CN110609607A - 具有预载荷设备的触觉致动器组件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有预载荷设备的触觉致动器组件。一种触觉致动器组件包括触觉致动器和预载荷设备，其中触觉致动器被配置为沿着垂直轴输出位移。预载荷设备邻近触觉致动器部署并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷，以阻止触觉致动器沿着垂直轴的扩展。触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内。改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。可替代地，预载荷设备可以是由可收缩材料形成的连接器部件，该可收缩材料被配置为纵向收缩以施加力，以沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。

Description

具有预载荷设备的触觉致动器组件
技术领域
本发明涉及具有预载荷设备的触觉致动器组件，其在游戏、消费电子产品、汽车、娱乐和其它行业中具有应用。
背景技术
触觉提供触感和力反馈技术，该技术通过向用户施加诸如力、振动和其它运动之类的触觉效果来利用用户的感受。诸如移动设备、平板计算机和手持式游戏控制器之类的设备可以被配置为生成触觉效果。可以利用触觉致动器生成触觉效果，诸如偏心旋转质量(ERM)致动器或线性谐振致动器(LRA)。触觉效果可以包括振动触感触觉效果，其在这些设备的表面或其它部分处提供振动。
发明内容
本文描述的实施例的一个方面涉及包括触觉致动器和预载荷设备的触觉致动器组件。触觉致动器包括压电材料层，该压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，该平行轴平行于压电材料层的平面表面，并且包括位移转换设备，该位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，该垂直轴垂直于压电材料层的平面表面。触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移。预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷。预载荷设备包括壳体，该壳体具有盖子、与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部，以及在盖子和基部之间延伸的至少一个侧壁。触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内。改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
本文实施例的另一方面涉及一种触觉使能设备，其包括外壳、电源、控制单元和触觉致动器组件，该触觉致动器组件被配置为在外壳的外表面处生成触觉效果。触觉致动器包括压电材料层，该压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，该平行轴平行于压电材料层的平面表面，并且包括附接到或嵌入压电材料层内的至少两个电极，并且包括位移转换设备，该位移转换设备被配置为将所述压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，该垂直轴垂直于压电材料层的平面表面。触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移。预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷。预载荷设备包括壳体，该壳体具有盖子、与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部，以及在盖子和基部之间延伸的至少一个侧壁。触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内。改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。控制单元被配置为控制电源以向触觉致动器的至少两个电极提供电力。
本文实施例的另一方面涉及一种包括触觉致动器和预载荷设备的触觉致动器组件。触觉致动器包括压电材料层，该压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，该平行轴平行于压电材料层的平面表面，并且包括位移转换设备，该位移转换设备被配置为将所述压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，该垂直轴垂直于压电材料层的平面表面。触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移。预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷。预载荷设备包括盖子、与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部，其中触觉致动器部署在盖子和基部之间，以及具有附接到盖子的第一端和附接到基部的第二端的连接器部件。连接器部件由可收缩材料形成，该可收缩材料被配置为从第一长度纵向收缩到第二长度，第二长度短于第一长度。收缩到第二长度的连接器部件被配置为施加力以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
附图说明
从以下对附图所示实施例的详细描述中，本发明的前述和其它特征、目的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相关领域的技术人员能够制造和使用本发明。附图不按比例绘制。
图1描绘了根据本发明实施例的具有触觉致动器组件的触觉使能设备的框图。
图2A和2B描绘了根据本发明实施例的触觉致动器组件和触觉致动器的框图。
图3A和3B描绘了根据本发明实施例的触觉使能设备和部署在触觉使能设备的后侧上的触觉致动器组件。
图4描绘了根据本发明实施例的部署在触觉致动器组件的外壳的后面板内的触觉致动器组件。
图5描绘了根据本发明实施例的触觉使能系统的框图，该系统包括触摸屏设备、触觉致动器组件和安装部件。
图6描绘了根据本发明实施例的触觉使能系统，其包括触摸屏设备、触觉致动器组件和安装部件。
图7A和7B描绘了根据本发明实施例的具有触觉致动器和预载荷设备的触觉致动器组件。
图8A-8E描绘了根据本发明实施例的用于触觉致动器组件的示例触觉致动器。
图9描绘了根据本发明实施例的用于触觉致动器组件的示例触觉致动器。
图10描绘了根据本发明实施例的具有触觉致动器和预载荷设备的触觉致动器组件。
图11描绘了根据本发明实施例的具有触觉致动器和预载荷设备的触觉致动器组件的分解透视图，其中预载荷设备由被封住的腔体内的压力产生。
图12描绘了图11的触觉致动器组件的截面侧视图。
图13描绘了图11的触觉致动器组件的壳体的实施例的截面侧视图。
图14描绘了图11的触觉致动器组件的壳体的另一个实施例的截面侧视图。
图15描绘了根据本发明实施例的具有触觉致动器和预载荷设备的触觉致动器组件的截面侧视图，其中预载荷设备包括由可收缩材料形成的多个连接器部件。
图16描绘了图15的触觉致动器组件的实施例的截面侧视图，其中预载荷设备的盖子和基部具有不同的厚度。
图17描绘了图15的触觉致动器组件的实施例的截面侧视图，其中连接器部件由形状记忆材料形成。
图18提供了描绘根据本发明实施例的由触觉致动器输出的力与由触觉致动器输出的位移之间的示例关系的曲线图。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不意图限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
本文实施例的一个方面涉及提供用于触觉致动器组件的预载荷设备。触觉致动器组件可以包括触觉致动器，诸如压电致动器，其被配置为输出位移(例如，应变或其它变形)和力。在一个示例中，通过在第一位移值和第二位移值之间振荡，可以使用位移来生成振动触感触觉效果。预载荷设备可以被配置为在触觉致动器上生成预载荷，其约束由触觉致动器提供的位移。约束仍然可以允许触觉致动器输出位移，但是相对于不存在预载荷设备的情况减小位移的振幅。在一些情况下，位移可以采取使得触觉致动器沿着特定轴扩展的应变的形式，并且由预载荷设备生成的预载荷可以是压缩载荷，其抵抗触觉致动器沿着那个轴的扩展。在一些情况下，预载荷可以是位于触觉致动器组件外部的、独立于用户交互或影响的载荷。换句话说，预载荷可以是例如内置到触觉致动器组件中或者在触觉致动器组件内部的载荷。预载荷可以约束来自触觉致动器的位移、触觉致动器的位移的改变量，或其组合。
在实施例中，预载荷设备可以约束或以其它方式抵抗来自触觉致动器的位移，以便防止也由触觉致动器输出的力变得太弱。例如，触觉致动器可以具有如图18中的力-位移轮廓，其中触觉致动器在输出更多位移时输出更小的力，反之亦然。如果在利用驱动信号或其它刺激驱动触觉致动器时没有向触觉致动器施加预载荷，那么触觉致动器在一些情况下可以输出等于额定位移drated(也称为标称位移)的位移，该额定位移与触觉致动器相关联并且与驱动信号的振幅相关联。例如，触觉致动器可以是压电致动器。当驱动信号施加到压电致动器时，压电致动器可以沿着特定轴输出等于额定位移(例如，额定应变)的应变。但是，当由触觉致动器提供的位移量等于额定位移时，位移可以伴随有很小的力或没有力。例如，图18图示了一种情况，其中触觉致动器输出其值在触觉致动器的额定位移附近振荡的位移(例如，作为被振荡驱动信号驱动的结果)。由于没有预载荷或外部载荷，触觉致动器可以输出这种位移。振荡位移可以转化为振动触感触觉效果，但是振动触感触觉效果可以仅伴随有少量的力，如图18中所描绘的。因此，振动触感触觉效果可以被用户感知为非常弱，或者根本不能被感知到。
