地具有最小厚度以维持结构完整性并同时还允许触觉反馈。薄的双层材料条带的使用允许快速加热和冷却，且因此允许快速偏转或跳变。适当地，“薄”在本文意味着双层材料条带202的厚度为约1μm至约1mm、约1μm至约500μm、更适当地约1μm至约400μm、约1μm至约300μm、约10μm至约300μm、约50μm至约300μm、约50μm至约200μm、约50μm至约150μm、约50μm至约100μm、约20μm、约30μm、约40μm、约50μm、约60μm、约70μm、约80μm、约90μm、约100μm、约110μm、约120μm、约130μm、约140μm、约150μm、约160μm、约170μm、约180μm、约190μm或约200μm的数量级。
应注意，双层材料条带202的形状和几何形状并不限于仅仅矩形或常规形状的元件，而是可具有应用或用户所需要的任何几何形状，包括各种圆盘形状、圆形形状、椭圆形形状、不规则形状或其它合适的几何形状。双层材料条带202的尺寸(即，长度、宽度、直径、周长等)还可取决于最终应用，但是将大致上为毫米至厘米至数十厘米的数量级。
如本文所述，导致双层材料条带202从第一位置(图2A)偏转至第二位置(图2B)以向用户102提供触觉反馈108(且因此确认接触或接近接触)的条件/环境的过程、动力或改变是温度变化或又如本文所述是热过程。如本文所使用，“热过程”是指借此热量被传送至双层材料条带202和/或从双层材料条带202传送从而使双层材料条带的温度变化和条带偏转的过程。
如图2A中所示，例如在平衡温度下(例如，室温(约20℃至25℃)(或系统100可能的正常操作温度)下)，双层材料条带202处于凸出配置(即，弯曲远离用户102)并且朝向热能源/散热器212。在实施例中，条带的第一层204具有较高CTE并且设置在具有较低CTE的第二层206上方。在此配置中，双层材料条带202处于第一位置(或向下状态)且双层材料条带202可与热能源/散热器212接触。图2A中所示的第一位置适当地为条带的定型或形状记忆弯曲或V形配置。
在实施例中，温度变化由于热能从用户102传送至第一热能源/散热器212(由用户与触觉反馈生成器106A或基底110或装置104的其它部分接触或足够接近交互引起)而发生。在示例性实施例中，触觉反馈生成器106A可包括(例如)如图2A和2B中所示的两个热能源/散热器210、212。还可利用另外的热能源/散热器。热能从用户102传送至例如热能源/散热器212提高了热能源/散热器212的温度，这继而又提高了双层材料条带202的温度，如本文所述。
用户102与热能源/散热器212之间的热量传送可由于用户与热能源/散热器210(或包括基底110的装置104的其它部分)接触而发生，接着可将热量传送至热能源/散热器212。双层材料条带双202的温度升高是由双层材料条带202与热能源/散热器212之间的直接物理互动(包括经由接触进行的传导)所致。如本文所述，温度升高使双层材料条带202从第一位置(图2A)偏转至第二位置(图2B)，这是由于较高CTE材料(层204)的加热快于层206，导致力效应、热应力、热弯曲或材料中的扭矩以及从第一位置至第二位置的偏转。
温度升高还可由仅仅通过加热周围空气(例如，对流)或触觉反馈生成器106A的其它元件将热量从热能源/散热器210传送至双层材料条带202所致。在实施例中，由用户的接触引起的热能源/散热器210的加热可通过对流(从一个热能源/散热器至另一个热能源/散热器)将热量传送至热能源/散热器212，由此最终给热能源/散热器212提供足够多热量以提高双层材料条带202的温度并且引起偏转。
如本文所使用，“热能源/散热器”是指能够吸收和传送热量、作为热源(将热量传导至另一种材料)或作为热量散热器(消除或耗散来自另一种材料的热量)的材料。在实施例中，用于本文所述的系统的热能源/散热器可取决于系统的配置和设计而用作热源和散热器。
