CN109613973A - 具有智能材料致动部件和电磁致动部件的触觉致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为具有智能材料致动部件和电磁致动部件的触觉致动器。给出了一种包括第一致动部件和第二致动部件的触觉致动器。第一致动部件包括可致动材料的第一层和在第一层的相对侧上的电极，其中可致动材料被配置为在任何电信号被施加到至少一个电极时变形。触觉致动器还包括通过一个或多个间隔件与第一致动部件分开的第二层。第二致动部件包括磁化材料和一个或多个电磁体。磁化材料或者一个或多个电磁体设置在第一致动部件上，并且在任何电信号被施加到一个或多个电磁体时在磁化材料和一个或多个电磁体之间产生相对移动，其中相对移动引起第一致动部件的振动。

Description

具有智能材料致动部件和电磁致动部件的触觉致动器
技术领域
本发明针对基于驻极体的静电触觉致动器，并且在用户界面、游戏、汽车、可穿戴设备和消费电子产品中具有应用。
背景技术
电子设备制造商努力为用户提供丰富的界面。许多设备使用视觉和听觉提示来向用户提供反馈。在一些界面设备中，还向用户提供振动触感触觉效果。触觉效果可以提供增强和简化用户界面的提示。例如，触觉效果可以向电子设备的用户提供提醒用户特定事件的提示，或者提供在模拟或虚拟环境中创建更强烈的感官沉浸的逼真反馈。
为了生成触觉效果，许多设备使用致动器。用于生成触觉效果的示例致动器(也称为触觉致动器)包括电磁致动器，诸如偏心旋转质量(ERM)致动器、线性共振致动器(LRA)或电活性聚合物(EAP)致动器。
发明内容
以下具体实施方式本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不旨在受到在前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中给出的任何表达或隐含的理论的约束。
本文的实施例的一个方面涉及一种触觉致动器，该触觉致动器包括第一致动部件和第二致动部件。第一致动部件包括第一层可致动材料并且包括在第一层的相对侧上的电极，其中可致动材料被配置为在任何电信号施加到至少一个电极时变形。触觉致动器还包括通过一个或多个间隔件与第一致动部件分开的第二层。第二致动部件包括磁化材料和一个或多个电磁体。或者磁化材料或者一个或多个电磁体设置在第一致动部件上，并且在任何电信号施加到一个或多个电磁体时产生磁化材料和一个或多个电磁体之间的相对移动，其中磁化材料和一个或多个电磁体之间的相对移动引起第一致动部件的振动。
在实施例中，第二致动部件的磁化材料设置在以下中的任一个上：第一致动部件的第一表面或第二层的第二表面，并且一个或多个电磁体设置在第一致动部件的第一表面或第二层的第二表面中的另一个上。
在实施例中，第一致动部件的第一表面面向第二层的第二表面，并且其中磁化材料设置在第一致动部件的第一表面上，并且一个或多个电磁体设置在第二层的第二表面上。
在实施例中，触觉致动器还包括触觉控制单元，该触觉控制单元被配置为将第一电信号施加到第一致动部件的第一层可致动材料的相对侧上的电极之一，并且被配置为将第二电信号施加到第二致动部件的一个或多个电磁体，其中第二电信号是具有第二频率的周期性信号，并且第一电信号是具有低于第二频率的第一频率的周期性信号，或者是直流(DC)信号。
在实施例中，其中第一频率在1Hz至500Hz的范围内，并且第二频率在1Hz至500Hz的范围内。
在实施例中，第一电信号具有第一幅度，并且第二电信号具有低于第一幅度的第二幅度。
在实施例中，第一幅度在1V至2000V的范围内，并且第二幅度在1V至12V的范围内。
在实施例中，第二致动部件的一个或多个电磁体包括一个或多个相应的导电线圈，并且其中第二致动部件的磁化材料包括其中嵌入有磁化颗粒的聚合物膜。
在实施例中，第一致动部件的第一层可致动材料是电活性聚合物(EAP)材料层。
在实施例中，第一致动部件的第一层可致动材料包括弹性体材料、形状记忆合金或陶瓷复合材料中的至少一种。
在实施例中，触觉致动器还包括第一信号发生器和第二信号发生器，第一信号发生器电连接到设置在第一层可致动材料的相对侧上的至少一个电极，并且第二信号发生器电连接到第二致动部件的一个或多个电磁体。
在实施例中，触觉致动器的厚度在0.001mm至10mm的范围内。
在实施例中，一个或多个间隔件的厚度在0.1mm至10mm的范围内，并且被配置为在第一致动部件和第二层之间形成悬架，其中悬架具有在1Hz和500Hz的范围内的共振频率。
在实施例中，触觉致动器还包括设置在第一层和第二层之间并且经由弹性材料附接到一个或多个间隔件的第三层，其中第二致动部件的一个或多个电磁体包括设置在第一致动部件的表面上的第一电磁体或第一组电磁体，以及设置在第二层的表面上的第二电磁体或第二组电磁体，并且其中第二致动部件的磁化材料设置在第三层上。
在实施例中，其中触觉致动器还包括触觉控制单元，该触觉控制单元被配置为基于期望的致动方向确定是否仅致动第一电磁体或第一组电磁体、仅致动第二电磁体或第二组电磁体、或既致动第一电磁体或第一组电磁体又致动第二电磁体或第二组电磁体。
在实施例中，触觉控制单元被配置为：响应于确定在与第一致动部件的表面垂直的方向上致动第三层，仅激活第一电磁体或第一组电磁体或仅激活第二电磁体或第二组电磁体。触觉控制单元还被配置为：响应于确定在与第一致动部件的表面平行的方向上致动第三层，既激活第一电磁体或第一组电磁体又激活第二电磁体或第二组电磁体。
在实施例中，触觉致动器还包括设置在第一层和第二层之间并且经由弹性材料附接到一个或多个间隔件的第三层，其中第二致动部件的一个或多个电磁体设置在第三层上，并且其中磁化材料设置在第一层的第一表面上和第二层的第二表面上。
本文实施例的一个方面涉及启用触觉的用户界面设备，该用户界面设备包括：具有第一外表面和相对的第二外表面的壳体。该启用触觉的用户界面设备还包括设置在壳体内或壳体外面并且在第一外表面或第二外表面附近的触觉致动器，该触觉致动器还包括：第一致动部件和第二致动部件。第一致动部件具有第一层可致动材料并且包括在第一层的相对侧上的电极，其中可致动材料被配置为在任何电信号施加到至少一个电极上时变形。触觉致动器还包括通过一个或多个间隔件与第一致动部件分开并且设置为比第一层更靠近壳体的内部的第二层。第二致动部件包括磁化材料和一个或多个电磁体，其中或者磁化材料或者一个或多个电磁体设置在第一致动部件上，其中在任何电信号施加到一个或多个电磁体时产生磁化材料和一个或多个电磁体之间的相对移动，并且其中触觉致动器被配置为通过激活第一致动部件或第二致动部件中的至少一个来在启用触觉的设备的壳体的第一外表面或第二外表面处产生触觉效果。
在实施例中，启用触觉的设备还包括具有外表面的柔性显示设备，其中柔性显示设备的外表面形成启用触觉的设备的第一外表面的至少一部分。
在实施例中，启用触觉的设备是可穿戴电子设备，触觉致动器的一个或多个间隔件是第一间隔件或第一组间隔件，触觉致动器在壳体的第二外表面附近并且被配置为当触觉致动器的第一致动部件被激活时使第二外表面变形。此外，启用触觉的设备的壳体包括第二间隔件或第二组间隔件，该第二间隔件或第二组间隔件向外延伸超过触觉致动器和壳体的第二外表面，以便在第二外表面和与第二间隔件或第二组间隔件接触的任何物体之间提供空隙。
在实施例中，第二间隔件或第二组间隔件形成边缘，该边缘向外延伸超过壳体的第二外表面。
在实施例中，触觉致动器设置在壳体内，第二外表面由柔性材料层形成，并且其中触觉致动器的第一致动部件的变形引起壳体的第二外表面的柔性材料层的变形。
在实施例中，触觉致动器设置在壳体的外面，并且触觉致动器的第二层粘附到壳体的第二外表面。
在实施例中，启用触觉的设备是电子表。
在实施例中，触觉致动器在壳体的第一外表面附近，并且被配置为当触觉致动器的第一致动部件被激活时使壳体的第一外表面变形。
在实施例中，启用触觉的设备是移动电话，并且其中启用触觉的设备还包括触觉控制单元，该触觉控制单元被配置为：确定启用触觉的设备正在接收或已经从另一个移动电话接收到通信，并且确定通信的优先级是否超过定义的阈值。触觉控制单元被配置为，响应于确定通信的优先级超过定义的阈值，向至少一个或多个电磁体提供第一电信号，第一电信号具有在1Hz至500Hza的范围内的频率。触觉控制单元还被配置为，响应于确定通信的优先级没有超过定义的阈值，向第一层可致动材料的相对侧上的至少一个电极提供第二电信号，第二电信号具有在1Hz至500Hz的范围内的频率。
