CN110609637A - 具有弹簧预载荷设备的触觉致动器组件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有弹簧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。预载荷设备包括壳体和至少第一弹簧部件。壳体包括盖子和与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部。触觉致动器部署在盖子和基部之间，并且第一弹簧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。

Description

具有弹簧预载荷设备的触觉致动器组件
技术领域
本发明涉及具有机械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。预载荷设备包括具有盖子和与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部的壳体。触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。第一弹簧部件部署在壳体内，使得第一弹簧部件的第一端耦合到盖子的内表面，并且第一部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧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。
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。预载荷设备包括具有盖子和与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部的壳体、第一弹簧部件以及第二弹簧部件。第一弹簧部件和第二弹簧部件部署在盖子的相应的相对端处，并且第一弹簧部件和第二弹簧部件中的每一个在盖子和基部之间延伸。第一弹簧部件和第二弹簧部件被配置为共同施加力以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。
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、控制设备和触觉致动器组件，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。预载荷设备包括具有盖子和与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部的壳体。触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。第一弹簧部件部署在壳体内，使得第一弹簧部件的第一端耦合到盖子的内表面，并且第一部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧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。控制单元被配置为控制电源向触觉致动器的至少两个电极提供电力。
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透视图，其中预载荷设备包括壳体和第一弹簧部件。
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壳体、第一弹簧部件和第二弹簧部件。
图14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透视图，其中预载荷设备包括壳体和第一弹簧部件，第一弹簧部件包括弹簧柱塞。
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透视图，其中预载荷设备包括壳体和第一弹簧部件，第一弹簧部件包括螺钉和柔性膜部件。
图16A描绘了包括第一弹簧部件和第二弹簧部件的盖子的截面侧视图，其中盖子形成根据本发明实施例的预载荷设备的壳体的一部分。
图16B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壳体和基部，壳体包括图16A的盖子。
图17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壳体、第一弹簧部件和第二弹簧部件。
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，预载荷设备本质上可以是机械的，并且可以被配置为经由一个或多个弹簧力生成预载荷。换句话说，预载荷设备可以包括至少一个弹簧部件，该弹簧部件生成弹簧力以在触觉致动器上提供预载荷。一个或多个弹簧力可以例如生成压缩载荷，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。弹簧部件用于压缩触觉致动器，从而预加载触觉致动器，从而改变系统的总刚度。由触觉致动器输出的位移是系统的刚度的函数，因此弹簧部件约束或减小来自触觉致动器的位移或应变。
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，而不是指向移动安装部件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，压缩载荷可以通过一个或多个弹簧力生成。如下面更详细地讨论的，预载荷设备527可以包括被配置为在触觉致动器521上生成(一个或多个)弹簧力的一个或多个弹簧部件。
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簧部件生成预载荷，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图示了其中由弹簧部件1160产生预载荷(或更具体而言是压缩载荷)的实施例。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包括弹簧部件1160和壳体1162。在实施例中，壳体1162包括盖子1164和与盖子1164相对的基部1166。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可以由重量轻但强度高的材料形成，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1164和基部1166可以是平面部件，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1164和基部1166可以各自为矩形，并且各自可以具有长度和宽度，每个长度和宽度在9mm至25mm的范围内。在实施例中，盖子1164和基部1166均具有薄的轮廓，以便为触觉致动器组件1120保持较低的总厚度。例如，盖子1164和基部1166可以各自具有1mm至2mm的范围的厚度。在实施例中，壳体1162的总厚度可以在1mm至5mm的范围内。