图18还图示了另一种情况，其中触觉致动器在存在预载荷的情况下生成位移。图18中两种情况下的位移可以由相同的信号振幅或相同的驱动信号生成。在实施例中，预载荷可以将来自触觉致动器的位移约束到其额定位移的分数(例如，1/2、3/4)的值。作为示例，预载荷可以约束由触觉致动器输出的位移，使得位移从35μm(当不存在预载荷时)减小到1μm(当存在预载荷时)。通过减小位移，预载荷可以使得触觉致动器输出的力增加。因此，如果由包括预载荷的触觉致动器组件生成振动触感触觉效果，那么伴随振动触感触觉效果的力可以相对于由没有预载荷的触觉致动器生成振动触感触觉效果的情况下更强并且更可感知。
在实施例中，预载荷设备可以约束或以其它方式抵抗来自触觉致动器的移位，以便保护触觉致动器。例如，包括压电陶瓷材料的触觉致动器可以是脆性的，因此可以由于过度应变或其它位移而遭受破裂或其它损坏。在这种情况下，预载荷设备可以通过约束其位移来约束触觉致动器的运动范围，并且因此可以防止触觉致动器遭受与过度应变相关联的损坏。换句话说，预载荷设备可以通过抵抗来自触觉致动器的过度位移来保护触觉致动器。
在实施例中，触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内。被封住的腔体内的压力低于大气压，以便生成压缩载荷，该压缩载荷阻止触觉致动器沿着一个或多个运动轴的扩展。可以利用真空泵来降低被封住的腔体内的压力以在触觉致动器上提供预载荷，或者可以利用泵来提升被封住的腔体内的压力以在触觉致动器上提供预载荷。
在另一个实施例中，预载荷设备包括至少一个连接器部件，该连接器部件由可收缩材料形成，该可收缩材料被配置为纵向收缩，以便生成压缩载荷，该压缩载荷阻止触觉致动器沿着一个或多个运动轴的扩展。
在实施例中，具有预载荷设备的触觉致动器组件可以部署在触觉致动器组件的将经历很少或不经历外部载荷的位置处。例如，触觉致动器组件可以部署在移动电话的后侧，诸如部署在移动电话的后面板的内表面上。后面板可以具有低质量(例如，小于1g)，并且可以在触觉致动器组件上施加小于1N的外部载荷。在这种情况下，预载荷设备可以有利地提供预载荷以约束组件的触觉致动器的位移。
图1描绘了触觉使能设备100的框图，该设备可以包括结合了预载荷设备的触觉致动器组件120。更具体而言，触觉使能设备100包括外壳110、触觉致动器组件120、控制单元130和电源140。在实施例中，触觉使能设备100可以是用户接口设备，诸如移动电话、平板计算机、膝上型计算机、手持式游戏控制器、可穿戴设备(例如，触觉使能电子表、手套或头戴式设备)或任何其它用户接口设备。
在实施例中，电源140可以包括电池或其它能量存储设备，其被配置为为触觉致动器组件120提供电力以生成触觉效果(术语“电力”和“能量”在本文中可互换使用)。在实施例中，控制单元130可以被配置为控制电源140以驱动触觉致动器组件120的触觉致动器，其在下面更详细地描述。例如，控制单元130可以被配置为控制电源140以生成要施加到触觉致动器组件120的触觉致动器的驱动电压信号或驱动电流信号。电源140可以被配置为生成用于触觉致动器组件120的触觉致动器的驱动信号，其具有50V至100V范围内的振幅(例如，60V驱动信号)。
在实施例中，控制单元130可以专用于控制在触觉使能设备100上生成触觉效果，或者可以是控制触觉使能设备100上的其它操作的通用控制单元。在实施例中，控制单元130可以包括一个或多个微处理器、一个或多个处理核、可编程逻辑阵列(PLA)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或任何其它处理电路。
图2A图示了触觉致动器组件120A的框图，该触觉致动器组件120A是触觉致动器组件120的实施例。触觉致动器组件120A包括触觉致动器121和预载荷设备127。下面更详细地描述预载荷设备127。在实施例中，预载荷设备可以被配置为生成在2N至4N范围内的压缩载荷。在实施例中，触觉致动器121被配置为沿着特定轴输出位移和力。例如，触觉致动器121可以是压电致动器，或电活性聚合物(EAP)致动器，诸如包括聚偏二氟乙烯(PVDF)的EAP致动器。在实施例中，触觉致动器121可以被配置为表现出沿着一个或多个轴扩展或收缩触觉致动器的应变或其它变形。
图2B描绘了触觉致动器121的实施例的框图。在图2B的实施例中，触觉致动器121包括压电层121a(也称为压电材料层或压电材料片)、电极121b和位移转换设备121c。压电层121a可以连接到电极121b，并且可以被配置为当驱动信号施加到电极121b时沿着一个或多个轴输出应变。在一些情况下，压电层121可以包括一叠压电材料子层，其中每个子层直接夹在电极121b的两个电极之间。在其它情况下，压电层121a仅具有一个这样的子层。
在实施例中，位移转换设备121c可以被配置为将沿着第一轴(例如，x轴)的应变或其它位移转换成沿着第二轴(例如，z轴)的位移。在实施例中，第一轴可以是平行轴，其中平行轴平行于压电层121a的平面表面。在一个实施例中，第二轴可以是垂直轴，其中垂直轴垂直于压电层121a的平面表面。在一些情况下，位移转换设备121c可以是位移放大设备，其被配置为将沿着第一轴的位移(例如，Δx)放大到沿着第二轴的更大的位移(例如，Δz)。
图3A和3B描绘了触觉使能设备200，其是触觉使能设备100的实施例。触觉使能设备200可以是例如移动电话或平板计算机。触觉使能设备200可以包括外壳210，外壳210至少由前面板212和后面板214形成。前面板212可以形成外壳210的前侧，并且可以结合触摸屏设备213，诸如具有电容式或电阻式触摸传感器的液晶显示器(LCD)或发光显示器(LED)。后面板214可以形成外壳210的后侧。外壳210的前侧可以是在使用期间一般面向用户的一侧，而后侧部署在外壳210的前侧的对面或与其相对。
如图3B中所示，触觉使能设备200还包括触觉致动器组件220。在一些实施例中，触觉致动器组件220部署在后面板214内，或部署在后面板214的内表面或外表面上。例如，图4描绘了一个实施例，其中后面板214具有腔体214a，并且触觉致动器组件220通过部署在腔体214a内而嵌入后面板214内。触觉致动器组件220可以被配置为例如在后面板214的外表面或外部表面214b处生成振动触感触觉效果。当触觉致动器组件以一定的频率沿着图4中的轴217重复地扩展和收缩时，可以生成振动触感触觉效果，以便沿着轴217输出振荡位移(也称为振荡振动或振荡移动)。更一般地说，当触觉致动器组件产生时变的位移量时，诸如在特定频率下其值振荡的位移，可以生成振动触感触觉效果。当触觉致动器组件220输出位移时，它可以按压或拉动后面板214的子层214c。子层214c可以是具有合适的杨氏模量的材料，并且可以足够薄以便能够由于被触觉致动器组件220作用而能够经受弹性弯曲或其它弹性变形，诸如通过被按压或者被组件拉。换句话说，后面板214的子层214c可以被配置为具有允许其相对于后面板214的其余部分向内和向外弯曲的刚度，如图4中的虚线所示，以生成振动触感触觉效果。
如下面更详细讨论的，触觉致动器组件220可以包括预载荷设备，该预载荷设备约束触觉致动器组件沿着轴(诸如轴217)的扩展。子层214c，或更一般地说后面板214，其本身可能缺乏足够的刚度来约束触觉致动器组件220的扩展。例如，由子层214c，或更一般地说由后面板214，施加到触觉致动器组件220的任何压缩载荷可以小于1N。更一般地说，由外壳210施加到触觉致动器组件220的任何压缩载荷可以小于1N。在一些情况下，外壳可以不在触觉致动器组件220上施加压缩载荷。在这种情况下，缺乏预载荷可以允许从触觉致动器组件的触觉致动器输出的位移量过大，其中过大的位移会减小外表面214b处的振动触感触觉效果的力并且会增加触觉致动器组件220的触觉致动器的损坏风险。因此，根据本文的预载荷设备在这样的应用中可以是有利的，以约束沿着触觉致动器组件220的轴217的位移，并且特别是其触觉致动器沿着轴217的位移。
在实施例中，由触觉致动器组件220输出的位移可以由触觉致动器组件的触觉致动器生成。例如，如果触觉致动器组件220的触觉致动器沿着轴217扩展5μm，使得触觉致动器输出5μm的位移，那么触觉致动器组件220也可以扩展5μm，使得触觉致动器组件220也输出5μm的位移。因而，触觉致动器的位移量和触觉致动器组件220的位移量可以相同，或者可以不同。
在实施例中，由触觉致动器组件220输出的力，诸如施加在子层214c上的力，可以等于由组件220的触觉致动器生成的力减去任何预载荷的力。例如，触觉致动器组件220可以生成4N的预载荷。预载荷可以是针对触觉致动器的压缩载荷，其造成或导致触觉致动器生成大约20N的力。在一些情况下，由触觉致动器组件输出的力可以是大约16N。
在实施例中，图4中示出的触觉使能设备200还可以包括部署在后面板214的内表面214d上的刚性部件218。更具体而言，刚性部件218可以与内表面214d接触。刚性部件218可以引导从触觉致动器组件220朝着后面板214的外表面214b的位移，而不是朝着内表面214d。更具体而言，刚性部件218可以沿着轴217是不可压缩的，使得当触觉致动器组件220的触觉致动器沿着轴217扩展时，子层214c提供比刚性部件218更小的抵抗该扩展的阻力。因此，组件220的触觉致动器的扩展的大部分或全部可以朝着弯曲子层214c而不是朝向压缩刚性部件218被引导。刚性部件218的示例可以包括金属框架、印刷电路板(PCB)基板或刚性电池壳。
在实施例中，本文实施例的触觉致动器组件可以是启用触觉的系统的一部分，例如图5的触觉启用系统300。在实施例中，触觉使能系统300可以是用于提供各种车载功能的中央控制台系统，包括显示导航指令、提供娱乐选项和显示传感器数据。在实施例中，触觉使能系统300包括触摸屏设备310、触觉致动器组件320、控制单元330、电源340和安装组件350。控制单元330可以类似于图1的控制单元130，并且电源340可以类似于电源140。触摸屏设备310可以是例如被配置为接收触摸输入的电容式或电阻式LCD或LED触摸屏。