在实施例中，启用触觉的设备被配置为用触觉致动器的第一致动部件的第一层可致动材料输出一个或一系列敲击(tap)。
附图说明
根据对如附图中所示的本发明实施例的以下描述，本发明的前述和其它特征和优点将变得显而易见。并入本文并形成说明书一部分的附图进一步用于解释本发明的原理并使得相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。附图没有按比例绘制。
图1A图示了根据本发明实施例的启用触觉的设备的框图。
图1B图示了根据本发明实施例的可穿戴的启用触觉的设备的透视图。
图2A和图2B图示了根据本发明实施例的触觉致动器的视图。
图2C图示了根据本发明实施例的触觉致动器的视图。
图2D图示了根据本发明实施例的启用触觉的设备的视图。
图3图示了根据本发明实施例的触觉致动器的视图。
图4图示了根据本发明实施例的触觉致动器的视图。
图5A和图5B图示了根据本发明实施例的启用触觉的设备的视图。
图6A和图6B图示了根据本发明实施例的启用触觉的设备的视图。
图7A和图7B图示了根据本发明实施例的启用触觉的设备的视图。
图8A和图8B图示了根据本发明实施例的触觉致动器的视图。
图9图示了根据本发明实施例的触觉致动器的剖视图。
图10图示了根据本发明实施例的启用触觉的设备的透视图。
具体实施方式
以下具体实施方式本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不旨在受到前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中给出的任何表达或隐含的理论的约束。
本文的实施例涉及一种触觉致动器，该触觉致动器包括作为其子部件的智能材料致动部件和电磁致动部件。触觉致动器可以是例如启用触觉的设备(例如，电子表或移动电话)的一部分，并且可以用于为启用触觉的设备产生触觉效果。智能材料致动部件可以更一般地是第一致动部件，该第一致动部件具有当向其施加电势时变形的可致动材料层。通过将电信号施加到与可致动材料接触的电极，可以将电势施加到可致动材料。电磁体致动部件可以更一般地是包括磁化材料和一个或多个电磁体的第二致动部件。
在实施例中，智能材料致动部件可以用于提供具有包括相对高的力或位移的内容(例如，作为用于触觉效果的变形)的触觉效果。该相对高的力或位移内容可以是静态的，或者可以具有相对低的频率。在实施例中，电磁致动部件可以用于提供具有包括相对高频率内容的内容的触觉效果。该相对高频率内容可以具有相对低的力(例如，它可以是触觉效果的振动触感部分)。例如，在触觉致动器内，智能材料致动部件和电磁致动部件可以单独地或同时地被激活，以产生具有不同的相应频率内容、力内容和/或位移内容的各种触觉效果。在一个示例中，触觉致动器的智能材料致动部件可以被激活以变形和产生相对低频率的一系列敲击，并且触觉致动器的电磁致动部件可以被激活以产生相对高频率的振动(也被称为振动触感效果)。电磁致动部件也可以通过引起触觉致动器的部件中的但是比由智能材料致动部件引起的变形规模上小得多的变形来产生振动。触觉致动器的智能材料致动部件和电磁致动部件可以在不同时间被激活，或者同时激活它们。例如，智能材料致动部件可以敲击用户的手或手腕，而电磁致动部件同时振动。
在实施例中，触觉致动器可以并入到启用触觉的设备的用户界面部件，诸如膝上型电脑的触摸板或移动电话的触摸屏中。在实施例中，触觉致动器可以形成为薄致动器并且并入到可穿戴的启用触觉的电子设备，诸如启用触觉的电子表(例如，智能手表)中。在一些情况下，触觉致动器可以设置在电子表的表带上或表带内，以便提供可以在用户的手腕上感觉到的触觉效果。在一些情况下，触觉致动器可以设置在电子表的壳体的后外表面附近，以便在后外表面处提供可以在用户的手腕上感觉到的触觉效果。在一些情况下，触觉致动器可以设置在电子表的壳体的前外表面附近，以便提供诸如当用户的手指按压或以其它方式触摸表壳的前外表面时可以在前外表面处感觉到的触觉效果。
在实施例中，触觉致动器可以形成有至少第一层和第二层。触觉致动器的第一层(例如，顶层)可以形成智能材料致动部件的一部分。触觉致动器的第二层(例如，底层)可以用于安装或包含电磁致动部件的元件。在实施例中，第一层和第二层可以由一个或多个间隔件分开。触觉致动器可以被称为双层致动器(参见例如图2A的讨论)。
在实施例中，触觉致动器可以形成有至少第一层、第二层和第三层。第一层可以形成智能材料致动部件的一部分，而第二层和第三层可以用于安装或包含电磁致动部件的部件。在实施例中，第一、第二和第三层可以全部彼此分开。致动器可以被称为三层致动器(参见例如图9的讨论)。
图1A图示了启用触觉的设备100的框图，启用触觉的设备100包括本文描述的实施例的触觉致动器110。启用触觉的设备100可以是例如可穿戴电子设备、移动电话、平板计算机、膝上型电脑、游戏控制台控制器或任何其它用户界面设备。在实施例中，启用触觉的设备100可以具有壳体，并且触觉致动器110可以设置在壳体内或壳体的外面(例如，设置在壳体的外表面上)。如下面更详细讨论的，触觉致动器110可以用于产生触觉效果，诸如具有高频率内容的触觉效果、具有低频率内容的触觉效果、振动触感触觉效果、静态变形触觉效果或其组合中的每一个。启用触觉的设备100还可以包括用于控制触觉致动器110的控制单元130。控制单元130可以是微处理器或其它控制电路，其例如还用于控制启用触觉的设备100的其它操作或者可以专用于控制启用触觉的设备100中的触觉效果。控制单元130可以被实现为微处理器、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)或实现为任何其它控制单元。在实施例中，启用触觉的设备100还可以包括电源，诸如电池。
图1B图示了作为可穿戴电子设备，更具体地作为电子表的启用触觉的设备200的实施例。启用触觉的设备200包括表壳202、表带204和触觉致动器210。表壳202可以具有作为前外表面202a的第一外表面和具有作为后外表面202b的与第一外表面相对的第二外表面。在实施例中，前外表面202a可以是屏幕(例如，触摸屏)的表面，或者是其上提供有另一个用户界面部件(例如，按钮)的表面，或其组合。在实施例中，表的面可以呈现在前外表面202a上或通过前外表面202a呈现。后外表面202b可以是与壳体202的前外表面202a相对的表面。当穿戴启用触觉的设备200时，后外表面202b也可以是面向其上穿戴启用触觉的设备200的手腕并与之接触的表面。
在实施例中，触觉致动器210可以设置在壳体202的前外表面202a或后外表面202b附近。例如，图1B图示了触觉致动器210设置在壳体202的后外表面202b附近。在图1B的上下文中，触觉致动器210可以通过放置在壳体202的外面或外部并且通过或者与后外表面202b直接接触(例如，粘附到后外表面202b)或者略微悬挂在后外表面202b上方而设置在后外表面202b附近。在另一个实施例中，触觉致动器210可以通过设置在壳体202的内部内而设置在后外表面202b附近，并且足够靠近形成后外表面202b的层，使得触觉致动器210中的变形将引起后外表面202b的变形。例如，后外表面202b可以由柔性材料层形成，并且触觉致动器210可以与柔性材料层接触，或者可以与柔性材料层分开一小段距离。如果触觉致动器210与柔性材料层分开一小段距离，则该距离可以足够小，使得触觉致动器210的变形引起形成后外表面202b的柔性材料层的变形。通过设置在后外表面202b附近，触觉致动器210可以被配置为提供当穿戴启用触觉的设备200时可以在用户的手腕处感觉到的触觉效果。
如以上所讨论的，图1B图示了设置在后外表面202b附近的触觉致动器210。在实施例中，触觉致动器210可以定向成使得第一致动部件211的表面211b面向外或向外部。如下面更详细讨论的，第一致动部件211可以是使用智能材料层或者更一般地使用可致动材料的致动部件，该可致动材料被配置为在电势施加到该可致动材料时变形(例如，电活性聚合物或EAP)。触觉致动器210的朝向可以允许第一致动部件211被致动以在穿戴启用触觉的设备200被穿戴时与用户的手腕接触，使得第一致动部件211可以向用户的手腕施加触感感觉(例如，敲击感觉)。