壳体1162保持或保留(retain)弹簧部件1160和触觉致动器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沿着其轴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，基部1166支撑触觉致动器621，或者换句话说，触觉致动器621部署在基部1166的内表面上。在实施例中，基部1166可以经由粘合剂或以某种其它附接方式附接到触觉致动器621。
除了本文更详细描述的预载荷功能之外，壳体1162还用于将触觉致动器组件1120提供为独立设备(self-contained device)，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。
在实施例中，壳体1162可以包括在盖子1164和基部1166之间延伸的一个或多个侧壁(未示出)。在实施例中，侧壁允许盖子1164和基部1166之间的移动，因此其功能类似于悬架系统，该悬架系统被配置为允许盖子1164和/或基部1166沿着某个轴(诸如沿着垂直轴617)的优先移动。在另一个实施例中，壳体1162可以包括一个或多个部分侧壁(未示出)，其不在盖子1164和基部1166之间延伸全长。部分侧壁可以例如从盖子1164朝着基部1166延伸，或者可以从基部1166朝向盖子1164延伸。在又一个实施例中，壳体1162可以包括在盖子1164和基部1166之间延伸的一个或多个连接器或柱子。壳体1162的侧壁、部分侧壁和/或连接器/柱子可以帮助将触觉致动器组件1120形成为独立设备。
弹簧部件1160部署在壳体1162内，使得第一端1161A耦合到盖子1164的内表面，而相对的第二端1161B耦合到触觉致动器621的外表面。弹簧部件1160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。仅出于说明目的，弹簧部件1160被示出为螺旋元件以表示弹簧部件1160的功能操作并且不旨在限制其实际物理形状。弹簧部件1160可以是具有弹簧特性以施加期望压缩力的任何类型的弹簧元件，包括但不限于弹性体、螺旋或螺管弹簧、片状弹簧、板簧、波形垫圈、卡扣圆顶弹簧或诸如橡胶、泡沫或弯曲件的柔顺元件。例如，图14描绘了包括弹簧部件1460的触觉致动器组件1420，弹簧部件1460是弹簧部件1160的实施例。在图14中，弹簧部件1460是弹簧柱塞或其它弹簧加载设备，其通过将弹簧密封在主体1467中并在一端提供柱塞尖端或球1469来增加弹簧的弹簧力，以实现精确且可重复的端部力。作为另一个示例，图15描绘了包括弹簧部件1560的触觉致动器组件1520，弹簧部件1560是弹簧部件1160的实施例。在图15中，弹簧部件1560包括螺钉1570和柔性膜部件1572，柔性膜部件1572具有弹簧特性以施加期望的压缩力。螺钉1570可以用于调节柔性膜部件1572的弹簧力。更特别地，随着螺钉1570进一步前进到柔性膜部件1572上，由柔性膜部件1572施加到触觉致动器621上的弹簧力进一步增加。相反，如果期望减小由柔性膜部件1572施加到触觉致动器621上的弹簧力的量，那么螺钉1570可以缩回。虽然在图11和12中的每一个图中示出了单个弹簧部件，但是应当理解的是，在一些实现中，可以在触觉致动器组件1120中使用多个弹簧部件以施加期望的压缩力。
为了生成预载荷，盖子1164推动弹簧部件1160抵靠触觉致动器621以对触觉致动器621施加压缩力。在实施例中，弹簧部件1160可以被配置为生成在2N至4N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，弹簧部件1160在触觉致动器621上施加弹簧力，该弹簧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，弹簧部件1160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。
图11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。在实施例中，电引线将电源1140电连接到触觉致动器621的电极621c-1/621c-2。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根据振荡驱动信号的指示振动。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(mechanical ground)，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，在图11的实施例中，附接到弹簧部件1160的盖子1164可以被配置为经由弹簧部件1160的弹簧特性充当机械接地。当弹簧部件1160被选择为足够刚性时，盖子1164充当机械接地，从而将由触觉致动器621生成的力转化到基部1166。换句话说，机械接地用于基本上引导从触觉致动器组件1120朝着基部1166而不是盖子1164的位移。弹簧部件1160可以沿着轴617是不可压缩的，使得当触觉致动器621沿着轴617扩展时，基部1164比弹簧部件1160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基部1166振动或移位而不是朝着盖子1164被引导。
可替代地，在另一个实施例中，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生成的力转化到弹簧部件1160和盖子1164。弹簧部件1160可以沿着轴617可压缩，使得当触觉致动器621沿着轴617扩展时，弹簧部件1160和盖子1164比基部1164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。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。
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，并且经由弹簧部件1160来定制触觉致动器组件1120的谐振频率。触觉致动器621具有第一谐振频率，并且触觉致动器组件1120具有第二谐振频率，第二谐振频率不同于第一谐振频率。第二谐振频率是第一弹簧部件1160的弹簧常数的函数或经由第一弹簧部件1160的弹簧常数确定。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。由于添加了弹簧部件1160，触觉致动器组件1120的总弹簧常数不同于仅触觉致动器621的弹簧常数。照此，触觉致动器组件1120的谐振频率取决于弹簧部件1160的弹簧常数而变化，并且可以通过选择特定或预定的弹簧部件1160来控制触觉致动器组件1120的谐振频率。换句话说，可以选择弹簧部件1160以单独改变或更改触觉致动器621的谐振频率，使得触觉致动器组件1120具有期望的或预定的谐振频率，以便放大输出力和效果。通过控制谐振频率，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。
除了经由弹簧部件1160调谐或定制触觉致动器组件1120的谐振频率之外，还可以在基部1166上(或者，如果基部1166被配置为机械基部并且盖子1164被配置为谐振，那么在盖子1164上)包括附加质量，以确保基部1166在谐振频率下具有足够的加速度。通过将预定质量的分离部件附接到基部1166，或者通过形成基部1166以具有预定质量，可以在基部1166上包括附加质量。