在实施例中，双层材料条带202如图2B中所示般偏转至其第二位置使偏转式触觉反馈生成器106B的表面接触用户，或诸如图1B中所示引导朝向用户。在实施例中，偏转的触觉反馈生成器106B可以弯曲成突出至装置100的表面上方或超过装置100的表面。在其它实施例中，偏转的触觉反馈生成器可朝用户102移动基底110(其可为触摸板表面、触摸屏或玻璃或塑料盖等)。
在另外的实施例中，温度变化可进一步包括降低双层材料条带的温度。此温度变化可归因于热能由于消除用户102与偏转的触觉反馈生成器106B的接触而从双层材料条带202至热能源/散热器(例如，210)的传送而发生。即，当用户102消除与偏转的触觉反馈生成器106B的接触时，热能源/散热器210经由来自热能源/散热器210的热量的被动扩散而冷却，从而允许热能从双层材料条带202传送至热能源/散热器210，这继而又降低了温度或冷却了双层材料条带202。
通过优化双层材料条带202的厚度和材料选择(如本文所述)，此冷却可足够迅速使得双层材料条带202的温度降低导致双层材料条带202从第二位置(图2B)偏转返回至第一位置(图2A)，或换句话来说导致双层材料条带202从第二位置(图2B)恢复或松弛至其定型或形状记忆的第一位置(图2A)。加热、偏转、冷却和恢复偏转的此过程可通常按照具体应用的需要或要求重复。依赖于来自用户加热(和最终冷却)热源/散热器的热能的使用的此实施例在本文称为“被动”热过程或“被动”温度变化。
在另一实施例中，双层材料条带202可将热能传送至主动冷却的热能源/散热器(例如，210)，其中热能源/散热器(例如，210)可以在由消除(或停止)用户与触觉反馈生成器的接触触发时或响应于消除(或停止)用户与触觉反馈生成器的接触而提供主动冷却。在此实施例中，归因于主动冷却，双层材料条带202的温度降低，使条带从第二位置偏转返回至第一位置。如图2A至2B中说明，在此实施例中，双层材料条带202在图2A中的第一位置中开始。继由于来自用户102的能量传送而加热之后，双层材料条带202如图2B中所示般偏转至第二位置。当用户102停止与触觉反馈生成器(现在是偏转的触觉反馈生成器106B)接触时，这触发了热能源/散热器210的冷却，例如经由本文所述的各种主动方法(例如，风扇、液体通道或管等)。热能接着可从双层材料条带202传送至热能源/散热器210，结果使条带的温度降低。此热能传送使条带偏转返回至第一位置，因为上部或第一层204的较高CTE产生了更快的冷却，且允许恢复至图2A中的双层材料条带202的初始弯曲配置。如针对本文的其它过程所述，加热、偏转、冷却和恢复偏转的此过程可通常按照具体应用的需要而重复。
冷却热能源/散热器(例如，210且如果需要的话还有212)的方法包括使用风扇、水或其它液体或快速散热的其它方法。在示例性实施例中，如图4和5中所示且如本文更详细的描述，热能源/散热器可包括允许流体循环以辅助热能散热器的冷却(散热)的流体通道，且在其它实施例中还可用于提供热能源(加热)。流体通道可以提供使流体冷却介质或冷却液体流过的一个或多个通道，其中液体冷却介质循环通过与触觉反馈生成器热隔离的热交换器。热量从液体中消除，且接着液体再循环以继续消除来自与双层条带202接触的热能源/散热器的热量。在另一个实施例中，双压电冷却器还可用于辅助热能源/散热器的冷却。此压电冷却器通常依赖于弯折作用以跨热源发射空气脉冲。所述作用由具有所述装置的压电致动器驱动以将空气推出并且产生带走周围空气的湍流以产生喷射流并且增加热传送。参照例如AAVID热合金的“双股冷却喷流”，低型面鼓风机(加利福利亚州圣何塞市)。
不依赖于来自用户接触以加热(或用户停止接触以冷却)热能源/散热器的热能的使用的另外实施例在本文称为“主动”热过程，并且利用一个或多个加热元件或热源和/或冷却机构以改变热能源/散热器的温度并且因此改变双层材料条带202的温度。