在实施例中，壳体202可以具有间隔件220，该间隔件220被形成为向外延伸超过触觉致动器210的第一致动部件211的表面211b并且超过壳体202的后外表面202b。间隔件220可以在后外表面202b和与间隔件220接触的任何物体(例如，用户的手腕)之间提供空隙。该空隙可以为触觉致动器210提供致动的空间，并防止触觉致动器210受到与启用触觉的设备200接触的物体(例如，用户的手腕)阻尼。例如，当启用触觉的设备200没有间隔件220并被穿戴在用户的手腕周围，并且触觉致动器210直接压在手腕上时，可以发生阻尼，其可能阻碍触觉致动器210的各种部件的移动。间隔件220的存在可以提供触觉致动器210和用户手腕之间一定程度的分离，并降低它们之间的接触量(相对于如果不存在间隔件220)。因此，间隔件220可以减少或消除用户的手腕可对触觉致动器210引起的阻尼。在实施例中，如图2A-2C中提供的剖面图所示，间隔件220可以使得在触觉致动器210的第一致动部件211没有变形时在用户的手腕W和触觉致动器210之间存在间隙G。如以上所讨论的，第一致动部件211可以变形到该间隙G中，并且然后与用户的手腕W接触以在其上提供触感感觉。
返回到图1B，在实施例中，启用触觉的设备200的间隔件220在壳体202的后外表面202b上形成边缘。在实施例中，边缘可以形成围绕壳体202的后外表面202b的周边。在实施例中，如图1B所示，间隔件220可以是单个连续结构。在实施例中，启用触觉的设备200可以具有一组间隔件，该组间隔件构成单独的结构，并且向外延伸超过后外表面202b和触觉致动器210。在另一个实施例中，启用触觉的设备200的间隔件可以是适合于将壳体202的后外表面202b与穿戴者间隔开以允许启用触觉的设备200的无阻碍致动的任何其它结构。虽然图1B图示了触觉致动器210为电子表的一部分，但是触觉致动器210可以是其它可穿戴设备，诸如活动跟踪器手镯(例如，设备)、虚拟现实(VR)设备(诸如头戴式设备(HMD))、增强现实(AR)设备(诸如一组眼镜)、触觉手套、触觉游戏背心或任何其它可穿戴设备的一部分。
图2A图示了沿着图1B中的线A-A观察的触觉致动器210的剖视图。如图2A所绘出的，触觉致动器210包括第一致动部件211和第二致动部件216/217。图2A中的第一致动部件211可以是包括可致动材料的第一层212的智能材料致动部件，并且包括设置在第一层212的相对侧上并与之接触的两个电极218a、218b。在实施例中，第一致动部件211包括设置在电极218a上的电绝缘层219。在另一个实施例中，省略了电绝缘层219。第二致动部件216/217包括电磁体216a、216b、216c，并且包括永磁体217a、217b、217c的磁化材料。触觉致动器210还包括第二层215，以及使第一致动部件211和第二层215分开的多个间隔件213a、213b。在另一个实施例中，触觉致动器210可以仅具有将第一致动部件和第二层215分开的单个间隔件(例如，环形间隔件)。在实施例中，间隔件213a、213b可以由诸如聚酰亚胺的材料片制成。在图2A中，触觉致动器210还包括将触觉致动器210连接到壳体202的间隔件220的凸片214a、214b。在另一个实施例中，可以省略凸片214a、214b和电绝缘层219。
如以上所讨论的，第一致动部件211包括可致动材料(例如智能材料)的第一层212，当电势施加到可致动材料时该第一层212变形，其中电势可以在可致动材料的两端产生电压降。在实施例中，可致动材料可占据所有第一层212。可致动材料的示例包括智能材料，诸如电活性聚合物(EAP)(例如，均聚物、共聚物或具有聚偏二氟乙烯(PVDF)的三元共聚物)、压电材料、介电弹性体材料、形状记忆合金(或更一般地，形状记忆材料)和/或陶瓷复合材料。在实施例中，可致动材料的第一层212被优化用于静态变形或低频振动。例如，可致动材料的第一层212可以被配置用于静态变形，以通过弯曲到特定位置并保持该位置来输出静态力。静态力可以例如针对用户的手指或手输出。术语振动可以指振荡一个或多个循环的变形。例如，振荡变形可以涉及在一个方向(例如，向上)变形和在第二且相反的方向(例如，向下)变形之间振荡的材料，或涉及在变形状态和非变形状态之间振荡的材料。如下面所讨论的，信号发生器可以产生引起振动的电驱动信号。用于振动的振荡频率可以等于或基本上等于电驱动信号的频率。
在实施例中，电极218a和218b都与可致动材料的第一层212接触。在该实施例中，通过向电极218a施加电信号，同时将电极218b电连接到地电势(即，电极218b是接地电极)，将电势施加到可致动材料的第一层212。如以上所讨论的，第一致动部件还可以包括设置在电极218a上以防止电极218a与用户之间直接电接触的电绝缘层219(例如，塑料层)。在这样的实施例中，表面211b(其可以被认为是第一致动部件211的向外表面)可以与电绝缘层219的外表面相同。在另一个实施例中，电绝缘层219可以省略，并且表面211b可以与电极218a的外表面相同。
在实施例中，第二层215可以形成基板，在基板上或基板内设置第二致动部件216/217的一个或多个元件。在实施例中，第二致动部件216/217可以是被优化以输出更高频率的振动的电磁体致动部件，并且可以与第一致动部件211同时被激活或者在与第一致动部件211不同的时间被激活。在实施例中，第二层215可以包括塑料膜。在实施例中，第二层215可以比第一致动部件211更靠近(并且比第一层212更靠近)壳体202的内部。例如，如果触觉致动器210设置在壳体202的外面，如图2A所示，则第二层215与外表面(例如，202a、202b)之间的距离小于第一致动部件211与壳体202的外表面之间的距离，使得第二层215更靠近壳体202的内部。在这种情况下，第二层215将设置在第一层212和壳体202的外表面(例如，202b、202a)之间。另一方面，如果触觉致动器210设置在壳体202的内部，如下面的图5A和图5B所示，则第二层215和壳体202的中心之间的距离可以小于第一致动部件211和壳体的中心之间的距离，使得第二层215仍然更靠近壳体202的内部。在这种情况下，第一致动部件211将变形并推靠壳体202的外表面(例如，202b、202a)，并且第一致动部件211将设置在第二层215和壳体的外表面(例如，202b、202a)之间。在实施例中，触觉致动器210可以被配置为能够输出对于具有几千克质量的启用触觉的设备可以感觉到的致动(例如，振动)。
在实施例中，触觉致动器210可以形成为薄的或超薄的致动器。在一些情况下，第一致动部件211、第二层215和每个间隔件213a、213b可以具有在100μm和1mm的范围内的厚度(例如，0.5mm的厚度)。在一些情况下，第一致动部件211、第二层215和每个间隔件213a、213b可以具有在10μm至100μm的范围内的厚度。在实施例中，第一致动部件211的第一层212可以具有在10μm至100μm或100μm至1mm的范围内的厚度。在本发明的实施例中，第一层212、第二层215和间隔件213a、213b可以全部具有相同的厚度，或者可以具有不同的厚度。
在实施例中，一个或多个间隔件213a、213b可以形成悬架，其上，第一致动部件211悬挂在第二层215上方的一个或多个间隔件213a、213b上。在实施例中，悬架的一个或多个特性(例如，厚度、弹性或弹力水平、刚度或柔软度、或形状)可以影响触觉致动器210产生触觉效果的能力。例如，间隔件213a、213b的厚度可以影响第二致动部件216/217(下面讨论)的元件之间的距离，这可以影响由第二致动部件216/217产生的力。在另一个示例中，形成间隔件213a、213b的材料的弹性或弹力水平可以影响触觉致动器210的共振频率或带宽。因此，间隔件213a、213b可以被设计成实现悬架的期望特性。例如，间隔件213a、213可以被设计成具有为触觉致动器210产生在1Hz至500Hz的范围内的共振频率的材料。