与触觉致动器组件120或220类似，触觉致动器组件320可以被配置为输出位移和力，以在触摸屏设备310处生成触觉效果。触觉致动器组件320可以包括预载荷设备以约束位移，使得足够量的力伴随该位移。触摸屏设备310可以直接或间接地连接到安装部件350。在实施例中，安装部件350可以是车辆中央控制台的主体的一部分。
图6描绘了触觉使能系统400，其是触觉使能系统300的实施例。触觉使能系统400包括触摸屏设备410、触觉致动器组件420和安装部件450。在实施例中，触摸屏设备410可以具有小于10g的质量。触觉致动器组件420可以被配置为沿着轴417输出位移。因此，触觉致动器组件420可以按压/推动和拉动触摸屏设备410的表面410a，以在触摸屏设备410的外表面410b处生成振动触感触觉效果。表面410b可以是面向驾驶员的前外表面，而表面410a可以是触摸屏设备410的相对表面。在实施例中，安装部件450可以是刚性部件，并且可以具有比触摸屏设备410大得多的质量，使得由触觉致动器组件420输出的大部分或全部位移指向移动触摸屏设备410，而不是指向移动刚性部件450。在实施例中，触摸屏设备410可以经由触觉致动器组件420连接到安装部件450。在实施例中，触摸屏设备410可以经由悬架连接到安装部件450，该悬架允许触摸屏410沿着轴417移动。
在实施例中，触觉致动器组件420可以包括预载荷设备，该预载荷设备约束触觉致动器组件420沿着轴417的扩展。在图6的实施例中，触摸屏设备410的重量W本身不能提供足够的载荷以沿着轴417在触觉致动器组件420上提供足够的压缩载荷。如图6中所描绘的，重量W可能不足，因为它的量值太低(因为触摸屏设备410的质量低)，和/或重量W作用在部分或完全垂直于轴417的方向上。在这样的应用中，根据本文所述的预载荷设备可以结合到触觉致动器组件420中，以便约束触觉致动器组件的扩展。
图7A和7B中示出了触觉致动器组件520的实施例。触觉致动器组件520包括触觉致动器521和预载荷设备527。如图7B中所描绘的，触觉致动器521可以被配置为通过沿着轴517扩展而沿着轴517输出位移。由触觉致动器521输出的位移可以变为由触觉致动器组件520整体输出的位移。在实施例中，轴517可以表示触觉致动器组件520的厚度维度，并且由触觉致动器组件520输出的位移可以指触觉致动器组件520相对于例如触觉致动器521未被激活的基线状态的厚度改变或Δt。在实施例中，触觉致动器521可以是压电致动器。
在实施例中，预载荷设备527包括至少第一部件527a和第二部件527b，第一部件527a和第二部件527b被配置为生成预载荷，其可以是压缩载荷的形式，如图7A和7B中的箭头560所表示的，沿着触觉致动器521和触觉致动器组件520的轴517相对的扩展。触觉致动器521夹在或以其它方式部署在第一部件527a和第二部件527b之间。在实施例中，第一部件527a和第二部件527b可以经由粘合剂或某种其它附接方式附接到触觉致动器521的相对侧。在实施例中，第一部件527a和第二部件527b可以保持与触觉致动器521的相对侧接触或紧密接近，而不固定地与其附接。在一些情况下，第一部件527a和第二部件527b可以用于生成压缩载荷。
图8A-8D图示了触觉致动器621，其是触觉致动器521的实施例。在这个实施例中，触觉致动器621是压电致动器，其包括压电材料层621a，压电材料层621a被配置为沿着轴(诸如轴618和/或轴619)生成应变，该轴平行于层621a的平面表面(例如，621a-1或621a-2)。在实施例中，压电材料层621a可以具有9mm至25mm范围内的长度L，9mm至25mm范围内的宽度W，以及0.3mm至2mm范围内的厚度T2(参见图8B)。在实施例中，如图8A所示，层621a的长度L和宽度W可以彼此相等。在实施例中，压电材料层621a是锆钛酸铅(PZT)或其它压电陶瓷材料层。在实施例中，压电材料层621a是聚合物层。在实施例中，如图8B中所示，触觉致动器621可以具有1mm至4mm范围内的总厚度T1。在实施例中，触觉致动器621可以是PowerHapTM压电致动器的一个版本，诸如来自的小型化PowerHapTM 2.5G类型的触觉致动器。
如图8A-8C中所示，触觉致动器621还包括位移转换设备621b-1/621b-2，其被配置为沿着轴(诸如轴618或轴619)将应变转换成触觉致动器621沿着轴617的扩展或收缩，轴617垂直于压电材料层621a的平面表面(例如，表面621a-1或621a-2)。轴618或619可以被称为平行轴，而轴617可以被称为垂直轴。在实施例中，由触觉致动器621沿着轴617输出的位移可以源自触觉致动器621沿着轴617的扩展或收缩。
在实施例中，位移转换设备621b-1/621b-2是位移放大设备，其被配置为将由沿着轴618或轴619的应变造成的位移(即，第一位移量)转换成沿着轴617的更大量的位移(即，第二位移量)，其中第二位移大于第一位移(参见图8C)。由触觉致动器621沿着特定轴输出的位移可以指例如触觉致动器621相对于其中触觉致动器621未被激活的基线状态沿着那个轴的维度的改变(例如，长度、宽度或厚度的改变)。
在实施例中，位移放大设备包括杠杆设备，该杠杆设备被配置为执行从第一位移到第二位移的转换。例如，图8A-8C中的位移转换设备621b-1/621b-2是杠杆设备，其包括部署在压电材料层621a的相对侧或相对表面上的第一盘621b-1和第二盘621b-2。第一盘621b-1和第二盘621b-2中的每个盘可以是例如从圆形基部(例如，621f-1)到圆形中心部分(例如，621g-1)逐渐变细的金属片(也称为金属层)，以形成具有压电材料层621a的相应平面表面621a-1/621a-2的截头圆锥。截头圆锥也可以被称为钹或截头圆锥形端盖。如图8B中所示，截头圆锥可以具有斜率长度为S的倾斜部分，其中倾斜部分可以与压电材料层621a的平面表面(例如，621a-1)形成角度θ。在一些情况下，角度θ可以具有小于45°的值(例如，15°)。倾斜部分可以为截头圆锥形成高度H。高度H可以等于或基本上等于第一盘621b-1和/或第二盘621b-2的高度，并且可以在例如0.2mm至0.7mm的范围内。如果倾斜部分投射到平面表面621a-1上，那么它还可以具有基部宽度B。另外，第一盘621b-1和第二盘621b-2中的每个盘可以具有厚度T3(参见图8B)，这是0.1mm至0.5mm的范围。如图8A中所描绘的，每个盘621b-1、621-b2的圆形基部(例如，621f-1)可以具有在9mm至12mm范围内的直径d1，而每个盘621b-1、621b-2的圆形中心部分(例如，621g-1)的直径d2可以在2mm至3mm的范围内。上面讨论的维度值仅仅是示例，并且上面给出的各种维度可以具有其它值。
在实施例中，触觉致动器621可以经由位移转换设备621b-1/621b-2的表面与其它部件(例如，与预载荷设备)接口。例如，触觉致动器621可以经由盘621b-1的圆形中心部分(例如，621g-1)的外表面621h-1与预载荷设备接口，和/或与盘621b-2的圆形中心部分(例如，621g-1)的外表面621h-2接口。外表面621h-1和外表面621h-2可以形成触觉致动器621的相对外表面(也称为相对的外表面)，并且可以分别充当触觉致动器621的第一接口表面和第二接口表面。在这种实施例中，预载荷设备可以包括第一部件和第二部件，第一部件和第二部件部署在触觉致动器621的相应的相对表面上。在一些情况下，可以在外表面621h-1、621h-2上施用粘合剂层以将它们粘附到预载荷设备的第一部件和第二部件。
在实施例中，如图8B和8C中所示，触觉致动器621还包括电极621c-1和621c-2。当在电极621c-1和621c-2之间产生电压差时，压电材料层621a可以沿着轴618和/或轴619输出应变。例如，压电材料层621a可以沿着轴619收缩到由图8C中的虚线所指示的收缩状态CS。在实施例中，压电材料层621a也可以沿着轴617经受一些应变，但程度比沿着轴619的应变小得多。在实施例中，层621a沿着轴619的位移或变形可以在5μm至50μm的范围内，而层621a沿着轴617的位移或变形可以在0.5μm至2μm的范围内。在实施例中，层621a还可以沿着轴618生成应变。沿着轴619的应变和沿着轴618的应变可以相同，或者可以不同。图8C中的位移转换设备621b-1/621b-2可以将沿着轴619的应变转换成触觉致动器621沿着轴617扩展到由图8C中的虚线指示的扩展状态ES。由触觉致动器621输出的位移可以来自触觉致动器621的扩展。
图8D图示了压电材料层621a的实施例，其包括压电材料子层621p-1、621p-2、621p-3、621p-4...621p-n的堆叠。另外，电极621c-1和电极621c-2可以形成交叉指型或梳状图案。这个图案可以减小两个电极之间的距离，这可以允许在它们之间产生更强的电场。更具体而言，电极621c-1可以包括嵌入压电材料层621a内的第一组电极层621d-1、621d-2...621d-n。第一组电极层621d-1...621d-n中的每个电极层可以基本上延伸穿过层621a的长度或宽度。类似地，电极621c-2可以包括第二组电极层621e-1、621e-2...621e-n，它们也嵌入在压电材料层621a内。第二组电极层621e-1...621e-n中的每个电极层可以基本上延伸穿过层621a的长度或宽度。
在实施例中，多个子层621p-1...621p-n中的每个子层可以直接部署在第一组电极层621d-1...621d-n中的一个和第二组电极层621e-1...621e-n中的一个之间，使得两个电极层紧邻该子层。例如，子层621p-1直接部署在电极层621d-1和电极层621e-1之间，其中电极层621d-1和电极层621e-1紧邻子层621p-1。