例如，当用户102与触觉反馈生成器106A(或基底100)接触时可触发双层材料条带的温度上升。此接触可触发热能源/散热器(例如，212)的加热，这继而又由于双层材料条带202与热能源/散热器212接触而提高双层材料条带202的温度。一旦条带中达到一特定温度/应力，温度上升使双层材料条带从第一位置(图2A)偏转至第二位置(图2B)，这向用户102产生了触觉反馈。在此实施例中，用户102的接触仅仅用作系统100触发或开始热能源/散热器(例如，212)的加热的信号。因此，并非来自用户触摸的热传送用于提高双层材料条带202的温度，而仅仅是用户触摸触觉反馈生成器106A(或基底110或装置100的其它部分)的事实使热能源/散热器被加热并且因此提高温度。这最终加热双层材料条带202，并且产生从第一位置(图2A)至第二位置(图2B)的偏转。
如本文所述，用于加热热能源/散热器210和212的方法包括各种传导方法，诸如使用电加热元件、摩擦加热元件、振动加热元件以及本领域中已知的加热热能源的其它方法。热能源/散热器210和212的加热可经由任何合适的方法(包括常规加热、传导加热或辐射加热)进行。此方法还可用于将热量从能源/散热器传送至双层材料以产生本文所述的温度变化。
在实施例中，当用户102停止与偏转的触觉反馈生成器106B接触时，热能被传送至第二热能源/散热器(例如，210)。在实施例中，如本文所述，热能源/散热器210可经由本文所述的各种方法冷却，从而允许热能从双层材料条带202传送至热能源/散热器210。这使条带冷却，并且使条带偏转返回至第一位置。如本文所述，加热、偏转、冷却和恢复偏转的此过程可通常按照具体应用的需要而重复。
主动和被动温度变化以及本文所述的相关热过程可适当地使双层材料条带202在第一热能源/散热器(例如，212)与第二热能源/散热器(例如，210)之间的腔体214(诸如装置104的腔体)中振荡。如本文所述，双层材料条带202使用(例如)各种粘附剂或胶水、橡胶附接点或机械枢轴、轴或允许双层材料条带从第一位置枢转或偏转至第二位置(包括允许振荡和振动)的其它连接元件附接在相对端214和216处而不会脱离触觉反馈生成器106A时适当地发生振荡。
双层材料条带202的振荡在局部表面区域中产生振动触觉反馈(例如，示为108的触觉反馈)，向用户102提供确认与触觉反馈生成器106A接触的反馈。如本文所述，在其中发生振荡的实施例中，双层材料条带202的振荡频率可为1Hz至约1000Hz，且适当地约1Hz至约100Hz的数量级，或10-100Hz、10-50Hz或约10-20Hz的数量级。
在示例性实施例中，用于传送热量至双层材料条带202/从双层材料条带202传送热量的热能源/散热器(例如，210/212)适当地包括多孔材料。多孔材料的使用根据需要允许热能源/散热器的快速加热和冷却。
在更进一步的实施例中，双层材料条带202的至少一种材料(例如，第一层204或第二层206中的一个，以及适当地二者)是多孔的。正如热能源/散热器，使用多孔材料制造双层材料条带辅助快速加热和冷却条带的能力，以实现本文所述的系统100中的更快偏转。适当地，材料的多孔性使材料的热质量降低为比具有相同几何形状的对应材料(如果所述材料是无孔的)的热质量低至少约15％。在实施例中，热质量降低为比具有相同几何形状的对应无孔材料的热质量低至少约20％或至少约30％、至少约40％或至少约50％。
在本文所述的实施例中(包括其中温度变化是由主动或被动加热提供)，系统100可进一步包括耦合至双层材料条带202的顶面或底面的弹簧(包括杠杆或其它可压缩或可伸缩元件)。图2C示出了其中弹簧220可附接至双层材料条带202的底面222的定向。弹簧在条带偏转期间是机械伸长的或机械压缩的，且接着当用户停止与触觉反馈生成器106A(适当地偏转的用户触摸式触觉反馈生成器106B)接触时使双层材料条带202返回至第一位置，参照图2A。弹簧220是机械弹簧或杠杆，并且通常不会由于弹簧的加热或冷却启动，而仅仅是由于使弹簧恢复至其原始形状和定向的延伸或压缩而启动。