如以上所讨论的，触觉致动器210可以包括作为电磁致动部件并且包括至少一个永磁体(例如，永磁体217a、217b、217c)的磁化材料和至少一个电磁体(例如，电磁体216a、216b、216c)的第二致动部件216/217。在实施例中，永磁体217a、217b、217c可以具有相同的磁化材料(例如，NdFeB或AlNiCo)，或不同的磁化材料。每个永磁体217a、217b、217c可以基本上仅由磁化材料形成，或者可以由嵌入多个磁化材料颗粒(例如，纳米磁体)的聚合物或其它封装材料形成。在实施例中，多个电磁体216a、216b、216c中的每一个可以由电线线圈或其它类型的导电线圈形成。在实施例中，可以通过沉积多个导电层并将每个导电层构图到相应线圈的匝上来形成相应的导电线圈。可以在连续的导电层之间沉积绝缘层。相应线圈的匝可以与延伸穿过中间绝缘层的导电通孔电连接，以便形成具有多个匝的连续电路径。在另一个实施例中，相应导电线圈可以各自通过将电线缠绕成多个匝来形成。
在实施例中，当任何电信号施加到一个或多个电磁体216a、216b、216c时，一个或多个电磁体216a、216b、216c可以各自产生与永磁体217a、217b、217c的磁场相互作用的磁场。这种相互作用可以引起一个或多个永磁体217a、217b、217c的磁化材料和一个或多个电磁体216a、216b、216c之间的相对移动。在实施例中，振荡(也被称为周期性)电信号可以引起相对移动，以也在电磁体216a、216b、216c移动得更靠近永磁体217a、217b、217c和移动得更远离永磁体217a、217b、217c之间振荡。在实施例中，电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c之间的这种振荡相对移动可以引起第一致动部件211中的振荡移动(也被称为振动)，因为电磁体216a、216b、216c设置在第一致动部件211的表面211a上。在实施例中，如果第一致动部件211和第二致动部件216/217同时被激活，则第一致动部件211可以表现出静态变形(由可致动材料的第一层212引起)和振动(由电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c之间的相对移动引起)两者。在另一个实施例中，如果第一致动部件211和第二致动部件216/217同时被激活，则第一致动部件211可以表现出具有低频率和高幅度内容的振动(由可致动材料的第一层212引起)和具有高频和低幅度内容的振动(由电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c之间的相对移动引起)。
如图2A和图2B所示(其图示了第二致动部件216/217的元件的平面图)，永磁体217a、217b和217c可以形成为分立的贴片(patch)，并且电磁体216a、216b、216c也可以形成为分立的贴片。虽然在图2B中贴片被示出为圆形，但它们可以具有任何其它形状(例如，作为方形贴片)。在另一个实施例中，触觉致动器210可以具有单个永磁体，该单个永磁体由其中嵌有磁化颗粒的单个聚合物贴片形成。虽然图2A和图2B图示了具有多个电磁体216a、216b、216c和多个永磁体217a、217b、217c(每个这些磁体形成为磁化材料贴片)的第二致动部件216/217，但是电磁致动部件216/217的另一个实施例可以仅具有单个电磁体、单个永磁体或其组合。
在实施例中，或者电磁体216a、216b、216c或者永磁体217a、217b、217c的磁化材料设置在第一致动部件211的表面211a上(即，电磁体216a-216c设置在表面211a上，或者磁化材料设置在表面211a上，两者居其一，但不是两者)。例如，在图2A和图2B中，电磁体216a、216b、216c可以设置在(例如，粘附到)表面211a(其可以是第一致动部件211的向内表面)上，并且永磁体217a、217b和217c可以设置在第二层215的表面215b(其可以被称为第二层215的向外表面)上。图2A和图2B中所示的第二致动部件216/217的部件可以被限制为仅设置在致动部件211的表面211a或第二层215上。图2A和图2B的触觉致动器210可以被称为双层触觉致动器。但是，如稍后在本公开中所讨论的，其它实施例可以实现涉及三个全部彼此分开的层的三层触觉致动器(参见图9)。
在实施例中，电磁体216a、216b、216c或永磁体217a、217b、217c可以各自具有例如在50μm至1mm的范围内的厚度。在实施例中，电磁体216a、216b、216c或永磁体217a、217b、217c可以设置在特定层(第二层215)的外面，或者可以部分地或完全地设置在特定层内。当电磁体216a、216b、216c或永磁体217a、217b、217c设置在特定层内时，它们可以完全嵌入在该层内。
虽然图2A和图2B图示了多个永磁体217a、217b、217c与多个电磁体216a、216b、216c对准，但是在其它实施例中它们可能不对准。例如，电磁体216a、216b、216c中的一些可能相对于相应的永磁体217a、217b、217c偏离中心。虽然图2A和图2B图示了相同数量的永磁体和电磁体，但在其它实施例中，它们的数量可以不同。例如，另一个实施例可以包括单个永磁体和三个分立的电磁体(参见图4)。
图2A还图示了电磁体216a、216b、216c设置在表面211a上，该表面可以被称为第一致动部件的第一表面211a。例如，电磁体216a、216b、216c可以粘附到第一表面211a。第一致动部件211的第一表面211a可以是例如面向触觉致动器210的壳体202的里面或内部的第一致动部件211的向内表面。如以上所讨论的，第一致动部件211的第二和相对表面211b可以是面向壳体202的外部的向外表面。例如，该触觉致动器210可以设置在壳体202的外面，并且第一层211的第二表面211b可以是可以与用户的手腕接触的表面。在实施例中，第一层211的第一表面211a可以面向第二层215。更具体而言，第二层215可以具有作为向内表面的第一表面215a，并且可以具有作为向外表面的第二相对表面215b。第一表面211a可以面向第二表面215b。如图2A所绘出的，永磁体217a、217b、217c可以设置在(例如，粘附到)第二层215的第二表面215b，而多个电磁体设置在第一致动部件211的第一表面211a上。在这种布置中，多个电磁体216a、216b、216c可以面向多个永磁体217a、217b、217c。
在其中触觉致动器210设置在壳体202的外面的实施例中，触觉致动器210可以设置在壳体202的后外表面202b上，如图1B和图2A所示。如图2A所示，第二层215的第一表面215a可以与图1B的后外表面202b接触并粘附到其上，其中后外表面202b由壳体202的层202c(例如，一层柔性材料)形成。在另一个示例中，触觉致动器210可以刚好悬挂在壳体202的后外表面202b上方，并且第二层215的第一表面215a不直接与后外表面202b接触。例如，触觉致动器210可以经由多个凸片214a、214b悬挂在后外表面202b上方。凸片214a、214b可以被认为是触觉致动器的一部分，或者可以被认为是与触觉致动器210分开的元件。在实施例中，第二层215和壳体层202c中的一个或两个是刚性的。在实施例中，第二层215和壳体层202c中的一个或两个是柔性的。
再次参考图2A，启用触觉的设备200可以包括一个或多个信号发生器，诸如第一和第二信号发生器232、234。第一和第二信号发生器232、234可以被认为是触觉致动器210的一部分(例如，控制单元230的一部分)，或者可以被认为是与其分离的。在实施例中，第二信号发生器234的输出端可以电连接到第一致动部件211的电极218a，并且第一信号发生器232的输出端可以电连接到每个电磁体216a、216b、216c中的每一个。因此，第二信号发生器234可以驱动第一致动部件211，而第一信号发生器232可以驱动第二致动部件216/217。如以上所讨论的，电极218b可以为第一和第二致动部件211、216/217提供接地电势。在实施例中，第一和第二信号发生器232、234的激活可以由控制单元230控制。第一和第二信号发生器232、234可以在相同时间(即，同时)被激活，或者在不同相应的时间段期间被激活。如果第一和第二信号发生器232、234能够改变从第一和第二信号发生器232、234输出的电信号的频率、强度或其它参数，则控制单元230可以被配置为控制这些参数的值。如上面关于控制单元130所讨论的，控制单元230可以包括微处理器、PLA、FPGA或其任何组合。在实施例中，信号发生器232、234可以能够分别向第一致动部件211和第二致动部件216/217提供足够的电压和/或电流。例如，如果第一致动部件211在1kV或更高的电压下操作，则信号发生器234可以被配置为产生幅度至少为1kV的信号。在实施例中，信号发生器232、234可以输出幅度低于第一致动部件211或第二致动部件216/217操作的水平的信号。在这种情况下，放大器可以与信号发生器232、234组合。放大器可以将信号发生器232、234的输出放大到第一致动部件211或第二致动部件216/217操作的水平。
