CN106484096B - 平行板致动器 - Google Patents

Abstract

本申请总体上涉及触觉致动器。例如，该申请涉及高性能平行板致动器，并且更加具体地为能够用于在各种应用诸如按钮、面板、轨迹板、触摸板、可穿戴装置、游戏装置和/或触摸敏感表面中提供触觉反馈的致动器。

Description

平行板致动器

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年8月25日提交的美国临时专利申请第62/209,738号、标题为“Parallel Plate Actuator(平行板致动器)”的权益，其公开内容以引用的方式全部并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及触觉致动器。例如，该申请涉及高性能平行板致动器，并且更加具体地为可以用于在各种应用诸如按钮、面板、轨迹板、触摸板、可穿戴装置、游戏装置和/或触摸敏感表面中提供触觉反馈的致动器。

背景技术

触觉效应用于增强个体与电子装置的相互作用。触觉效应使得用户能够体验触觉，这通常由嵌入在装置中的致动器生成。可替代地或者除了视觉和/或音频效应之外经由显示器或者音频装置，这种触觉效应致动器提供对用户的与电子装置的相互作用的确认或者反馈。

偏心旋转质量(ERM)电机和线性谐振致动器(LRA)体积大并且一般不提供局部触觉反馈。智能致动器诸如压电聚合物/陶瓷和智能凝胶已经使用但是通常较弱或者不能提供较强的局部振动。而且，很多设计成仅仅提供恒定的加速度/振动的方式。常规的用于触觉的平行板致动器需要高电压并且一般而言具有弱的阻滞力(blocking force)。

因此，需要薄的致动器来生成触觉反馈。

发明内容

综上所述，此处提供了用于向用户提供触觉反馈的系统和方法，包括平行板致动器。

在各个实施例中，此处提供了用于向用户提供触觉反馈的致动器。适当地，这种致动器包括平行板结构，该平行板结构包括：第一板，该第一板包括第一导体和至少第一绝缘体；第二板，该第二板包括第二导体和至少第二绝缘体；以及一个或者多个间隔件，该间隔件定位在第一板与第二板之间并且使其分开。适当地，平行板结构的在第一力作用下通过用户的第一接触提供来自静电相互作用的触觉反馈，并且在大于第一力的第二力作用下通过用户的第二接触按压间隔件并且向用户激活额外的触觉反馈。

此处还提供了用于向用户提供触觉反馈的致动器，包括第一电极、第二电极和一个或者多个间隔件，该间隔件定位在第一电极与第二电极之间并且使其分开。适当地，致动器的在第一力作用下通过用户的第一接触提供来自静电相互作用的触觉反馈，并且在高于第一力的第二力作用下通过用户的第二接触按压间隔件并且激活来自静电相互作用的额外的触觉反馈。

在另外的实施例中，此处提供了用于响应于第一接触和第二接触向用户提供第一触觉反馈和第二触觉反馈的装置。在各个实施例中，该装置包括衬底和与衬底相关联的平行板结构。该平行板结构包括：第一板，该第一板包括第一导体和至少第一绝缘体；第二板，该第二板包括第二导体和至少第二绝缘体；以及一个或者多个间隔件，该间隔件定位在第一板与第二板之间并且使其分开。在第一力作用下通过用户的第一接触提供来自静电相互作用的第一触觉反馈，并且在高于第一力的第二力作用下通过用户的第二接触按压间隔件并且激活第二触觉反馈。

附图说明

通过各个实施例的以下说明和如附图所示的将更好理解前文和本技术的其它特征和方面。所附附图，其并入此处并且构成说明书的一部分，进一步用于图示本技术的各项原理。在附图中的各个部件不必按照比例绘制。

图1A示出了根据其一个实施例用于提供触觉反馈的致动器的截面图。

图1B示出了根据其一个实施例的压缩间隔件的截面图。

图2示出了根据其一个实施例用于提供触觉反馈的另外的致动器的截面图。

图3示出了根据其一个实施例用于提供触觉反馈的进一步的致动器的截面图。

图4示出了根据其一个实施例的间隔件结构的截面图。

图5示出了根据其一个实施例的进一步的间隔件结构的截面图。

图6示出了根据其一个实施例包括用于提供触觉反馈的致动器的装置。

具体实施方式

各个实施例将参照各个附图进行详细描述。参照各个实施例不对在此所附的权利要求的范围构成限制。附加地，在本说明书中提出的任何示例不旨在限制而是仅仅提出针对所附权利要求的多个可能实施例中的某些实施例。