在更进一步的实施例中，用户102可以直接接触双层材料条带202，从而产生从用户102至条带或从条带至用户的直接热传送，加热(或冷却)条带并且产生从第一位置至第二位置的偏转。如本文所述，取决于形成双层材料条带202的第一层204和第二层206的热膨胀系数，用户102(即，用户的手指)与例如双层材料条带202的第一层204之间的接触可用作热源或散热器以当双层材料条带被加热至用户的体温(例如，约34℃)时增加或降低双层材料条带中的应力差值。双层材料条带202的示例性材料可选择为具有在约30℃至40℃的温度下最佳地操作的相对和绝对热膨胀系数。因此，用户102与双层条带202之间的接触将传送热能以使双层材料条带的温度上升并且由此向用户提供触觉反馈。在此实施例中，无需利用单独的热能源/散热器以提供双层材料条带的温度变化，因为所有加热和冷却均是仅仅经由用户与条带材料之间的热传送而适当地实行。
如本文所述，有利的是利用各种系统100中的超薄双层材料(适当地，双金属)条带。示例性材料包括Al和二氧化硅(SiO2)层或二氧化硅和聚偏氟乙烯(PVDF)层，其可具有适用双金属振荡器的尺寸范围中的总条带厚度(例如，1-100μm)。在其它实例中，多个薄条带可以平行或堆叠配置布置以产生具有包括不同的热特性和材料特性的两个不同层或部分的双层材料条带202。
在实施例中，双层材料条带202包括两个不同材料层或部分，所述材料具有不同的热膨胀系数(即，(低和高))值。一个实例是两种合金金属的组合(即，双金属材料)；具有CTE＝26.4×10-6/°K的B72M(Mn Cu 18Ni 10)和具有CTE＝2×10-6/°K的(FeNi)。另外的示例性双层材料以及双金属包括但不限于N42(Fe Ni 42)、NC4(Fe Ni 23Cr3)、B6M(FeNi 21Mn 6)；Al(CTE＝0.25×10-5/°K)和硅(CTE＝2.6×10-6/K)；PVDF(CTE＝122×10-6/K)和SiO2(CTE＝0.4×10-6/K)；PVDF(CTE＝122×10-6/K)和Al(CTE＝0.25×10-6/K)；以及PVDF和聚酰亚胺(CTE＝3×10-6/K)。
在另外的实施例中，单层或双层金属可结合诸如形状记忆金属(SMA)或形状记忆聚合物(SMP)等材料以产生高性能致动器。由于金属材料的温度变化所致的形状变化结合由SMA或SMP的致动所产生的致动可产生协同效应，其中致动扩大或放大。此材料可制备在多层结构中并且在本文讨论的各个实施例和应用中利用。
如本文所述般的处理和制造双层材料条带202包括(例如)通过轧制或电镀过程以将两个金属层粘合在一起来处理用于制造双层条带的条带材料(诸如双金属合金)。在使用铝(Al)和硅的情况中，可使用热蒸镀(溅镀方法)(PVD)制造材料。例如，薄膜Al可溅镀至硅材料的薄截面上。薄氧化物层(诸如Al2O3或SiO2)可形成在Al与硅材料层之间以提供电保护(为了此描述的目的，此结构仍然将被视为根据本文描述的双层材料)。例如，当使用PVDF和Al时，首先使用膜浇制方法(旋涂、溶剂蒸发)沉积PVDF材料的薄膜。在下一个步骤中，Al的薄层可沉积至PVDF材料条带的一侧上。当使用诸如PVDF/聚酰亚胺等其它材料组合时，可采用简单的粘合机构或等离子体增强粘附方法以增强两种材料之间的粘附。另外，薄金属材料层可叠层在两个聚合物层之间以便随后用作(电阻式)加热元件(源)。
本文所述的方法和系统设计成在其中热传送极快速进行的条件下操作，从而产生极快的系统响应时间(条带跳变)。双层材料条带202的极薄尺寸转化为极低热质量，使得条带的加热和冷却可极快速地发生。冷却速率由双层材料条带202的热传导(通过传导式热传送的热传送)的速率限制。热能适当地从双层材料条带202的表面消除，且因此利用薄的双层材料条带202最小化可保持的热能量，辅助迅速加热/冷却和迅速偏转。
如本文所述，无论使用双层材料条带的被动或主动温度变化，均可实施诸如图4和5中所示的冷却元件。图4示出了微通道热交换器400，其中在热能源/散热器的顶部截面404中的微通道402接收冷却剂并且将冷却剂流体导向至底部截面406的微通道402，因为顶部截面与底部截面之间的空间具有呈波纹图案的在它们之间延伸的热传送散热片408，其在辐射器技术中众所周知的用于提供大表面区域，通过散热片侧向流动(参照箭头)的空气可暴露于该大表面区域。如本文所述，此冷却机构的使用使得双层材料层202快速传送热量至热能源/散热器(例如，210)以实现双层材料层202快速偏转和恢复偏转。类似的微通道系统还可用于根据需要如本文所述般通过(例如)使用加热后的流体加热热能源/散热器。图5示出了其中仅利用一组微通道402的微通道热交换器510的类似实施例。