如以上所讨论的，在实施例中，第一致动部件211可以用于输出触觉效果的低频内容(例如，低频振动)或静态变形。为了输出静态变形，控制单元230可以控制第二信号发生器234输出直流(DC)信号(例如，1kV DC信号)。为了输出低频内容，诸如在例如1Hz至5Hz范围内的触觉内容，控制单元230可以控制第二信号发生器234输出具有在1Hz至5Hz范围内的频率的周期性电信号或其它振荡电信号(例如，正弦信号)，以便使可致动材料的第一层212以与电驱动信号相同的频率或基本上相同的频率变形。周期性电信号的每个循环可以使可致动材料(例如，EAP材料)的第一层212向外变形(例如，向外凸出)并与用户的手腕接触，然后返回到未变形状态。例如，图2C图示了其中已经将DC或低频电信号施加到电极218a以使第一致动部件211的可致动材料的第一层212向外变形的状态。如果电信号是低频周期性信号，则对于周期性信号的每个循环，一些用户可以感觉到来自可致动材料的敲击。因此，在实施例中，控制单元230可以被配置为控制输出周期性信号的多少个循环，以便控制触觉效果中有多少个敲击。控制单元230还可以被配置为通过控制由第二信号发生器234输出的电信号的频率和/或幅度来控制施加到用户的手腕的敲击的频率(例如，1.5秒内3次敲击)和/或幅度，如以上所讨论的。
如以上所讨论的，第二致动部件216/217可以使用磁场之间的相互作用来在电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c之间产生相对移动。例如，永磁体217a、217b、217c可以在电磁体216a、216b、216c上施加磁力，该磁力使电磁体216a、216b、216c移动得更靠近或更远离永磁体217a、217b、217c。在实施例中，电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c之间的相对移动可以用于产生触觉效果的低频内容或高频内容(例如，低频或高频振动触感内容)。例如，控制单元230可以控制第一信号发生器232输出周期性电信号，该周期性电信号具有例如在1Hz至200Hz或5Hz至100Hz范围内的频率。从第一信号发生器232输出的电信号可以施加到电磁体216a、216b、216c中的每一个，如图2A所绘出的，或者仅施加到由控制单元选择的电磁体216a、216b、216c的子集。当电信号施加到电磁体216a、216b、216c时，电磁体216a、216b、216c中的每一个可以产生相应的磁场。相应电磁体的磁场的极性可以取决于施加到电磁体的电流的方向。如果电信号是周期性的，则由电信号产生的电流可以周期性地改变方向，从而周期性地改变相应电磁体的磁场的极性。
在实施例中，当由电磁体216a、216b、216c产生的磁场中的每个磁场具有第一极性(例如，N-S极性)时，电磁体216a、216b、216c可以被吸引到永磁体217a、217b、217c。因此，电磁体216a、216b、216c可以朝永磁体217a、217b和217c移动。在实施例中，当由电磁体216a、216b、216c产生的磁场具有与第一极性相反的第二极性(例如，S-N极性)时，电磁体216a、216b、216c可以被永磁体217a、217b、217c排斥或以其它方式推动。如果施加到电磁体216a、216b、216c的电信号振荡，则由它们产生的磁场也可以周期性地在第一极性和第二相反的极性之间切换。因此，电磁体216a、216b、216c可以在被拉向永磁体217a、217b、217c和被永磁体217a、217b、217c推开之间交替。因此，电磁体216a、216b、216c可以振动，如图2D所示。如图2D所示出的，电磁体216a、216b、216c可以以上下运动的方式振动。振动的频率可以取决于来自第一信号发生器232的信号的频率。如果电磁体216a、216b、216c设置在第一致动部件211的表面211a上，则电磁体216a、216b、216c的振动可以被传递到第一致动部件211、壳体202或其任何组合。图2D图示了这种转移，其中电磁体216a、216b、216c在将第一致动部件211的层朝上虚线推动和将第一致动部件211的层朝下虚线拉动之间交替。相应地，永磁体217a-217c的磁化材料和一个或多个电磁体216a-216d之间的相对移动因此引起第一致动部件211的振动。因此，在第二致动部件216/217中产生的相对移动可以为触觉效果产生振动触感内容。
在实施例中，由电磁体216a、216b、216c施加在第一致动部件的表面211a上的拉力或推力可引起第一致动部件的一个或多个层的变形，但是与由第一致动部件211自身产生的变形相比在更小的水平上。例如，电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c之间的相对移动可以推动或拉动第一致动部件的量比通过向可致动材料的第一层212施加电驱动信号引起的变形量小10至100倍。
在实施例中，图2C中所示的变形可以与图2D中所示的振动组合，诸如通过同时激活信号发生器232和234。在这种情况下，第一致动部件211可以使可致动材料的第一层212以静态或低频(例如，1Hz)方式变形。用户可以感知到他或她的手腕上的变形并且将变形感知为一个或多个敲击。同时，第二致动部件216/217引起高频移动(例如，100Hz)，但是与由第一致动部件211产生的变形相比处于较小的水平或幅度。高频移动可以产生振动，该振动也传递到第一致动部件211的层。因此，用户可以在同一时间感知一个或多个敲击和高频振动。在实施例中，从第一信号发生器232施加到电磁体216a、216b、216c的电信号的频率可以与间隔件213a、213b的悬架的共振频率基本上相同。
在实施例中，控制单元230可以被配置为使第一信号发生器232将作为相对高频信号的第一电信号施加到电磁体216a、216b、216c，并且可以使第二信号发生器234将作为相对低频信号的第二电信号施加到可致动材料的第一层212。例如，来自发生器232的第一电信号的频率可以基本上等于期望的振动频率(例如，100Hz)。在实施例中，第一电信号的幅度可以基本上低于第二电信号的幅度(例如，低10或100倍)。
在上面的示例中，第二电信号可以是周期性信号，该周期性信号具有基本上等于期望的敲击频率(例如，2Hz)的频率。第二电信号还可以具有足够高(例如，1kV)以使可致动材料(例如，PVDF或其它EAP材料)的第一层212表现出足够的变形的幅度。例如，可致动材料的第一层212可能需要变形足够的量(例如，5mm)以使向外表面211b延伸超出间隔件220的顶部边缘，使得第一致动部件211在启用触觉的设备200被穿戴时可以与用户的手腕接触并且施加敲击感觉。
在实施例中，由第一信号发生器232输出的电信号和由第二信号发生器234输出的电信号可以具有相同的幅度和/或频率。在实施例中，由第一信号发生器232输出的电信号和由第二信号发生器234输出的电信号可以具有不同的频率、不同的幅度或其组合。在实施例中，第一致动部件211和第二致动部件216/217可以共享单个信号发生器，使得在触觉致动器210中仅存在一个信号发生器。