在各个实施例中，此处提供了用于向用户提供触觉反馈的薄的致动器。薄的致动器适当地基于平行板致动器，平行板致动器具有比简单平行板致动器更高的性能和/或不同的振动。致动器的性能通过提供具有智能材料致动器、压电(聚合物或者陶瓷)和/或水凝胶的平行板致动器而放大，如贯穿全文所描述的。

如此处所使用的，“触觉反馈”指经由触觉从如此处所描述的系统传输至用户的信息，诸如振动、质地和/或热等。触觉反馈此处也描述为提供“触觉反馈信号”。

在各个实施例中，例如，此处提供了用于向用户提供触觉反馈的致动器100，如图1A所示。

在各个实施例中，在图1A中示出的致动器100包括平行板结构108。平行板结构108是平行板致动器，其适当地包括第一板110，该第一板110包括第一导体116和至少第一绝缘体114。如图1A所示，在各个实施例中，第一板110还进一步包括另外的绝缘体118。

平行板结构108进一步包括第二板112，该第二板112包括第二导体120和至少第二绝缘体122。在各个实施例中，第二板112还可以进一步包括另外的绝缘体124。然而，在进一步的实施例中，不需要第二导体120包括绝缘体。而是，第一导体116(其最靠近用户)可以是平行板结构的需要绝缘体114的唯一导体。

如图1A所示，平行板结构108还包括一个或者多个间隔件126。间隔件126适当地定位在第一板110与第二板112之间并且使其分开。这就形成了此处所描述的称为“平行板”的配置，使得两个导电板或者导电元件通过间隔件元件分开，产生了一结构，该结构能够以在板之间的静电场的形式存储能量。

如图1A所示，在各个实施例中，致动器100还包括与平行板结构108相关联的衬底140，该平行板结构108为用户102提供用户接口。衬底140的各个示例包括各种触摸板或者屏幕、键盘结构、游戏板和其它装置接口。衬底140可以经由物理连接(例如，胶水、粘合剂、金属焊接等)或者经由至致动器100的电子(有线或者无线)耦合或者连接来与致动器100相关联。此处所描述的各个致动器和衬底可以集成到装置中，诸如但不限于，可穿戴装置、触摸屏、触摸板、移动电话、平板、游戏系统和控制器、计算机等。

提供了用户的与包含此处所描述的平行板结构触觉反馈104的装置或者组件的第一或者初始相互作用或者接触(例如，与衬底140或者其它用户接口的接触或者相互作用，若合适，包括与平行板结构108的直接接触)。通过用户的该第一接触或者相互作用是在第一力作用下。适当地，该第一、初始触觉反馈呈静电相互作用或者静电场的形式，响应于通过用户与组件、装置、衬底、接口或者直接与平行板的初始接触器相互作用而产生振动或者脉冲。在各个实施例中，通过用户的该第一或者初始接触是在第一力作用下，该第一力并不按压间隔件126，而是通过在吸引/排斥彼此的第一板与第二板110、112之间的静电力而简单地触发初始触觉反馈。

基于通过用户102的第二、进一步接触，例如，间隔件126受压，如图1B所示(受压的单个间隔件126的扩展图示)。第二接触是在第二力(其高于第一力)作用下，并且产生间隔件126的压缩。压缩向用户102激活第二、另外的触觉反馈。

在各个实施例中，第二接触是第一接触的延续部分。即，用户不从组件、装置、接口或者衬底(或者平行板结构)移开他或者她的接触，而是施加适当更高的第二力以发起额外的触觉反馈，如此处所描述的。在这种实施例中，如此处所使用的，第一接触和第二接触向用户简单地指定通过用户的初始相互作用和相关的反馈，随后为通过用户的进一步或者第二相互作用，随后向用户的额外的触觉反馈，其中第一接触和第二接触不通过用户的接触或者相互作用的移除来作区分。而是，用户维持接触或者相互作用，并且简单地增加(或者减少，或者重复)与包含平行板结构的组件或者装置的相互作用的力，产生此处所描述的不同的触觉反馈。