在实施例中，当在第一组电极层621d-1...621d-n中的任何电极层与第二组电极层621e-1...621e-n中的相应或相邻电极层之间产生电压差时，电压差可以在两个电极层之间生成电场。电场可以沿着轴617对准。在实施例中，轴617可以与多个子层621p-1...621p-n中的每个子层的压电材料的极化(poling)方向平行。在实施例中，压电材料的极化方向可以与多个子层621p-1...621p-n中的每个子层平行，或者更一般地可以与层621a平行。例如，极化方向可以与层621a的长度维度或宽度维度平行。沿着两个电极层之间的轴617的电场可以使它们之间的压电材料子层生成应变。应变可以沿着轴617-619中的一个或多个。例如，图8D描绘了子层621p-1...621-n沿着轴619收缩并沿着轴617扩展，如图中的虚线所指示的。沿着轴619的应变量可以基于压电材料的d31系数的值，而沿着轴617的应变量可以基于压电材料的d33系数的值。在实施例中，沿着轴619的应变量可以显著大于沿着轴617的应变量。
如上所述，位移转换设备621b-1/621b-2可以被配置为将沿着轴619的应变转换成沿着轴617的位移和力。在实施例中，位移转换设备621b-1/621b-2可以形成通过1接头(例如，活动铰链)连接的多个连杆，并且连杆的几何形状可以导致沿着轴619的应变被转换，并且在一些情况下被放大成沿着轴617的位移。例如，图8B描绘了涉及维度S、H和B的几何形状，这些在上面参考图8B进行了讨论。这些维度可以与直角三角形的维度对应。如图8B和8C中所描绘的，当沿着轴619存在应变时，压电材料层621a的长度或宽度可以减小到收缩状态CS。因此，维度B可以减小，这可能迫使角度θ增加。θ的增加可以进而增加维度H。当θ改变时，维度S可以保持相同，诸如S1的值。在这种情况下，因为S(等于S1)、B和H的维度与直角三角形的维度对应，所以B的值可以被计算为S1cosθ，而H的值可以被计算为S1sinθ。图8E图示了针对这种情况的H和B的曲线图，其中沿着图8C的轴619的应变引起B的变化(即，ΔB)和H的变化(即，ΔH)。量ΔB可以表示沿着轴619的位移，而量ΔH可表示沿着轴617的位移。如图8B、8C和8E中所描绘的，使层621a收缩到收缩状态CS的应变可以迫使角度θ从θ1增加到θ2。在图8E中，θ1和θ2都小于45°。在这样的实施例中，θ的增加可以导致相对于ΔB更大的ΔH。换句话说，图8E例示了诸如图8B和8C中的几何形状的几何形状可以导致沿着轴617的位移相对于沿着轴619的位移被放大。
图9描绘了触觉致动器721，其是触觉致动器521的实施例。与触觉致动器621类似，触觉致动器721包括压电材料层721a。触觉致动器721还包括位移转换设备721b，该位移转换设备721b被配置为沿着轴719生成应变，该轴719平行于层721a的平面表面721a-1以沿着轴717移位。轴719可以被称为平行轴，而轴717可以被称为垂直轴。如图9中所描绘的，位移转换设备721b可以形成框架，该框架包括一对连杆721b-1、721b-2，每个连杆充当杠杆以沿着轴719将位移放大到沿着轴717的更大位移量。一对连杆721b-1、721b-2可以通过一对相应的活动铰链721c-1、721c-2连接到中心部分721b-3。框架还可以包括一对连杆721b-5、721b-6，其也充当杠杆以将沿着轴719的位移放大到沿着轴717的更大位移量。一对连杆721b-5、721b-6可以通过另一对相应的活动铰链721c-3、721c-4连接到中心部分721b-4。中心部分721b-3和721b-4可以例如充当触觉致动器721的相应接口表面，并且在一些情况下可以充当触觉致动器721的相应的相对外表面。位移转换和放大设备也在标题为“Methodand Apparatus for Enable Floating Touch Screen Haptics Assemblies”的美国专利No.9,866,149(IMM539)中进行了讨论，其全部内容通过引用并入本文。
图10描绘了触觉致动器组件820的部分分解图，该触觉致动器组件820是触觉致动器组件120至520中的任何一个的实施例。触觉致动器组件包括触觉致动器821和预载荷设备827。在实施例中，触觉致动器821可以类似于触觉致动器621，并且可以包括压电材料层821a，其被配置为沿着轴819生成应变，该轴819平行于层821a的平面表面821a-1。触觉致动器组件820还包括位移转换设备，其包括第一盘821b-1和第二盘821b-2。类似于位移转换设备621b-1/621b-2，第一盘821b-1和第二盘821b-2中的每一个可以是形成具有压电材料层821a的相应表面的截头圆锥(也称为钹)的金属层。在实施例中，预载荷设备827包括第一部件827a和第二部件827b，第一部件827a和第二部件827b被配置为生成压缩载荷形式的预载荷，该压缩载荷阻止触觉致动器821沿着垂直于或基本垂直于层821a的平面表面821a-1的轴817的扩展，并因此阻止触觉致动器组件820沿着轴817的扩展(轴819可以被称为平行轴，而轴817可以被称为垂直轴)。
在实施例中，第一部件827a和第二部件827b可以被配置为通过部署在第一部件527a和第二部件527b之间的一个或多个弹连接器部件生成预载荷，以便产生压缩载荷。在实施例中，第一部件827a和第二部件827b可以被配置为在触觉致动器821上产生压缩载荷形式的预载荷，其在2N至4N的范围内。在2N至4N的范围内的预载荷使得触觉致动器821能够响应于所施加的电势而可靠且可预测地变形。如果触觉致动器821没有被充分预加载，那么触觉致动器821可能在施加电势时断开，而相反地，如果触觉致动器被过度预加载，那么触觉致动器可能不能可靠且可预测地变形。
图11和12图示了触觉致动器组件1120的实施例，其中由组件的被封住的腔体1163内的预定压力产生预载荷(或更具体而言是压缩载荷)。更具体而言，图11和12分别图示了触觉致动器组件1120的透视分解图和截面侧视图，该触觉致动器组件1120包括先前在上文描述的触觉致动器621以及预载荷设备1127。虽然利用触觉致动器621示出并描述了触觉致动器组件1120，但是本文描述的任何触觉致动器也可以与预载荷设备1127一起使用。预载荷设备1127被配置为沿着轴617在触觉致动器621上产生压缩载荷，并且压缩载荷阻止触觉致动器621沿着轴617的扩展，或更一般地说是变形。
预载荷设备1127包括壳体1162，壳体1162限定被封住的腔体1163。触觉致动器621部署在由壳体1162形成的被封住的腔体1163内，并且被封住的腔体1163内的压力低于大气压，以便沿着轴617在触觉致动器621上产生压缩载荷。更特别地，被封住的腔体1163内的压力在1.4PSIA和10PSIA之间。被封住的腔体1163是气密的、不透气的或以其它方式密封的。例如，在组装触觉致动器组件1120期间，可以利用真空泵将被封住的腔体1163内的压力降低到低于大气压的压力。经由真空泵，从被封住的腔体1163中清除任何残留的蒸汽、气体或其它混合成分，直到被封住的腔体1163中的压力在1.4PSIA和10PSIA之间。真空泵可以选择性地连接到壳体1162并且经由通气孔(未示出)与被封住的腔体1163流体连通，该通气孔在被封住的腔体内的压力达到期望的预定压力之后可以被堵塞。在被封住的腔体1163内的低于大气压的预定压力在被封住的腔体1163外部的大气压与被封住的腔体1163内低于大气压的预定压力之间产生或生成压力差。这个压力差被配置为沿着轴617在触觉致动器621上产生或生成压缩载荷，并且压缩载荷阻止触觉致动器621沿着轴617的扩展。在实施例中，压力差(在被封住的腔体1163外部的大气压与被封住的腔体1163内的低于大气压的预定压力之间)可以被配置为生成在2N至4N的范围内的预载荷。在2N至4N的范围内的预载荷使得触觉致动器621能够响应于所施加的电势而可靠且可预测地变形。
当触觉致动器621响应于施加的电势而变形时，压力差(在被封住的腔体1163外部的大气压与被封住的腔体1163内的低于大气压的预定压力之间)在触觉致动器621上施加压缩力，这将触觉致动器621的位移约束到其额定位移的分数(例如，1/2、3/4)的值。通过减小来自触觉致动器621的位移输出，压力差导致触觉致动器621输出的力的增加。因此，当触觉致动器组件1120生成振动触感触觉效果时，伴随振动触感触觉效果的力相对于由没有预载荷的触觉致动器生成振动触感触觉效果的应用情形可以更强并且更可感知。
在实施例中，壳体1162包括盖子1164、与盖子1164相对的基部1166，以及在盖子1164和基部1166之间延伸以包围壳体1162的多个侧壁1168A、1168B。在图11和12的实施例中，壳体1162包括两组侧壁，第一组侧壁1168A从盖子1164朝着基部1166延伸，而第二组侧壁1168B从基部1166朝着盖子1164延伸。在实施例中，盖子1164与基部1166间隔开但大致平行于基部1166延伸。在实施例中，壳体1162可以由重量轻但结实的材料形成，诸如模量高于50GPa的复合材料或薄金属材料。壳体1162足够刚硬，以便在应用真空泵时不会塌陷，但足够柔韧以允许从触觉致动器621的位移。盖子1164和基部1166可以具有相同的尺寸和形状(例如，矩形或圆形形状)，或者可以具有不同的尺寸和/或形状。在一些情况下，盖子1164和基部1166可以各自为矩形，并且每个可以具有9mm至25mm范围内的长度和宽度。当盖子1164和基部1166每个都是矩形时，如图11和12的实施例中所示，壳体1162包括总共八个侧壁1168A、1168B，它们与矩形盖子和基部中的每一个的四个侧面对应。但是，取决于盖子1164和基部1166的形状，可能需要不同数量的侧壁来封住壳体1162。例如，当盖子1164和基部1166为圆形或椭圆形时，单个侧壁可以用于封住壳体1162。另外，作为另一个示例，图11和12的实施例中所示的壳体1162可以包括总共四个侧壁1168A、1168B以封住壳体1162，而不是所示的八个侧壁，每个侧壁在盖子1164和基部1166之间延伸全长。在实施例中，壳体1162可以具有低轮廓，其总厚度在2mm至10mm的范围内，使得触觉致动器组件1120也具有低轮廓。壳体1162可以形成为使得其一个或多个结构元件可释放地附接到其余结构元件，以便提供进入其封住的腔体或腔室的通路。例如，在一些情况下，壳体1162可以形成为可释放地耦合在一起的两个部件，第一部件包括盖子1164和从其延伸的侧壁1168A，并且第二部件包括基部1166和从其延伸的侧壁1168B。在另一个示例中，一个或多个侧壁1168A、1168B可以可释放地耦合到壳体1162的其余结构元件。