图3图示了触觉致动器210b的实施例，该触觉致动器210b相对于图2A中的放置反转电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c的放置。类似于图2A中所示的实施例，图3的触觉致动器210b具有第一致动部件211。此外，触觉致动器210b具有包括永磁体217a、217b、217c和电磁体216a、216b、216c的第二致动部件217/216。但是，在图3中，电磁体216a、216b、216c和永磁体217a、217b、217c的放置是相反的，使得永磁体217a、217b、217c设置在第一致动部件211的向内表面211a上，并且电磁体216a、216b、216c设置在第二层215的第二表面215b上。图3的触觉致动器210b可以以类似于图2A的触觉致动器210的方式被激活。
在图2A和图3中，如上所述，第二致动部件包括可以形成为多个单独的贴片的多个分立的永磁体217a、217b、217c。每个贴片可以包括嵌入在封装材料(例如，聚合物)中的磁化颗粒，或者可以包括仅磁化材料(例如，磁化的钕材料或磁化的AlNiCo材料)的固体件。图4图示了触觉致动器210c，触觉致动器210c包括第二致动部件216/217d，第二致动部件216/217d是具有单个永磁体217d的电磁致动部件，其可以形成为单个磁化材料贴片。在实施例中，图4的贴片可以是包括在触觉致动器210c中的唯一永磁体贴片。在图4的实施例中，第二致动部件216/217d可以具有比(一个或多个)分立永磁体(例如，一个永磁体217d)的数量更多数量的分立电磁体(例如，三个电磁体216a、216b、216c)。在实施例中，在触觉致动器210、210b、210c的制造期间，电磁体216a、216b、216c或永磁体217a、217b、217c、217d中的任何一个可以被预先制造并且然后设置在第一层211或第二层215上或内，或者可以通过例如化学沉积工艺直接在第一层211或第二层215上形成。
图5A描绘了启用触觉的设备200a，其中触觉致动器210设置在设备的壳体202里面。与图1B中所示的启用触觉的设备200一样，启用触觉的设备200a也可以是具有壳体202和带子204的电子表。与图1B一样，启用触觉的设备200a的壳体202也可以具有第一外表面202a(例如，包括显示设备的外表面的前外表面)和第二外表面202b(例如，与用户的手腕接触的后外表面)。在图5A中，启用触觉的设备200a的触觉致动器210可以设置在壳体202内并且在形成后外表面202b的层附近。壳体220还可以具有边缘形状的间隔件220a，该间隔件220a向外延伸超过后外表面202b。如图5B所绘出的，间隔件220a可以比图1B和图2A的间隔件220短。
图5B图示了沿着图5A中的线B-B的启用触觉的设备200a的剖面图。该图图示了触觉致动器210设置在形成壳体的后外表面202b的层202c附近。更具体而言，触觉致动器210可以放置成使得第一致动部件211的向外表面211b(其也可以是致动器210的外表面)与层202c的内表面接触。在另一个实施例中，在向外表面211b和层202c的内表面之间可以存在间隙。在实施例中，层202c可以是柔性层，使得当第一致动部件211引起其可致动材料的第一层212的变形时，层202c也变形。在实施例中，壳体202可以具有间隔件220a，以便减少来自用户的手腕的阻尼，并提供层202c可以变形到其中的间隙。图5B进一步描绘了触觉致动器210经由凸片214a、214b附接到圆柱形壳体202的壁202d。在其它实施例中，触觉致动器210可以以不同的方式安装在壳体202里面。
图6A示出了设置在启用触觉的设备200b的带子内(例如，嵌入其中)的触觉致动器210e。触觉致动器210e还可以被配置为产生可以在用户的手腕处感觉到的触觉效果。图6B图示了嵌入在带子204的材料内的触觉致动器210e的剖面图。触觉致动器210e类似于其它图的触觉致动器210。更具体而言，触觉致动器210e还包括第一致动部件211和第二致动部件216/217。但是，触觉致动器210e可以省略可能不必要的凸片214a、214b，因为触觉致动器210e嵌入在带子204内，而不是附接到壳体202的结构。在另一个实施例中，触觉致动器210e可以附接到带子204的外表面，使得触觉致动器210e与外表面接触并且位于带子204的外面。
图7A图示了启用触觉的设备200c，其中触觉致动器210设置在启用触觉的设备200c的壳体202的前外表面202a附近。图7B图示了沿着图7A中的线B-B的剖视图。在图7B中，壳体202的前外表面202a可以由柔性显示层202e，诸如柔性有机发光器件(OLED)层形成。在图7B中，触觉致动器210设置在壳体202内。在另一个实施例中，触觉致动器210可以设置在壳体202的外面，并且可以是基本上透明的(例如，具有70％或更高的透明度)，使得通过触觉致动器210可以看到显示层202e。
如图7B所示，触觉致动器210可以经由凸片214a、214b附接到壳体202的壁202d。在其它实施例中，触觉致动器210可以以某种其它方式安装在壳体202内。触觉致动器210可以定位成使得其外表面(例如，第一致动部件211的向外表面211b)与显示层202e的向内表面(其可以是壳体202的内表面)接触。在另一个实施例中，在触觉致动器210的外表面和壳体202的内表面之间可以存在间隙。间隙可以足够小，使得第一致动部件211的变形仍将引起显示层202e变形。
可以组合本文的任何实施例。例如，启用触觉的设备可以通过具有设置在各种位置(诸如在壳体的后外表面附近的位置和嵌有设备的带子的位置)处的多个触觉致动器来组合启用触觉的设备200、200a、200b、200c。
在实施例中，触觉致动器210可以具有矩形形状，如图1B中最清楚地示出的。在实施例中，如图8A和图8B所示，触觉致动器310可以具有圆柱形状。圆柱形触觉致动器310还包括例如作为智能材料致动部件的第一致动部件311，并且包括作为电磁致动部件的第二致动部件316/317。更具体而言，触觉致动器310包括第一致动部件311，第一致动部件311通过第一间隔件313与层315分开，第一间隔件313可以是单个间隔件。第一致动部件311可以包括可致动材料(例如，诸如PVDF的智能材料)，该可致动材料被配置为在电信号施加到其上时变形。第二致动部件316/317包括电磁体316和永磁体317。永磁体317可以设置在第一致动部件311的面向里面的表面311a上，而电磁体316可以设置在层315的面向里面的表面315b上。
图8A和图8B进一步描绘了第二间隔件320，第二间隔件320向外延伸超过第一致动部件311的向外表面311b。该实施例中的间隔件320可以是致动器310的一部分，而不是启用触觉的设备的壳体(例如，202)的一部分。间隔件320可以在第一致动部件311的向外表面311b和间隔件320可以与之接触的外部物体(例如，用户的手腕或其它身体部分)之间提供空间。在实施例中，第一间隔件313和第二间隔件320可以是整体结构的部分，并且可以已经在相同的制造步骤中形成。在实施例中，第一间隔件313和第二间隔件320可以是两个分立的结构，它们分开形成并且然后附接到彼此。
图9图示了具有彼此分开的三个层的三层致动器的实施例。更具体而言，图9图示了触觉致动器410，该触觉致动器410具有作为例如智能材料致动部件的第一致动部件411，以及作为例如电磁致动部件的第二致动部件416/417/426。第一致动部件411包括夹在两个电极418a、418b之间的可致动材料(例如，PVDF)的第一层412。第二致动部件416/417/426包括设置在第一致动部件411的面向里面的表面411a上的电磁体416a、416b、416c、416d。它还包括设置在第二层415的向内表面415b上的电磁体426a、426b、426c、426d。此外，第二致动部件416/417/426包括设置在第三层419a上的永磁体417的磁化材料。在实施例中，第三层419a包括柔性材料(例如，聚酰亚胺)，并且永磁体417安装在第三层419a上。在实施例中，第三层419a是嵌入永磁体417的磁化材料的柔性材料。第三层419a可以设置在第一层412和第二层415之间。第一层412、第二层415和第三层419a可以彼此分开。相应地，致动器410可以被称为三层致动器。
在图9中，触觉致动器410还包括多个间隔件413a、413b和绝缘层419b。多个间隔件413a、413b可以使第一致动部件411和第二层415分开并且提供其中在第一致动部件411和第二层415之间悬挂第三层419a的空间。绝缘层419b可以设置在电极418a上，并且可以形成第一致动部件411的向外表面411b。在实施例中，可以省略绝缘层419b。