除穿过热能源/散热器的微通道之外，通道802中的流体还可行进至热能源/散热器(例如210/212)上方或下方以控制温度(参照图8A)。在其它实施例中，流体可在柔性管或通道804中行进至双层材料条带202上方或下方，而无需用作热能源/散热器(例如，210/212)的另外元件(参照图8B)。虽然所示柔性管或通道804仅仅延伸在双层材料条带202的部分截面上方和上面，但是应当理解的是，管或通道804适当地可在双层材料条带202的整个长度上方延伸。
在更进一步的实施例中，冷却或加热元件(诸如电子加热元件或流体通道)可(例如)通过使流体通道或管806行进通过第一层204和第二层206的多孔材料而直接添加至双层材料条带202以不仅将条带用作偏转元件，而且用作自加热和自冷却元件。参照图9。单个或多个通道或管806可按照要求用于适当地控制双层材料条带202的温度。在实施例中，管806可由柔性材料制成以允许双层材料条带202发生偏转和移动。
在其它实施例中，系统100可包括双压电冷却器以用作低功率主动冷却鼓风机(参照图9的冷却器902)。在另一实例中，一组相对板可被充电为对空气分子提供离子充电，所述相对板在移动时影响邻近于也在移动的电离分子的空气分子以及引起空气运动而增强冷却(参照图9的一组板904)。
双层材料的转变温度和温度差适当地尽可能低。例如，双层材料条带202配置为在约30℃与47℃之间的温度下偏转或“跳变”。对双层材料适当地进行选择和配置(编程)以在各种期望温度和温度差下工作。
如本文所述的超薄系统可实施在许多装置(穿戴式、移动式、游戏、移动电话、触摸板等)上以提供触觉反馈并且需要最少能量(来自用户的体热或外部加热装置)。
用户的手指施加于系统的基底110或触觉反馈生成器106A与用户作为响应而检测触觉反馈之间的时间流逝称为系统的响应时间。系统的响应时间取决于选择用来构成双层材料条带的材料以及如本文所述的物理配置。另外，具体系统的响应时间取决于热质量和热的热源/散热器与冷的热源/散热器之间的热量传送速率以及双层材料条带的材料。适当地，本文所述的系统的响应时间是毫秒(即，1毫秒至100毫秒)的数量级。
在实施例中，考虑以下参数以改进系统的响应时间(性能)。
·使用多孔材料(例如，多孔Si、PVDF、AL等)，用于最小化双层材料条带的每一层的热质量以实现更好的性能(改进响应时间)；
·使用极薄(微米大小)但坚固的材料；
·使用薄的冷却装置，诸如双压电冷却器，以最大化冷却；
·修改来自两层至三层或更多层的双层材料条带202，用于改进材料层内和之间的传导热传送；
·双层材料条带202配置在密封(或封闭冷却的)系统中，所述系统可以包括使用热传送流体与相应部件的外部或内部冷却通道表面接触以当致动过程开始和进行时改进具有不同温度的系统部件之间的热传送速率。
触觉反馈过程还可通过将双层材料条带202配置在两个热能源/散热器(即，加热源(或散热器))之间来加速以加速双层材料条带的加热。例如，双层材料条带的顶面可暴露于具有温度T1的热质量(冷源)且双层条带的底面可配置为与具有温度T2的第二热质量(热源)热连接(参照图2A和2B)。双层材料条带中的较高CTE材料在顶部上、面向双金属条带在其中移动的致动器系统内侧的冷源。
当使用此系统配置时，触觉反馈生成器振动或变形的初始启动时间和后续速率取决于从热能源/散热器(热和冷)至双层材料条带202的热能量传送的速率和双层材料条带中的两层的相关温度下降和上升、构成双层条带的两种材料的CTE(热膨胀系数)以及它们的环境温度、几何形状(配置)，如系统组装期间所设置的。
图6和7示出了如本文所述的触觉反馈生成器的替代布置。参考图6，所示多个双层材料条带202为以平行配置组装在触觉反馈生成器的腔体702中(参照图7)，且还被示为设置在两个热能源/散热器(210/212)之间，例如多个条带的第一侧上的热源与多个条带的第二侧上的冷源之间。