壳体1162容纳或包含触觉致动器621，包括压电材料层621a和位移转换设备621b-1/621b-2。触觉致动器621部署在壳体1162内盖子1164和基部1166之间，盖子1164和基部1166沿着轴617部署在触觉致动器621的相应的相对端处。在图11和12的实施例中，触觉致动器621部署在被封住的腔体1163内，使得触觉致动器621的第一外表面接触盖子1164的内表面，并且触觉致动器621的第二外表面接触基部1166的内表面。在实施例中，基部1166和/或盖子1164可以经由粘合剂或某种其它附接方式附接到触觉致动器621。
除了容纳触觉致动器621并限定其中具有低于大气压的预定压力的被封住的腔体1163之外，壳体1162还用于将触觉致动器组件1120提供为独立设备(self-containeddevice)，其中由此生成的预载荷是例如内置于触觉致动器组件1120中或内置于触觉致动器组件1120内部的载荷。照此，由预载荷设备1127生成的预载荷可以是独立于触觉致动器组件1120外部的用户交互或影响的载荷。例如，具有预载荷设备1127的触觉致动器组件1120可以部署在触觉致动器组件1120将经历很少或没有外部载荷的位置处。例如，触觉致动器组件1120可以部署在移动电话的后侧，诸如在移动电话的后面板的内表面上，如上面参考图3B所述。后面板可以具有低质量，并且可以在触觉致动器组件1120上施加小于1N的外部载荷。
图12还图示了可以向触觉致动器组件1120提供电力的电源1140。电源1140是上述电源140的实施例。电源1140可以由控制单元1130控制，以向触觉致动器621的电极621c-1/621c-2提供驱动信号，诸如电压信号或驱动信号。控制单元1130是上述控制单元130的实施例。在实施例中，控制单元1130可以控制电源1140以向触觉致动器组件1120提供正弦驱动信号，这可以使触觉致动器621沿着轴617输出振荡位移，诸如振动。在实施例中，正弦驱动信号可以具有在例如60V至120V的范围内的峰-峰振幅，以及在50Hz至200Hz的范围内的频率。预载荷设备1127可以生成压缩载荷，该压缩载荷在例如2N至4N的范围内，以抵抗触觉致动器621沿着轴617的扩展，或更一般地说是位移。如上所述，通过减小来自触觉致动器621的位移输出，预载荷设备1127引起触觉致动器621输出的力的增加，从而引起或产生更可感知的触觉效果。可以通过改变施加的电压或电流来调节电压信号或驱动信号，从而控制由触觉致动器组件1120施加的力。
在实施例中，触觉致动器组件1120可以用作以相对高的频率运行的谐波振荡器。在操作中，当电源1140向触觉致动器组件1120提供正弦驱动信号时，触觉致动器621根据振荡驱动信号指示的振动。更特别地，如上面关于触觉致动器621的操作所描述的，由触觉致动器621沿着轴617输出的位移可以来自触觉致动器621的扩展或收缩。在实施例中，触觉致动器621沿着轴617的位移引起盖子1164和基部1166两者的移动或振动。在另一个实施例中，盖子1164或基部1166中的一个被配置为充当机械接地，如下面更详细描述的，使得触觉致动器621沿着轴617的位移仅引起未被配置为机械接地的另一个相对结构的移动或振动。因此，触觉致动器组件1120振动并向外壳或其所附接到的触觉使能设备的一部分提供触觉感觉。
如上所述，在本文的实施例中，盖子1164或基部1166中的一个可以被配置为充当机械接地，而另一个结构振动/移位。例如，基部1166可以被配置为充当机械接地，从而将由触觉致动器621生成的力转化到盖子1164。基部1166可以是具有合适的杨氏模量和/或厚度的相对较硬的材料，以被配置为充当机械接地。当触觉致动器621沿着轴617扩展时，盖子1164比基部1166提供小得多的抵抗那种扩展的阻力，因此，触觉致动器621的大部分或全部扩展可以朝着使盖子1164振动或移位而不是朝着基部1166被引导。例如，在实施例中，盖子1164具有第一厚度，并且基部1166具有第二厚度，第一厚度比第二厚度薄，使得基部1166可以被配置为充当机械接地。在另一个实施例中，盖子1164和基部1166可以具有相同的厚度，但是基部1166可以由相对较硬的材料形成，使得基部1166被配置为充当机械接地。
在实施例中，可以选择触觉致动器组件1120的部件以提供更有效的触觉感觉。例如，如果触觉致动器621以触觉致动器组件1120(包括触觉致动器621以及预载荷设备1127)的固有频率振荡，那么可以输出更强的力和更有效的触觉感觉。更特别地，当电源1140向触觉致动器组件1120提供驱动信号并且驱动信号是具有等于触觉致动器组件1120的谐振频率的频率的周期信号时，触觉致动器组件1120谐振以提供更有效的触觉感受。换句话说，触觉致动器组件1120可以被配置为以特定频率谐振，以通过振幅调制技术呈现宽频谱。因此，当驱动信号具有等于触觉致动器组件1120的谐振频率的频率时，触觉致动器组件1120可以被配置为实现如上所述的机械谐振。
壳体1162被配置为允许电源1140与触觉致动器621的电极621c-1/621c-2之间的电连通。例如，图13图示了壳体1362，它是壳体1162的实施例。壳体1362限定被封住的腔体1363。壳体1362包括基部1366，基部1366具有形成通过其的一对通道或孔1367A、1367B。阀门1369A、1369B分别部署在通道1367A、1367B中，并且每个阀门1369A、1369B可操作以允许电引线通过以将电源1140电连接到触觉致动器621的电极621c-1/621c-2，同时仍维持通过相应通道1367A、1367B的密封，使得被封住的腔体1163保持气密、不透气或以其它方式相对于大气密封。在另一个实施例中，其中具有阀门的一对通道或孔可以可替代地通过盖子1364或侧壁1368A、1368B中的一个或多个形成。
在另一个实施例中，壳体可以包括嵌入其中的一对电源馈通装置(feedthrough)，其可以用于将电源1140电连接到触觉致动器621的电极621c-1/621c-2。例如，图14图示了壳体1462，其是壳体1162的实施例。壳体1462限定被封住的腔体1463。壳体1462包括基部1466，基部1466具有通过其形成的一对电源馈通装置1465A、1465B。每个电源馈通装置1465A、1465B可以包括例如基部1366内的嵌入式销，在嵌入式销的每个端部处具有电极，使得可以在销的一端处与触觉致动器621的电极621c-1/621c-2形成电连接，并且电连接可以在销的另一个端处与电源1140形成。这对电源馈通装置1465A、1465B构成壳体1462，使得被封住的腔体1463保持气密、不透气或以其它方式相对于大气密封。在另一个实施例中，这对电源馈通装置1465A、1465B可以可替代地通过盖子1464或侧壁1468A、1468B中的一个或多个形成。
虽然上面描述了图11和12的触觉致动器组件1120，其中使用真空泵将被封住的腔体1163内的压力降低到低于大气压的压力，但是在另一个实施例中，可以增加或升高被封住的腔体1163内的压力以产生或生成预载荷，或更具体而言是压缩载荷。泵可以选择性地连接到壳体1162并且经由通风口(未示出)与被封住的腔体1163流体连通，该通风口在被封住的腔体内的压力达到高于大气压的期望压力之后可以被堵塞。被封住的腔体1163的这种加压施加力以沿着轴617在触觉致动器621上产生或生成压缩载荷，并且压缩载荷阻止触觉致动器621沿着轴617的扩展。当触觉致动器621响应于施加的电势而变形时，被封住的腔体或腔室1163内的预定升高的压力在触觉致动器621上施加压缩力，该压缩力将触觉致动器621的位移约束到其额定位移的分数(例如，1/2，3/4)的值。通过减小来自触觉致动器621的位移输出，被封住的腔体1163内的预定升高的压力使得触觉致动器621输出的力增加。
图15图示了触觉致动器组件1520的实施例，其中由多个由可收缩材料形成的连接器组件1570形成预载荷(或更具体而言是压缩载荷)。更具体而言，图15图示了触觉致动器组件1520的截面侧视图，其包括先前在前面描述的触觉致动器621以及预载荷设备1527。虽然利用触觉致动器621示出并描述了触觉致动器组件1520，但是本文描述的任何触觉致动器也可以与预载荷设备1527一起使用。预载荷设备1527被配置为沿着轴617在触觉致动器621上产生压缩载荷，并且压缩载荷阻止触觉致动器621沿着轴617的扩展，或更一般地说是变形。
预载荷设备1527包括盖子1572、与盖子1572间隔开并平行于盖子1572延伸的基部1574，以及由可收缩材料形成的至少一个连接器部件1570。如图15的实施例中所示，连接器部件1570可以包括多个间隔开的连接器部件1570。在图15的实施例中，多个(四个)间隔开的部分连接器部件1570部署在对准的盖子和基部之间。应当理解的是，在一些实现中，可以在触觉致动器组件1520中使用更多数量或更少数量的连接器部件以施加期望的压缩力。另外，连接器部件的放置可以变化。例如，在另一个实施例中，多个连接器部件可以定位在对准的盖子和基部的拐角处，或者多个连接器部件可以围绕对准的盖子和基部的周边部署。每个连接器部件1570包括附接到盖子1572的第一端1571A和附接到基部1574的第二端1571B。每个连接器部件1570由可收缩材料的股线或细丝形成，该可收缩材料被配置为从第一长度纵向收缩到第二长度，第二长度短于第一长度。当收缩到第二长度时，连接器部件1570被共同配置为施加力以沿着轴617在触觉致动器621上产生或生成压缩载荷，并且压缩载荷阻止触觉致动器621沿着轴617的扩展。