在实施例中，第一致动部件411可以包括可致动材料的第一层412，其被配置为当例如通过向电极418a施加电信号(例如，来自图2A至图4的信号发生器234)同时使用电极418b作为接地电极在可致动材料的第一层412上产生电势时变形。在实施例中，第二致动部件416/417/426包括第一组电磁体416a-416d、永磁体417和第二组电磁体426a-426d，如上所述。第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d可以设置在彼此面对的相应的第一表面(例如，411a)和第二表面(例如，415b)上。在实施例中，第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d中的每个电磁体可以是导电线圈，并且可以被配置为当电信号施加到相应的电磁体时产生磁场。在实施例中，第一组电磁体416a-416d可以电连接到第一信号发生器，并且第二组电磁体426a-426d可以电连接到第二信号发生器，或者也可以电连接到第一信号发生器。此外，在该实施例中，可致动材料的第一层412可以电连接到第三信号发生器。当第一信号发生器和/或第二信号发生器被激活时，可以产生永磁体417与第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d中任何一组之间的相对移动。
如图9中进一步所示，支撑永磁体417(或是其一部分)的第三层419a可以设置在第一致动部件411和第二层415之间。在实施例中，第三层419a可以包括嵌入在封装材料(例如，聚合物)中的磁化颗粒。在实施例中，第三层419a可以由仅磁化材料的单个件形成。在实施例中，第三层419a可以经由弹簧状元件或材料(诸如一个或多个弹簧422、424或其它弹性材料(例如，弹性体))悬挂在触觉致动器410内或以其它方式附接到触觉致动器410。弹簧状元件或材料可以允许永磁体417以及第三层419a相对于第一组电磁体416a-416d和相对于第二组电磁体426a-426d移动。这样的移动可以使第三层419a振动，并且这种振动可以传递到第一致动部件411或致动器410的另一个部件。因此，产生振动触感效果。
在实施例中，弹簧状元件或材料可以将第三层419a附接到间隔件413a、413b。在实施例中，第一层412、第二层415和第三层419a中的每一层可以具有在10μm至100μm，或100μm至1mm的范围内的厚度。在实施例中，触觉致动器410可以经由凸片414a、414b附接到间隔件420。间隔件420可以类似于图1B中的间隔件220，并且可以用于在第一致动部件411的向外表面411b和与间隔件420接触的物体之间提供空隙。
在实施例中，控制单元(例如，控制单元230)可以选择性地仅激活第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d中的一组，或者可以选择性地激活第一组和第二组电磁体416a-416d、426a-426d中的两者。在实施例中，当仅激活第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d中的一组(例如，第一组电磁体416a-416d)时，结果产生的磁场可以引起第三层419a的永磁体417沿着与第一致动部件411的表面(例如，411a)垂直的轴线A移动到第二层415的表面(例如，415b)，或者移动到第三层419a的表面(例如，作为垂直或法线(normal)运动)。在实施例中，当第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d两者都被激活时，触觉致动器410可以表现为音圈，其中永磁体417和电磁体416a-416d、426a-426d可以彼此施加洛伦兹力。在这样的实施例中，第三层419a的永磁体417可以被致动以沿着与第一致动部件411的表面平行的轴线移动到第二层415的表面或第三层419a的表面(例如，作为横向运动)。因此，在实施例中，触觉致动器410的控制单元可以被配置为基于第三层419a的期望的致动方向确定是否仅致动第一组电磁体416a-416d、仅致动第二组电磁体426a-426d、或致动第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d两者。例如，响应于确定在与第一层411垂直的方向上致动第三层418，控制单元可以仅激活第一组电磁体416a-416d或仅激活第二组电磁体426a-426d。响应于确定在与第一层411平行的方向上致动第三层418，控制单元可以激活第一组电磁体416a-416d和第二组电磁体426a-426d两者。
虽然图9图示了永磁体417的磁化材料设置在中间(第三)层419a上，并且电磁体416a-416d、426a-426d设置在第一致动部件411和第二层415上，但是在另一个实施例中，这种布置可以颠倒。在这样的实施例中，一个或多个电磁体(例如，电磁体416a-416d)可以设置在第三层419a上，而永磁体的磁化材料设置在第一致动部件411上和第二层415上。
图10图示了启用触觉的设备500，其中触觉致动器510(其可以与参考图2A至图9描述的触觉致动器中的任何一个相同或相似)设置在显示设备505的向内表面505a的附近。在实施例中，显示设备505是柔性OLED设备。显示设备505可以通过显示设备505的向外表面505b可见。在实施例中，启用触觉的设备可以是电话或平板计算机，并且可以具有壳体502，壳体502包括形成壳体502的后外表面502a的外壳(casing)503。在实施例中，显示设备505的向外表面505b也可以形成启用触觉的设备500的壳体502的前外表面502b的至少一部分。在实施例中，触觉致动器510可以类似于触觉致动器210、210b、210c、310或410。触觉致动器510可以包括第一致动部件和第二致动部件，第一致动部件是被配置为使柔性显示设备504变形的智能材料致动部件，并且第二致动部件是被配置为使壳体502振动的电磁致动部件。
在实施例中，如果启用触觉的设备500是能够接收文本消息或呼叫的移动电话或智能表，则启用触觉的设备的控制单元可以基于文本消息或呼叫的紧急性或重要性控制是触觉致动器510的第一致动部件(例如，智能材料致动部件)还是触觉致动器510的第二致动部件(例如，电磁致动部件)被激活。例如，控制单元可以被配置为确定启用触觉的设备正在接收或已经从另一个移动电话接收到通信，并且确定通信的优先级是否超过定义的阈值。响应于确定通信的优先级超过定义的阈值，控制单元可以被配置为向至少第二致动部件(例如，电磁致动部件)提供第一电信号，并且可以使第一电信号具有在100Hz至200Hz的范围内的频率。响应于确定通信的优先级没有超过定义的阈值，控制单元可以向至少第一致动部件(例如，智能材料致动部件)提供第二电信号，并且使第二电信号具有在1Hz至10Hz的范围内的频率。因此，具有低或中等重要性级别(例如，常规呼叫)的呼叫或文本消息可以使触觉致动器用至少第一致动部件产生具有低频内容的触觉效果，而具有高重要性级别的呼叫(例如，紧急呼叫)可以使触觉致动器用第二致动部件产生具有高频内容的触觉效果。此外，为低重要性或中等重要性级别的呼叫产生的触觉效果可以比为高重要性级别的呼叫产生的触觉效果具有更低的强度(例如，更低的移动量)。
作为另一个示例，触觉致动器可以产生一种触觉效果，这种触觉效果提供与启用触觉的设备(例如，移动电话)已错过来自特定呼叫者的呼叫的次数对应的一系列敲击。例如，如果特定用户的朋友已三次呼叫该用户的移动电话并且所有呼叫都被错过，那么移动电话的控制单元可以使触觉致动器(例如，触觉致动器210)用触觉致动器的智能材料致动部件输出三次敲击。
在另一个示例中，当用户正在启用触觉的设备500的壳体的外表面502b上推动(诸如按钮按压的一部分)时，启用触觉的设备500可以使具有智能材料致动部件的触觉致动器510在外表面502b中产生向回推用户的变形。此外，可以激活触觉致动器的电磁致动部件以输出振动作为对按压的确认。在一些实现中，智能材料致动部件被激活的频率可以在输出触觉效果期间改变(例如，增加)以便向用户通知附加信息。