在示例性实施例中，一个或者多个间隔件126适当地包括水凝胶，包括智能水凝胶。如此处所描述的，“水凝胶”指能够吸收并且释放大量的水同时维持它们的结构整体性的交联亲水聚合物的网络。水凝胶展现出响应于外部刺激诸如盐浓度、缓冲条件或者组分、pH、温度、光以及电场而改变形状的能力。示例性水凝胶包括：例如，聚电解质诸如聚丙烯酸钠(pNaAc)，诸如在Palleau等人的在Nature Communications 4:2257(2013)的“Reversible patterning and actuation of hydrogels by electrically assistedionoprinting(水凝胶的通过电辅助离子印刷的可逆图案和致动)”中所公开的，其公开内容以引用的方式全部并入此处，包括用于水凝胶及其制备方法的公开内容在内。

在各个实施例中，在第二力作用下从第二接触通过压缩使水凝胶间隔件变形实现了第一板和第二板110、112移动更靠近在一起，增加在它们之间的静电相互作用(通过减小板之间的距离)，并且向用户提供第二、额外的触觉反馈。在各个实施例中，该第二、额外的触觉反馈与第一触觉反馈不同，从而使用户体验两个不同的触觉反馈(在这种实施例中，为静电相互作用)，一个来自与致动器100的第一、初始接触，并且另一个具有第二相互作用，该第二相互作用使间隔件126受压。

还是在进一步的实施例中，例如，通过将某些聚合物间隔件或者压电聚合物或者压电陶瓷、或者介电弹性体用作间隔件126，间隔件的压缩可以向致动器提供额外的能量。在这种实施例中，压电结构(即，聚合物或者陶瓷)的压缩可以向第一板和第二板110、112传输额外的能量，以进一步增加静电相互作用的强度或者持续时间，由此提供可以是更强的静电反馈的第二、额外的触觉反馈。由此，在某些实施例中，间隔件126可以向平行板结构108添加额外的致动，和/或增强其触觉响应。例如，智能凝胶或者聚合物可以在电场作用下扩展和/或变形，由此向系统提供额外的致动，和/或增强其触觉响应。

在另一实施例中，如关于在图2中的致动器200所示，压电结构202可以设置在板110与112之间。基于间隔件126的压缩，板110最终将接触压电结构202，使压电结构受压。压电结构受压可以向平行板结构108传输额外的能量，借由在第一板与第二板之间增加的静电力作用下产生额外的、进一步的静电响应。压电结构202(例如，压电聚合物或者压电陶瓷)可以作为非常薄的涂层涂覆在第一板和第二板110、112中的一个上，和/或若需要，包括在第一绝缘体和第二绝缘体114、112上。

如此处所描述的，适当的间隔件126是智能致动器，包括压电(聚合物或者陶瓷)材料或者弹性水凝胶，其能够放大板的致动力和加速度(例如，振动)。适当地，来自初始静电相互作用(即，来自通过用户的第一、初始接触)的触觉反馈是在第一频率下，并且额外的触觉反馈(即，来自在使间隔件126受压的更高的力作用下的第二、额外的接触)是在第二频率下。例如在不同的加速度下从平行板结构108向用户提供两个(或者更多个)不同的触觉反馈的能力，是此处所描述的致动器的独特优点。在各个实施例中，由于在第一板与第二板110、112之间的距离通过间隔件126的压缩而减小，静电力的强度在板之间增加，产生向用户提供更强的静电相互作用或者力和更强或者更高的频率的触觉反馈。强度也可以通过从间隔件126传输至平行板结构的能量而增加，如此处所描述的。

适当地，与第二、额外的触觉反馈相关联的频率是在比第一、初始触觉反馈更高的频率下，虽然此处也体现了相反的情形。在示例性实施例中，初始和/或额外的触觉反馈的振动的频率大约是大约1Hz至大约1000Hz，更加适当地大约1Hz至大约500Hz，大约1Hz至大约200Hz，大约10Hz至大约200Hz，大约10Hz至大约100Hz，或者大约10Hz、大约20Hz、大约30Hz、大约40Hz、大约50Hz、大约60Hz、大约70Hz、大约80Hz、大约90Hz或者大约100Hz。