图7示出了其中触觉反馈生成器的热能源/散热器210/212已被移除且描绘出双层材料条带202的剖面图。图2提供图6和7的实施例中所示的多个双层材料条带中的示例性双层材料条带202的截面图。所示双层材料条带是如本文所述般由具有两种不同的热膨胀系数的两种不同材料制成的极薄条带(笔直或具有一定的曲率)。它们是以平行配置布置的。可使用任何数量的双层材料条带，适当地为2个或更多个、更适当地为约2个至约100个双层材料条带或约10个至约100个、约20个至约100个、约20个至约50个或约10个、约20个、约30个、约40个、约50个、约60个、约70个、约80个、约90个或约100个双层材料条带。双层材料条带可以具有适当地在约10μm至100μm的范围中的类似或不同厚度。
本文还提供响应于用户接触触觉反馈生成器系统在触觉反馈生成器系统中生成触觉反馈的方法。在实施例中，此方法包括提高触觉反馈生成器系统中的第一热能源/散热器的温度，由此提高系统中的双层材料条带的温度。所述方法进一步包括使双层材料条带在第一位置与第二位置之间偏转以向用户生成触觉反馈。
如本文所述，在实施例中，提高第一热能源/散热器的温度涉及由于用户与触觉反馈生成器系统接触而将热能从用户传送至第一热能源/散热器(即，如本文所述的被动温度变化)。在其它实施例中，提高第一热能源/散热器的温度利用通过用户与触觉反馈生成器接触而触发的加热第一热能源/散热器(即，如本文所述的主动温度变化)。
在其它实施例中，所述方法进一步包括当用户停止与触觉反馈生成器接触时将热能从双层材料条带传送至第二能源/散热器，以及将双层材料条带从第二位置偏转至第一位置。在更进一步的实施例中，当用户停止与触觉反馈生成器接触时将热能从双层材料条带传送至第二热能源/散热器，以及将双层材料条带从第二位置偏转至第一位置。
虽然上文已经描述了各个实施例，但是应当理解的是，它们仅呈现为本技术的说明和实例而没有限制。本领域技术人员将明白的是，在不脱离本技术的精神和范围的情况下可在其中做出形式和细节上的各种改变。因此，本技术的范畴和范围不应受任何上述实施例限制，而应当仅根据所附权利要求书和它们的等效界定。还将理解的是，本文讨论的每个实施例的每个特征以及本文叙述的每一次参考均可结合任何其它实施例的特征来使用。本文讨论的所有专利和公开案以引用方式全部并入本文。
Claims (21)
1.一种用于提供触觉反馈至用户的系统，所述系统包括：
具有触觉反馈生成器的装置，其中所述触觉反馈生成器包括：
双层材料条带，
其中响应于温度变化，所述双层材料条带配置为在第一位置与第二位置之间偏转以向用户提供触觉反馈。
2.根据权利要求1所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双层材料条带是双金属条带。
3.根据权利要求2所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双金属条带具有弯曲型面和V形型面中的一个。
4.根据权利要求1所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双层材料条带具有约1μm至约200μm的数量级的厚度。
5.根据权利要求1所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述触觉反馈生成器进一步包括第一能源/散热器。
6.根据权利要求5所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述温度变化是归因于当用户与所述触觉反馈生成器接触时热能从用户传送至所述第一热能源/散热器而发生的所述双层材料条带的温度上升，其中所述温度上升使所述双层材料条带从所述第一位置偏转至所述第二位置。