更特别地，为了生成预载荷，连接器部件1570抵靠在触觉致动器621上推动基部1574和盖子1572以向其提供压缩力。在实施例中，连接器部件1570可以被配置为共同产生2N至4N范围内的预载荷。在2N至4N范围内的预载荷使得触觉致动器621能够响应于施加的电势而可靠且可预测地变形。当触觉致动器621响应于施加的电势而变形时，连接器部件1570在触觉致动器621上共同施加压缩力，该压缩力将来自触觉致动器621的位移约束到其额定位移的分数(例如，1/2、3/4)的值。通过减小来自触觉致动器621的位移输出，连接器部件1570引起触觉致动器621输出的力的增加。因此，当触觉致动器组件1520生成振动触感触觉效果时，伴随振动触感触觉效果的力相对于其中由没有预载荷的触觉致动器生成振动触感触觉效果的情况可以更强并且更可感知。
在实施例中，连接器部件1570的可收缩材料是塑料膜或金属膜，其被配置为经历从第一长度纵向收缩到第二长度的过程。例如，为了经历从第一长度纵向收缩到第二长度的过程，诸如但不限于聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的塑料膜可以被加热到高于其转变温度。在保持高于其转变温度的同时，可以对材料施加机械变形以使其从第一长度纵向收缩至第二长度，然后可以将材料淬火至远低于转变温度的温度。如果这种材料随后在淬火后再加热，那么材料恢复到其原始形状(例如，第一长度)。这种规程可以应用于大多数半结晶和无定形聚合物以及结晶金属。
可收缩材料足够强以将盖子1572和基部1574拉向或推向彼此，从而在触觉致动器621上施加期望的压缩力，但是足够柔韧以允许从触觉致动器621的位移。在实施例中，在组装到触觉致动器组件1520中之后，将诸如上述的加热规程应用于连接器部件1570，以便将连接器部件1570从第一长度纵向收缩到第二长度，第二长度比第一长度短。在下面参考图17更详细描述的另一个实施例中，在组装到触觉致动器组件1520中之后，将电荷施加到连接器部件1570，以便将连接器部件1570从第一长度纵向收缩到第二长度，第二长度比第一长度短。将连接器部件从第一长度或更长长度转换成第二长度或更短长度的方法取决于用于连接器部件1570的可收缩材料的特定材料。
触觉致动器621部署在盖子1572和基部1574之间，盖子1572和基部1574沿着轴617部署在触觉致动器621的相应的相对端。在图15的实施例中，触觉致动器621部署成使得触觉致动器621的第一外表面接触盖子1572的内表面，并且触觉致动器621的第二外表面接触基部1574的内表面。在实施例中，盖子1572和/或基部1574可以经由粘合剂或某种其它附接方式附接到触觉致动器621。
盖子1572和基部1574中的每一个是薄的平面部件，其被配置为将由连接器部件1570施加的力均匀地分布到触觉致动器621上。例如，盖子1572和基部1574可以由重量轻但结实的材料形成，诸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯、聚丙烯、聚氨酯或其它聚合物材料。盖子1572和基部1574可以具有相同的尺寸和形状(例如，矩形或圆形)，或者可以具有不同的尺寸和/或形状。在一些情况下，盖子1572和基部1574可以各自为矩形，并且各自可以具有9mm至25mm范围内的长度和宽度。在实施例中，触觉致动器组件1520可以具有低轮廓，总厚度在2mm至10mm的范围内，其中厚度包括触觉致动器621的厚度以及盖子1572和基部1574的相应厚度。
触觉致动器组件1520是独立设备，其中由此生成的预载荷是例如内置于触觉致动器组件1520中或触觉致动器组件1520内部的载荷。照此，由预载荷设备1527生成的预载荷可以是与在触觉致动器组件1520外部的用户交互或影响无关的载荷。例如，具有预载荷设备1527的触觉致动器组件1520可以部署在触觉致动器组件1520将经历很少或没有外部载荷的位置处。例如，触觉致动器组件1520可以部署在移动电话的后侧，诸如在移动电话的后面板的内表面上，如上面参考图3B所述。后面板可以具有低质量，并且可以在触觉致动器组件1520上施加小于1N的外部载荷。
图15还图示了可以向触觉致动器组件1520提供电力的电源1540。电源1540是上述电源140的实施例。电源1540可以由控制单元1530控制，以向触觉致动器621的电极621c-1/621c-2提供驱动信号，诸如电压信号或驱动信号。控制单元1530是上述控制单元130的实施例。在实施例中，控制单元1530可以控制电源1540以向触觉致动器组件1520提供正弦驱动信号，这可以使触觉致动器621沿着轴617输出振荡位移，诸如振动。在实施例中，正弦驱动信号可以具有在例如60V至120V的范围内的峰-峰幅度，以及在50Hz至200Hz的范围内的频率。预载荷设备1527可以生成在例如2N至4N的范围内的压缩载荷，以抵抗触觉致动器621沿着轴617的扩展，或更一般地说是位移。如上所述，通过减小来自触觉致动器621的位移输出，预载荷设备1527引起触觉致动器621输出的力的增加，从而引起或产生更可感知的触觉效果。可以通过改变施加的电压或电流来调节电压信号或驱动信号，从而控制由触觉致动器组件1520施加的力。
在实施例中，触觉致动器组件1520可以用作以相对高的频率运行的谐波振荡器。在操作中，当电源1540向触觉致动器组件1520提供正弦驱动信号时，触觉致动器621按照振荡驱动信号指示的振动。更特别地，如上面关于触觉致动器621的操作所描述的，由触觉致动器621沿着轴617输出的位移可以来自触觉致动器621的扩展或收缩。在实施例中，触觉致动器621沿着轴617的位移引起盖子1572和基部1574两者的移动或振动。在另一个实施例中，盖子1572或基部1574中的一个被配置为充当机械接地，如下面更详细描述的，使得触觉致动器621沿着轴617的位移仅引起未被配置为机械接地的另一个相对结构的移动或振动。因此，触觉致动器组件1220振动并向外壳或其所附接到的触觉使能设备的部分提供触觉感觉。
如上所述，在本发明的实施例中，盖子1572或基部1574中的一个可以被配置为充当机械接地，而另一个结构振动/移位。例如，基部1574可以被配置为充当机械接地，从而将由触觉致动器621生成的力转化到盖子1572。基部1574可以是相对较硬的材料，具有合适的杨氏模量和/或厚度，以被配置为充当机械接地。当触觉致动器621沿着轴617扩展时，盖子1572比基部1572提供小得多的抵抗那种扩展的阻力，因此，触觉致动器621的大部分或全部扩展可以朝着使盖子1572振动或移位而不是朝着基部1574被引导。例如，在图16中描绘的触觉致动器组件1620的实施例中，预载荷设备1627具有连接器部件1570和具有第一厚度的盖子1672以及具有第二厚度的基部1674，其中第一厚度比第二厚度薄。因而，当触觉致动器621沿着轴617输出位移时，基部1674被配置为充当机械接地。在另一个实施例中，盖子1572和基部1574可以具有相同的厚度，但是基部1574可以由相对较硬的材料形成，使得基部1574被配置为充当机械接地。
在实施例中，可以选择触觉致动器组件1520的部件以提供更有效的触觉感觉。例如，如果触觉致动器621以触觉致动器组件1520(包括触觉致动器621以及预载荷设备1527)的固有频率振荡，那么可以输出更强的力和更有效的触觉感觉。更特别地，当电源1540向触觉致动器组件1520提供驱动信号并且驱动信号是具有等于触觉致动器组件1520的谐振频率的频率的周期信号时，触觉致动器组件1520谐振以提供更有效的触觉感受。换句话说，触觉致动器组件1520可以被配置为以一定的频率谐振，以通过振幅调制技术呈现宽频谱。因此，当驱动信号具有等于触觉致动器组件1520的谐振频率的频率时，触觉致动器组件1520可以被配置为实现如上所述的机械谐振。
图17图示了具有预载荷设备1727的触觉致动器组件1720的实施例，其中由多个连接器部件1770产生预载荷(或更具体而言是压缩载荷)，连接器部件1770由可收缩材料形成，该可收缩材料是形状记忆材料。连接器部件1770是连接器部件1570的实施例。当由形状记忆材料形成时，附接在盖子1772和基部1774之间的连接器部件1770可以施加可逆的预载荷，因为连接器部件1770可以纵向收缩，然后选择性地恢复其初始/原始或更长的长度。当连接器部件1770纵向收缩时，它们将盖子1772和基部1774朝着彼此推动，以在触觉致动器621上提供压缩力。相反，当连接器部件1770恢复其初始/原始或更长的长度时，触觉致动器621上的压缩载荷被释放或移除。因此，由连接器部件1770施加的预载荷可以被认为是可逆的，因为触觉致动器621上的压缩载荷可以在期望时选择性地施加在触觉致动器621上。
更特别地，连接器元件1770每个都是智能材料的一段，其可响应于来自控制单元1730的命令信号而变形，其中当连接器元件1770变形时，它们将盖子1772和基部1774朝着彼此推动，以在触觉致动器621上提供压缩力。智能材料具有在经受电荷或电场时表现出尺寸、形状或刚度改变的特性。换句话说，智能材料可以被配置为当电荷施加在它们上时表现出机械变形。在本文的实施例中，连接器元件1770的智能材料由电活性聚合物(EAP)、形状记忆聚合物(SMP)、形状记忆合金(SMA)或形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆合金(SMA)的组合形成。当电荷施加到连接器元件1770时，连接器元件1770变形并纵向收缩到第二或更短的长度，以便在触觉致动器621上生成压缩载荷。