在某些实施例中，用户的第一接触可以是压缩间隔件126的这种力，从而使得仅仅提供了更高强度(包括更高频率)的静电相互作用。

在额外的实施例中，如图3所示，致动器300包括第二致动器302，该第二致动器302定位在第一板110与第二板112之间。虽然第二致动器302适当地示出为定位在导体120下方，或者至少在导体120的一部分下方，以便允许生成静电场，但是其也可以定位在导体120上方。绝缘体(由于空间制约未示出)也适当地定位在导体120上方，在板112与板110之间。

基于间隔件126的压缩，板结构、第二致动器302的最终接触配置为提供第二、额外的触觉反馈。例如，第二致动器302可以是用于提供反馈的压电聚合物、介电弹性体、或者复合物，或者可以是用于触觉反馈的进一步致动器，包括例如智能材料致动器、智能材料合金、宏观纤维复合物、形状记忆聚合物等。通过将间隔件126压缩至第一板和第二板110、112接触的点，静电场不再激活，而是，第二、额外的触觉反馈仅仅是因为第二致动器302。该第二致动可以是因压电致动器的激活而产生。

在进一步实施例中，介电弹性体(定位在两个电极之间的弹性体)可以作为间隔件126包括在内，这可以提供额外的致动，如此处所描述的。

如贯穿全文所描述的，间隔件126的压缩模块提供了在通过用户(在第一力作用下)的第一、初始接触与第二、进一步接触(在高于第一力的第二力作用下)之间作区分的能力，从而间隔件受压。如此处所描述的，间隔件126可以是各种水凝胶或者压电材料，但是在其它实施例中，间隔件126可以是其它类型的聚合物、橡胶、弹性材料等。适当地，间隔件126的压缩模量大约是约0.1kPa至约150kPa。

在另外的实施例中，此处所提供的致动器可以提供触觉反馈，其中用户的接触触发了响应将初始静电相互作用和额外的静电相互作用(因间隔件126的压缩产生)组合以便提供提高或者增强的触觉反馈。在如此处所描述的其中间隔件126的压缩提供额外放大的静电相互作用的实施例中，该触觉反馈可以具有放大效应(即，更强的静电相互作用或者增加的频率)。在采用额外的、第二致动器的各个实施例中，用户的接触可以触发来自静电相互作用和额外的、第二致动的反馈，包括例如两个不同的频率，或者同时或者基本上同时发生的两个不同的程度的反馈。

在额外的实施例中，此处提供了用于向用户提供触觉反馈的致动器，包括第一电极、第二电极和一个或者多个间隔件，该间隔件定位在第一电极与第二电极之间并且使其分开。如此处所描述的，适当地，致动器的在第一力作用下通过用户的第一、初始接触提供来自静电相互作用的触觉反馈。在第二力(其大于第一力)作用下通过用户的第二、进一步接触压缩间隔件并且激活来自静电相互作用的第二、额外的触觉反馈。

图4示出了根据此处所描述的各个实施例的致动器的电极-间隔件-电极截面的一个示例。如图所示，间隔件126定位在第一电极402与第二电极404之间并且使其分开。虽然绝缘体未示出，但是它们可以添加到结构。如此处所描述的，基于间隔件126的压缩，第一电极和第二电极402、404设置或者移动更靠近在一起，从而增加在其之间的静电相互作用，并且从而提供第二、额外的触觉反馈。在各个实施例中，该第二、额外的反馈与来自仅仅通过用户的初始接触(即，没有间隔件126的压缩)发生的反馈不同，且可以是更强的静电相互作用、更高频率相互作用、两者的组合，或者与第一反馈不同的其它反馈。

如此处所描述的，间隔件126可以适当地包括水凝胶或者压电(聚合物)或者压电(陶瓷)。这种致动器也可以进一步包括用于与用户接触(interface)的衬底，如此处所描述的。