7.根据权利要求6所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述触觉反馈生成器进一步包括第二能源/散热器，且其中所述温度变化是归因于当用户停止与所述触觉反馈生成器接触时热能从所述双层材料条带传送至所述第二能源/散热器而发生的所述双层材料条带的温度下降，其中所述温度下降使所述双层材料条带从所述第二位置偏转至所述第一位置。
8.根据权利要求1所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双层材料条带沿朝向用户的方向从所述第一位置偏转至所述第二位置。
9.根据权利要求5所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述温度变化是归因于当用户与所述触觉反馈生成器接触时触发的所述第一热能源/散热器的加热而发生的所述双层材料条带的温度上升，其中所述温度上升使所述双层材料条带从所述第一位置偏转至所述第二位置。
10.根据权利要求9所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述触觉反馈生成器进一步包括第二能源/散热器，且其中所述温度变化是归因于当用户停止与所述触觉反馈生成器接触时热能从所述双层材料条带传送至所述第二能源/散热器而发生的所述双层材料条带的温度下降，其中所述温度下降使所述双层材料条带从所述第二位置偏转至所述第一位置。
11.根据权利要求1所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述触觉反馈是由所述双层材料条带的振荡产生的振动触觉反馈效果。
12.根据权利要求5所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述第一热能源/散热器包括多孔材料。
13.根据权利要求5所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述第一热能源/散热器包括流体通道。
14.根据权利要求6所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双层材料条带的底面耦合至一弹簧，当用户消除与用户触摸式触觉反馈生成器的接触时使所述双层材料条带返回至所述第一位置。
15.根据权利要求9所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双层材料条带的底面耦合至一弹簧，当用户停止与用户触摸式触觉反馈生成器接触时使所述双层材料条带返回至所述第一位置。
16.根据权利要求1所述的用于提供触觉反馈的系统，其中所述双层材料的至少一种材料是多孔的。
17.一种响应于用户与触觉反馈生成器系统的接触而在所述触觉反馈生成器系统中生成触觉反馈的方法，其包括：
提高所述触觉反馈生成器系统中的第一热能源/散热器的所述温度，由此提高所述系统中的双层材料条带的温度；以及
使所述双层材料条带在第一位置与第二位置之间偏转以向用户生成触觉反馈。
18.根据权利要求17所述的方法，其中提高所述第一热能源/散热器的温度包括由于用户与所述触觉反馈生成器系统接触而将热能从用户传送至所述第一热能源/散热器。
19.根据权利要求17所述的方法，其中提高所述第一热能源/散热器的温度包括由用户与所述触觉反馈生成器系统接触触发的加热所述第一热能源/散热器。
20.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括当用户停止与所述触觉反馈生成器接触时将热能从所述双层材料条带传送至第二热能源/散热器，以及将所述双层材料条带从所述第二位置偏转至所述第一位置。
21.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括当用户停止与所述触觉反馈生成器接触时将热能从所述双层材料条带传送至第二热能源/散热器，以及将所述双层材料条带从所述第二位置偏转至所述第一位置。
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