为了将电荷施加到连接器元件1770，控制单元1730包括控制硬件和软件，其向连接器元件1770提供电信号，从而使得连接器元件1770变形并将期望的压缩力施加到触觉致动器621上。更特别地，连接器元件1770电连接到电源1740，电源1740向连接器元件1770供应电荷。控制单元1730控制电源1740并因此确定所施加的电荷的量值和频率。因而，电源1740被配置为从控制单元1730接收命令信号，并且被配置为根据命令信号将电荷施加到连接器元件1770。连接器元件1770响应于来自电源1740的施加的电荷而变形或收缩。然后可以中断或停止电荷以在期望时选择性地释放或移除触觉致动器621上的压缩载荷。因此，连接器元件1770可以在较长或第一长度(其不生成或产生压缩载荷)与第二或较短长度(其确实生成或产生压缩载荷)之间交替。
在实施例中，为了节省能量，当触觉致动器621未被致动或变形时，可能期望释放或移除触觉致动器621上的压缩载荷。然后可以在触觉致动器621被致动时在触觉致动器621上施加压缩载荷，使得预载荷设备1727被配置为引起触觉致动器621输出的力的增加，从而引起或产生更可感知的触觉效果。在实施例中，可能期望在触觉致动器621的致动停止之后的预定时间段(例如，十(10)秒)内释放或移除触觉致动器621上的压缩载荷。在触觉致动器621的致动终止之后的预定时间段内移除触觉致动器621上的压缩载荷可以帮助系统阻尼或减小感知到的触觉效果。
虽然图17的实施例描述了使用控制单元1730和电源1740来控制连接器元件1770，以及使用控制单元1730和电源1740来控制触觉致动器621，但是应理解的是，可以使用分离的控制单元和/或电源。
在实施例中，触觉致动器组件1720/1620/1520/1120的总厚度可以在2mm至10mm的范围内。
在实施例中，当将例如50V至100V的电压差施加到触觉致动器621的两个电极时，并且当压缩载荷或其它预载荷被预载荷设备1727/1627/1527/1127施加到触觉致动器621时，触觉致动器621输出在5μm至15μm范围内的位移(相对于其中不向触觉致动器621施加电压差的基线状态)，并且触觉致动器组件1720/1620/1520/1120被配置为沿着轴617输出在2N至10N范围内的力。
在实施例中，当施加到触觉致动器621的电压差例如在50V和100V之间时，并且当由预载荷设备1727/1627/1527/1127将压缩载荷施加到触觉致动器621时，触觉致动器输出位移(相对于基线状态)，该位移在触觉致动器621的既定标称位移的25％至50％的范围内，其中标称位移可以是特定于电压差的。另外，在这个示例中，触觉致动器组件1720/1620/1520/1120可以被配置为沿着轴617输出力，该力在触觉致动器621的既定阻挡力的50％至75％的范围内，其中阻挡力也可以是特定于电压差的。
在实施例中，控制单元130/1130/1530/1730可以被配置为生成用于触觉致动器621的驱动信号，该驱动信号处于相应的触觉致动器组件1720/1620/1520/1120的谐振频率。在实施例中，驱动信号可以具有低于既定阈值的振幅(例如，峰-峰振幅)，以便进一步避免生成过大的力或位移，即使存在预载荷，这也将会损坏触觉致动器。
在实施例中，控制单元130/1130/1530/1730可以被配置为生成具有频率分量的驱动信号，该频率分量包括至少作为触觉致动器组件1720/1620/1520/1120的谐振频率的第一频率和不是触觉致动器组件1720/1620/1520/1120的谐振频率的第二频率。换句话说，驱动信号可以包括具有第一频率的第一分量和具有第二频率的第二分量。在一些情况下，第一分量和第二分量可以是驱动信号的唯一频率。控制单元130/1130/1530/1730可以使得驱动信号的第一分量具有低于既定阈值的第一振幅(因为第一分量具有谐振频率)，并且可以使第二分量具有第二振幅，该第二振幅高于第一振幅并高于既定阈值。
以下给出各种实施例的附加讨论：
实施例1涉及触觉致动器组件，包括：触觉致动器和预载荷设备。触觉致动器包括压电材料层，该压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，平行轴平行于压电材料层的平面表面，并且包括位移转换设备，该位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，该垂直轴垂直于压电材料层的平面表面。触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移。
预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷。预载荷设备包括壳体，壳体具有盖子、与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部，以及在盖子和基部之间延伸的至少一个侧壁。触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内。改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
实施例2包括实施例1的触觉致动器组件，其中压力低于大气压，并且被封住的腔体内的压力与被封住的腔体外部的大气压之间的压力差沿着垂直轴在触觉致动器上施加压缩载荷。
实施例3包括实施例2的触觉致动器组件，其中被封住的腔体内的压力在1.4PSIA和10PSIA之间。
实施例4包括实施例1的触觉致动器组件，其中压力升高到高于大气压，并且压力沿着垂直轴在触觉致动器上施加压缩载荷。
实施例5包括实施例2-4中任一个的触觉致动器组件，其中触觉致动器的位移转换设备是位移放大设备，其被配置为将由压电材料层由于其应变而沿着平行轴输出的位移转换成触觉致动器沿着垂直轴的更大位移，触觉致动器的位移放大设备包括部署在压电材料层的相应的相对平面表面上的第一盘和第二盘，其中第一盘和第二盘中的每个盘形成具有压电材料层的相应平面表面的截头圆锥。
实施例6包括实施例2-5中任一个的触觉致动器组件，其中触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内，使得触觉致动器的第一外表面接触盖子的内表面并且触觉致动器的第二外表面接触基部的内表面。
实施例7包括实施例2-6中任一个的触觉致动器组件，其中盖子被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时变形，并且基部被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时不变形。
实施例8包括实施例2-7中任一个的触觉致动器组件，其中被封住的腔体是气密的。
实施例9是触觉使能设备，包括：外壳、电源以及触觉致动器组件，触觉致动器组件被配置为在壳体的外表面处生成触觉效果。触觉致动器包括压电材料层，该压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，平行轴平行于压电材料层的平面表面，并且包括附接到或嵌入在压电材料层内的至少两个电极，并且包括位移转换设备，该位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，该垂直轴垂直于压电材料层的平面表面。触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移。
预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷。预载荷设备包括壳体，壳体具有盖子、与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部，以及在盖子和基部之间延伸的至少一个侧壁。触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内，并且改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
触觉使能设备还包括控制单元，该控制单元被配置为控制电源以向触觉致动器的所述至少两个电极提供电力。
实施例10包括实施例9的触觉使能设备，其中由触觉使能设备的外壳施加到触觉致动器组件的任何压缩载荷小于1N。
实施例11包括实施例9-10中任一个的触觉使能设备，还包括形成外壳的第一侧的触摸屏设备，其中外壳包括形成外壳的相对的第二侧的后面板，其中触觉致动器组件部署在外壳的第二侧，使得由触觉致动器组件生成的力抵靠外壳的第二侧施加。
实施例12包括实施例9-11中任一个的启用触觉的设备，其中控制单元被配置为控制电源以向触觉致动器提供驱动信号。
实施例13包括实施例9-12中任一个的触觉使能设备，其中驱动信号是具有等于触觉致动器组件的谐振频率的频率的周期信号。
实施例14涉及触觉致动器组件，包括：触觉致动器和预载荷设备。触觉致动器包括压电材料层，该压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，平行轴平行于压电材料层的平面表面，并且包括位移转换设备，该位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，垂直轴垂直于压电材料层的平面表面。触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移。
预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷。预载荷设备包括盖子、与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部，其中触觉致动器部署在盖子和基部之间，以及具有附接到盖子的第一端和附接到基部的第二端的连接器部件。连接器部件由可收缩材料形成，该可收缩材料被配置为从第一长度纵向收缩到第二长度，第二长度比第一长度短。收缩到第二长度的连接器部件被配置为施加力以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