图5示出了其中间隔件126使电极504与可极化结构502分开的进一步实施例。在这种实施例中，可极化结构502(例如，具有永久极化的可极化结构)使电荷分离，例如如图5所示。在可极化结构502中的电荷分离与电极504结合，可以充分地用作如此处所描述的致动器。在各个实施例中，在这种致动器中不需要上电极。基于间隔件126的压缩，可极化结构502和电极504放置为更靠近在一起，增加了静电相互作用并且提供与来自仅仅通过用户的第一、初始接触(即，较低力，没有间隔件126的压缩)发生的反馈不同的第二、额外的触觉反馈。

如图6所示，此处还提供了用于响应于第一接触和第二接触向用户提供第一触觉反馈和第二触觉反馈的装置。装置600，所示为示例性触摸屏(仅仅示出一部分以展现以下结构)，包括衬底140(例如，触摸屏的上面板)、与衬底相关联的平行板结构108。如此处所描述的，平行板结构108包括：第一板110，该第一板110包括第一导体116和至少第一绝缘体114；以及第二板112，该第二板112包括第二导体和至少第二绝缘体122。平行板结构108还包括一个或者多个间隔件126，该间隔件126定位在第一板与第二板之间并且使其分开。

贯穿全文注意的是可以包括此处所描述的平行板结构的装置，并且例如，装置包括移动手机、平板、计算机、汽车界面、游戏控制台和控制器等。例如，如图6所示，平行板结构可以在移动手机或者平板的触摸屏、计算机的屏幕、电视机、游戏系统、触摸板、触摸敏感结构、计算机监视器、笔记本显示器装置、工作薄显示器装置、公用电话亭屏幕、便携式电子装置屏幕，或者其它适当的触摸敏感系统等的表面下方实施。平行板结构也可以用在键盘、汽车的界面或者其它机器和车辆等中。在游戏中，平行板结构可以用在各种手持装置或者控制器等中。平行板结构也可以包括在可穿戴装置中，包括手表和手链、衣带、衣服、包、钱包等。

如贯穿全文所描述的，在第一力作用下的第一接触提供来自静电相互作用的第一触觉反馈。在第二力(其高于第一力)作用下的第二接触压缩间隔件并且激活第二触觉反馈。

适当地，用于在此处所描述的装置的平行板中使用的间隔件包括水凝胶，并且在其它实施例中，该间隔件包括压电(聚合物)或者压电(陶瓷)。

在此处所描述的装置中，第二、额外的触觉反馈适当地来自静电相互作用。然而，在进一步实施例中，平行板结构可以进一步包括第二致动器，该第二致动器定位在第一板与第二板之间，其可以提供第二、额外的反馈。在装置的这种实施例中，额外的触觉反馈可以是除了静电力之外的其它，如此处所描述的。在此处提供的装置的示例性实施例中，第二致动器可以是智能材料致动器。

如此处所描述的，在装置的各个实施例中，来自初始静电相互作用(即，来自通过用户的第一初始接触)的触觉反馈是在第一频率下，并且第二、额外的触觉反馈(即，来自间隔件的第二、额外的接触/压缩)是在第二频率下。适当地，在装置中，与额外的触觉反馈相关联的第二频率是在比第一、初始触觉反馈更高的频率下，虽然也可以利用相反的情形。

虽然上文已经描述了各个实施例，但是应理解它们已经仅仅作为本技术的图示和示例进行表述，而非限制。对本领域技术人员来说，在不背离本技术的精神和范围的情况下可以对形式和细节进行各种改变是显而易见的。由此，本技术的广度和范围不局限于任何上文所描述的各个实施例，而是应该仅仅根据所附权利要求和它们的等效物来限定。还应理解，此处所讨论的每个实施例的和此处引用的每个参考的每个特征，可以与任何其它实施例的特征结合使用。此处所讨论的所有专利和出版物均以引用的方式全部并入本文。

Claims (26)

1.一种用于向用户提供触觉反馈的致动器，包括：

平行板结构，所述平行板结构包括：

i.第一板，所述第一板包括第一电极；

ii.第二板，所述第二板包括具有永久极化的可极化结构；以及

iii.一个或者多个间隔件，所述间隔件定位在所述第一板与所述第二板之间并且使其分开，

其中所述平行板结构在第一力作用下通过用户的第一接触提供来自静电相互作用的触觉反馈；以及

其中在大于所述第一力的第二力作用下通过用户的第二接触按压所述间隔件并且向用户激活额外的触觉反馈；以及

其中所述致动器集成在可穿戴衣服中。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中所述第二接触是所述第一接触的延续。