在实施例中，上述触觉致动器的实施例可以嵌入在移动电话、平板计算机、游戏控制器、虚拟现实(VR)或增强现实(AR)控制器或可穿戴设备(诸如耳机)中。
虽然以上已经描述了各种实施例，但是应该理解的是，它们仅作为本发明的说明和示例而不是作为限制给出。对于相关领域的技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。因此，本发明的宽度和范围不应该被任何上述示例性实施例限制，而应该仅根据所附权利要求及其等同物来限定。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所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组合使用。

Claims (22)

1.一种触觉致动器，包括：
第一致动部件，所述第一致动部件包括可致动材料的第一层并且包括在第一层的相对侧上的电极，其中可致动材料被配置为在任何电信号被施加到至少一个所述电极时变形；
第二层，所述第二层通过一个或多个间隔件与第一致动部件分开；
第二致动部件，所述第二致动部件包括磁化材料和一个或多个电磁体，
其中，所述磁化材料或所述一个或多个电磁体设置在第一致动部件上，以及
其中，在任何电信号被施加到所述一个或多个电磁体时在磁化材料和所述一个或多个电磁体之间产生相对移动，其中磁化材料和所述一个或多个电磁体之间的相对移动引起第一致动部件的振动。
2.如权利要求1所述的触觉致动器，其中第二致动部件的磁化材料设置在以下中的任一个上：第一致动部件的第一表面或第二层的第二表面，并且所述一个或多个电磁体设置在第一致动部件的第一表面或第二层的第二表面中的另一个上。
3.如权利要求2所述的触觉致动器，其中第一致动部件的第一表面面向第二层的第二表面，并且其中磁化材料设置在第一致动部件的第一表面上，并且所述一个或多个电磁体设置在第二层的第二表面上。
4.如权利要求1所述的触觉致动器，还包括触觉控制单元，所述触觉控制单元被配置为将第一电信号施加到第一致动部件的所述可致动材料的第一层的相对侧上的电极之一，并且被配置为将第二电信号施加到第二致动部件的所述一个或多个电磁体，其中第二电信号是具有第二频率的周期性信号，并且第一电信号是具有低于第二频率的第一频率的周期性信号，或者是直流(DC)信号。
5.如权利要求4所述的触觉致动器，其中第一频率在1Hz至500Hz的范围内，并且第二频率在1Hz至500Hz的范围内，并且其中第一幅度在1V至2000V的范围内，并且第二幅度在1V至12V的范围内。
6.如权利要求1所述的触觉致动器，其中第二致动部件的所述一个或多个电磁体包括一个或多个相应的导电线圈，并且其中第二致动部件的磁化材料包括其中嵌入有磁化颗粒的聚合物膜。
7.如权利要求1所述的触觉致动器，其中第一致动部件的所述可致动材料的第一层是电活性聚合物(EAP)材料层。
8.如权利要求1所述的触觉致动器，其中第一致动部件的可致动材料的第一层包括弹性体材料、形状记忆合金或陶瓷复合材料中的至少一种。
9.如权利要求1所述的触觉致动器，还包括第一信号发生器和第二信号发生器，所述第一信号发生器电连接到设置在可致动材料的第一层的相对侧上的至少一个所述电极，并且第二信号发生器电连接到第二致动部件的所述一个或多个电磁体，
其中触觉致动器的厚度在0.001mm至10mm的范围内，
其中，所述一个或多个间隔件的厚度在0.1mm至10mm的范围内，并且被配置为在第一致动部件和第二层之间形成悬架，以及
其中所述悬架具有在1Hz至500Hz的范围内的共振频率。
10.如权利要求1所述的触觉致动器，还包括设置在第一层和第二层之间并且经由弹性材料附接到所述一个或多个间隔件的第三层，其中第二致动部件的所述一个或多个电磁体包括设置在第一致动部件的表面上的第一电磁体或第一组电磁体，以及设置在第二层的表面上的第二电磁体或第二组电磁体，并且其中第二致动部件的磁化材料设置在第三层上。
11.如权利要求10所述的触觉致动器，还包括触觉控制单元，所述触觉控制单元被配置为基于期望的致动方向确定是仅致动第一电磁体或第一组电磁体、仅致动第二电磁体或第二组电磁体、还是既致动第一电磁体或第一组电磁体又致动第二电磁体或第二组电磁体。
12.如权利要求11所述的触觉致动器，其中所述触觉控制单元被配置为：
响应于确定在与第一致动部件的表面垂直的方向上致动第三层，仅激活第一电磁体或第一组电磁体，或仅激活第二电磁体或第二组电磁体，以及
响应于确定在与第一致动部件的表面平行的方向上致动第三层，既激活第一电磁体或第一组电磁体又激活第二电磁体或第二组电磁体。
13.如权利要求1所述的触觉致动器，还包括设置在第一层和第二层之间并且经由弹性材料附接到所述一个或多个间隔件的第三层，其中第二致动部件的所述一个或多个电磁体设置在第三层上，并且其中磁化材料设置在第一层的第一表面上和第二层的第二表面上。
14.一种启用触觉的用户界面设备，包括：
壳体，所述壳体具有第一外表面和相对的第二外表面；
触觉致动器，所述触觉致动器设置在壳体内或壳体外面，并且在第一外表面或第二外表面附近，所述触觉致动器还包括：
第一致动部件，所述第一致动部件具有可致动材料的第一层并且包括在第一层的相对侧上的电极，其中可致动材料被配置为在任何电信号被施加到至少一个所述电极上时变形，
第二层，所述第二层通过所述一个或多个间隔件与第一致动部件分开并且设置为比第一层更靠近壳体的内部，以及
第二致动部件，所述第二致动部件包括磁化材料和一个或多个电磁体，
其中，磁化材料或者所述一个或多个电磁体设置在第一致动部件上，
其中，在任何电信号被施加到所述一个或多个电磁体时在磁化材料和所述一个或多个电磁体之间产生相对移动，以及
其中，触觉致动器被配置为通过激活第一致动部件或第二致动部件中的至少一个，在启用触觉的设备的壳体的第一外表面或第二外表面处产生触觉效果。
15.如权利要求14所述的启用触觉的设备，还包括具有外表面的柔性显示设备，其中所述柔性显示设备的外表面形成启用触觉的设备的第一外表面的至少一部分。
16.如权利要求15所述的启用触觉的设备，其中：
启用触觉的设备是可穿戴电子设备，
触觉致动器的所述一个或多个间隔件是第一间隔件或第一组间隔件，
触觉致动器在壳体的第二外表面附近并且被配置为当触觉致动器的第一致动部件被激活时使第二外表面变形，
启用触觉的设备的壳体包括第二间隔件或第二组间隔件，所述第二间隔件或第二组间隔件向外延伸超过触觉致动器和壳体的第二外表面，以便在第二外表面和与第二间隔件或第二组间隔件接触的任何物体之间提供空隙，以及
第二间隔件或第二组间隔件形成向外延伸超过壳体的第二外表面的边缘。
17.如权利要求16所述的启用触觉的设备，其中触觉致动器设置在壳体内，第二外表面由柔性材料层形成，并且其中触觉致动器的第一致动部件的变形引起壳体的第二外表面的柔性材料层的变形。
18.如权利要求16所述的启用触觉的设备，其中触觉致动器设置在壳体的外面，并且触觉致动器的第二层粘附到壳体的第二外表面。
19.如权利要求16所述的启用触觉的设备，其中所述启用触觉的设备是电子表。
20.如权利要求15所述的启用触觉的设备，其中触觉致动器在壳体的第一外表面附近，并且被配置为当触觉致动器的第一致动部件被激活时使壳体的第一外表面变形。
21.如权利要求14所述的启用触觉的设备，其中所述启用触觉的设备是移动电话，并且其中启用触觉的设备还包括触觉控制单元，所述触觉控制单元被配置为：
确定启用触觉的设备正在接收或已经从另一个移动电话接收到通信；
确定通信的优先级是否超过定义的阈值；
响应于确定通信的优先级超过定义的阈值，向至少所述一个或多个电磁体提供第一电信号，所述第一电信号具有在1Hz至500Hz的范围内的频率，以及
响应于确定通信的优先级没有超过定义的阈值，向可致动材料的第一层的相对侧上的至少一个所述电极提供第二电信号，所述第二电信号具有在1Hz至500Hz的范围内的频率。
22.如权利要求14所述的启用触觉的设备，其中启用触觉的设备被配置为用触觉致动器的第一致动部件的可致动材料的第一层输出一个或一系列敲击。
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