实施例15包括实施例14的触觉致动器组件，其中连接器部件包括多个间隔开的连接器部件。
实施例16包括实施例14-15中任一个的触觉致动器组件，其中可收缩材料是形状记忆材料。
实施例17包括实施例14-16中任一个的触觉致动器组件，其中盖子被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时变形，并且基部被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时不变形。
实施例18包括实施例14-17中任一个的触觉致动器组件，盖子和基部中的每一个是薄平面部件，其被配置为将由连接器部件施加的力均匀地分布到触觉致动器上。
实施例19包括实施例14-18中任一个的触觉致动器组件，其中由预载荷设备的第一部件和第二部件生成的、沿着垂直轴的压缩载荷在2N至4N的范围内。
实施例20包括实施例14-19中任一个的触觉致动器组件，其中触觉致动器的位移转换设备是位移放大设备，其被配置为将由压电材料层由于其应变而沿着平行轴输出的位移转换成触觉致动器沿着垂直轴的更大位移，触觉致动器的位移放大设备包括部署在压电材料层的相应的相对平面上的第一盘和第二盘，其中第一盘和第二盘中的每个盘形成具有压电材料层的相应平面表面的截头圆锥。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应当理解的是，它们仅仅作为本发明的说明和示例而给出，而不是作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制，而应当仅根据所附权利要求及其等同物来限定。还应理解的是，本文讨论的每个实施例的每个特征以及本文引用的每个参考文献的每个特征可以与任何其它实施例的特征组合使用。本文讨论的所有专利和出版物均通过引用整体并入本文。

Claims (20)

1.一种触觉致动器组件，包括：
触觉致动器，包括
压电材料层，所述压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，所述平行轴平行于所述压电材料层的平面表面，以及
位移转换设备，所述位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，所述垂直轴垂直于所述压电材料层的平面表面，
其中触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移；以及
预载荷设备，所述预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷，所述预载荷设备包括壳体，所述壳体具有盖子、与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部以及在盖子和基部之间延伸的至少一个侧壁，其中触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内，以及
其中改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
2.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中压力低于大气压，并且被封住的腔体内的压力与被封住的腔体外部的大气压之间的压力差沿着垂直轴在触觉致动器上施加压缩载荷。
3.如权利要求2所述的触觉致动器组件，其中被封住的腔体内的压力在1.4PSIA和10PSIA之间。
4.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中压力升高到高于大气压，并且压力沿着垂直轴在触觉致动器上施加压缩载荷。
5.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中触觉致动器的位移转换设备是位移放大设备，所述位移放大设备被配置为将由压电材料层由于其应变而沿着平行轴输出的位移转换成触觉致动器沿着垂直轴的更大位移，所述触觉致动器的位移放大设备包括部署在压电材料层的相应的相对平面表面上的第一盘和第二盘，其中第一盘和第二盘中的每个盘形成具有压电材料层的相应平面表面的截头圆锥。
6.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内，使得触觉致动器的第一外表面接触盖子的内表面并且触觉致动器的第二外表面接触基部的内表面。
7.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中盖子被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时变形，并且基部被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时不变形。
8.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中被封住的腔体是气密的。
9.一种触觉使能设备，包括：
外壳；
电源；
触觉致动器组件，所述触觉致动器组件被配置为在壳体的外表面处生成触觉效果，所述触觉致动器组件包括：
触觉致动器，包括
压电材料层，所述压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，所述平行轴平行于所述压电材料层的平面表面，
至少两个电极，所述至少两个电极附接到或嵌入在压电材料层内，以及
位移转换设备，所述位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，所述垂直轴垂直于所述压电材料层的平面表面，其中所述触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移；
预载荷设备，所述预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷，所述预载荷设备包括壳体，所述壳体具有盖子、与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部以及在盖子和基部之间延伸的至少一个侧壁，其中所述触觉致动器部署在由壳体形成的被封住的腔体内，并且其中改变被封住的腔体内的压力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷，以及
控制单元，所述控制单元被配置为控制电源以向触觉致动器的所述至少两个电极提供电力。
10.如权利要求9所述的触觉使能设备，其中由触觉使能设备的外壳施加到触觉致动器组件的任何压缩载荷小于1N。
11.如权利要求10所述的触觉使能设备，还包括形成外壳的第一侧的触摸屏设备，其中所述外壳包括形成外壳的相对的第二侧的后面板，其中所述触觉致动器组件部署在外壳的第二侧，使得由触觉致动器组件生成的力抵靠外壳的第二侧施加。
12.如权利要求9所述的触觉使能设备，其中控制单元被配置为控制电源以向触觉致动器提供驱动信号。
13.如权利要求12所述的触觉使能设备，其中驱动信号是具有等于触觉致动器组件的谐振频率的频率的周期信号。
14.一种触觉致动器组件，包括：
触觉致动器，包括
压电材料层，所述压电材料层被配置为沿着平行轴生成应变，所述平行轴平行于所述压电材料层的平面表面，以及
位移转换设备，所述位移转换设备被配置为将压电材料层沿着平行轴的应变转换成触觉致动器沿着垂直轴的扩展或收缩，所述垂直轴垂直于所述压电材料层的平面表面，
其中所述触觉致动器的扩展或收缩被配置为生成触觉致动器沿着垂直轴的位移；以及
预载荷设备，所述预载荷设备与触觉致动器相邻并且被配置为沿着垂直轴在触觉致动器上生成压缩载荷，所述预载荷设备包括：
盖子，
与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部，其中所述触觉致动器部署在盖子和基部之间，
连接器部件，所述连接器部件具有附接到盖子的第一端和附接到基部的第二端，所述连接器部件由可收缩材料形成，所述可收缩材料被配置为从第一长度纵向收缩到第二长度，所述第二长度比所述第一长度短，
其中收缩到第二长度的连接器部件被配置为施加力以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
15.如权利要求14所述的触觉致动器组件，其中连接器部件包括多个间隔开的连接器部件。
16.如权利要求15所述的触觉致动器组件，其中可收缩材料是形状记忆材料。
17.如权利要求15所述的触觉致动器组件，其中所述盖子被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时变形，并且所述基部被配置为当触觉致动器沿着垂直轴输出位移时不变形。
18.如权利要求15所述的触觉致动器组件，其中盖子和基部中的每一个是薄平面部件，所述薄平面部件被配置为将由连接器部件施加的力均匀地分布到触觉致动器上。
19.如权利要求15所述的触觉致动器组件，其中由预载荷设备的第一部件和第二部件生成的、沿着垂直轴的压缩载荷在2N至4N的范围内。
20.如权利要求15所述的触觉致动器组件，其中触觉致动器的位移转换设备是位移放大设备，所述位移放大设备被配置为将由压电材料层由于其应变而沿着平行轴输出的位移转换成触觉致动器沿着垂直轴的更大位移，所述触觉致动器的位移放大设备包括部署在压电材料层的相应的相对平面表面上的第一盘和第二盘，其中第一盘和第二盘中的每个盘形成具有压电材料层的相应平面表面的截头圆锥。
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