3.根据权利要求1所述的致动器，其中所述一个或者多个间隔件包括水凝胶。

4.根据权利要求1所述的致动器，其中所述一个或者多个间隔件包括压电聚合物或者压电陶瓷。

5.根据权利要求1所述的致动器，其中所述额外的触觉反馈来自静电相互作用。

6.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括：第二致动器，所述第二致动器定位在所述第一板与所述第二板之间。

7.根据权利要求6所述的致动器，其中所述第二致动器提供所述额外的触觉反馈。

8.根据权利要求6所述的致动器，其中所述致动器是智能材料致动器。

9.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括：与所述平行板结构相关联的衬底，所述平行板结构用于为用户提供用户接口。

10.根据权利要求1所述的致动器，其中来自静电相互作用的触觉反馈是在第一频率下，以及其中所述额外的触觉反馈是在第二频率下。

11.根据权利要求10所述的致动器，其中所述第二频率高于所述第一频率。

12.一种用于向用户提供触觉反馈的致动器，包括平行板结构，所述平行板结构包括：

a)第一电极；

b)具有永久极化的可极化结构；以及

c)一个或者多个间隔件，所述间隔件定位在所述第一电极与所述具有永久极化的可极化结构之间并且使其分开，

其中所述致动器在第一力作用下通过用户的第一接触提供来自静电相互作用的触觉反馈；以及

其中在大于所述第一力的第二力作用下通过用户的第二接触按压所述间隔件并且激活来自静电相互作用的额外的触觉反馈；以及

其中所述致动器集成在可穿戴衣服中。

13.根据权利要求12所述的致动器，其中所述一个或者多个间隔件包括水凝胶。

14.根据权利要求12所述的致动器，其中所述一个或者多个间隔件包括压电聚合物或者压电陶瓷。

15.根据权利要求12所述的致动器，进一步包括：与所述平行板结构相关联的衬底，所述平行板结构配置为用于为用户提供用户接口。

16.根据权利要求12所述的致动器，其中所述第二接触是所述第一接触的延续。

17.一种用于响应于第一接触和第二接触向用户提供第一触觉反馈和第二触觉反馈的可穿戴装置，包括：

a)集成在可穿戴衣服中的衬底；

b)与所述衬底相关联的平行板结构，所述平行板结构包括：

i.第一板，所述第一板包括第一电极；

ii.第二板，所述第二板包括具有永久极化的可极化结构和绝缘体；以及

iii.一个或者多个间隔件，所述间隔件定位在所述第一板与所述第二板之间并且使其分开，

其中所述平行板结构在第一力作用下通过所述第一接触提供来自静电相互作用的所述第一触觉反馈；以及

其中在高于所述第一力的第二力作用下的所述第二接触按压所述间隔件并且激活所述第二触觉反馈。

18.根据权利要求17所述的可穿戴装置，其中所述一个或者多个间隔件包括水凝胶。

19.根据权利要求17所述的可穿戴装置，其中所述一个或者多个间隔件包括压电聚合物或者压电陶瓷。

20.根据权利要求17所述的可穿戴装置，其中所述第二触觉反馈来自静电相互作用。

21.根据权利要求17所述的可穿戴装置，进一步包括：第二致动器，所述第二致动器定位在所述第一板与所述第二板之间。

22.根据权利要求21所述的可穿戴装置，其中所述第二致动器提供所述第二触觉反馈。

23.根据权利要求22所述的可穿戴装置，其中所述第二致动器是智能材料致动器。

24.根据权利要求17所述的可穿戴装置，其中来自静电相互作用的第一触觉反馈是在第一频率下，以及其中第二触觉反馈是在第二频率下。

25.根据权利要求24所述的可穿戴装置，其中所述第二频率高于所述第一频率。

26.根据权利要求17所述的可穿戴装置，其中所述第二接触是所述第一接触的延续。