图13图示了其中由第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B产生预载荷(或者更具体而言是压缩载荷)的实施例。更具体而言，图13图示了触觉致动器组件1320的截面侧视图，其包括先前在上文描述的触觉致动器621以及预载荷设备1327。虽然利用触觉致动器621示出并描述了触觉致动器组件1320，但是本文描述的任何触觉致动器也可以与预载荷设备1327一起使用。预载荷设备1327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1327包括第一弹簧部件1360A、第二弹簧部件1360B和壳体1362。壳体1362类似于上述壳体1162，并且包括盖子1364和与盖子1364间隔开并平行于盖子1364延伸的基部1366。壳体1362保持或保留第一弹簧部件1360A、第二弹簧部件1360B和触觉致动器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部署在盖子1364和基部1366之间，盖子1364和基部1366沿着轴617部署在触觉致动器621的相应的相对端。但是，在这个实施例中，触觉致动器621不接触盖子1364或基部1366，而是经由第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B悬挂在盖子1364和基部1366之间，如将在下面更详细描述的。
如上面关于壳体1162所描述的，壳体1362用于将触觉致动器组件1320提供为独立设备，其中由此产生的预载荷是例如内置于触觉致动器组件1320中或触觉致动器组件1320内部的载荷。照此，由预载荷设备1327生成的预载荷可以是独立于触觉致动器组件1320外部的用户交互或影响的载荷。例如，具有预载荷设备1327的触觉致动器组件1320可以部署在触觉致动器组件1320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1320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。
更特别地，第一弹簧部件1360A部署在壳体1362内，使得第一端1361A耦合到盖子1364的内表面，而相对的第二端1361B耦合到触觉致动器621的外表面。第二弹簧部件1360B部署在壳体1362内，使得第一端1361C耦合到基部1366的内表面，而相对的第二端1361D耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B被共同配置为沿着轴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。仅出于说明目的，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B被示为螺旋元件以表示其功能操作并且该描绘不旨在描述或限制其实际物理形状。第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B可以是具有弹簧特性以施加期望压缩力的任何类型的弹簧元件，包括但不限于弹性体、螺旋或螺管弹簧、片状弹簧、板簧、波形垫圈、卡扣圆顶弹簧或诸如橡胶、泡沫或弯曲件的柔顺元件。另外，虽然图13中针对第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B中的每一个示出了单个弹簧元件，但是应当理解的是，在一些实现中，多个弹簧部件可以用于第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B中的每一个，以施加期望的压缩力。
为了生成预载荷，盖子1364推动第一弹簧部件1360A抵靠触觉致动器621，同时基部1366推动第二弹簧部件1360B抵靠触觉致动器621以共同地对触觉致动器621施加压缩力。在实施例中，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B可以被配置为共同生成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，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B各自在触觉致动器621上施加弹簧力，该弹簧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，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B共同引起触觉致动器621输出的力的增加。因此，当触觉致动器组件1320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。
类似于触觉致动器组件1120，触觉致动器组件1320可以用作谐波振荡器，其以相对高的频率运行并且类似于触觉致动器组件1120操作。在操作中，当电源(图13中未示出)向触觉致动器组件1320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1364和基部1366的移动或振动。在另一个实施例中，盖子1364或基部1366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1320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1364或基部1366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，在图13的实施例中，附接到第一弹簧部件1360A的盖子1364可以被配置为经由第一弹簧部件1360A的弹簧特性充当机械接地。当第一弹簧部件1360A被选择为足够刚性时，盖子1364充当机械接地，从而将由触觉致动器621生成的力转化到第二弹簧部件1360A(其可沿着轴617压缩)和附接到其的基部1366。换句话说，机械接地用于基本上引导从触觉致动器组件1320朝着基部1366而不是盖子1364的位移。第一弹簧部件1360A可以沿着轴617是不可压缩的，使得当触觉致动器621沿着轴617扩展时，第二弹簧部件1360A和附接在其上的基部1366比第一弹簧部件1360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基部1366振动或移位而不是朝着盖子1364被引导。在本文的另一个实施例中，附接到第二弹簧部件1360B的基部1366可以被配置为经由第二弹簧部件1360B的弹簧特性充当机械接地。
在实施例中，可以选择触觉致动器组件1320的部件以提供更有效的触觉感觉。更特别地，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B的弹簧常数可以彼此不同。例如，如上所述，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B的弹簧常数可以彼此不同并且可以被配置为使得盖子1364或基部1366中的一个被配置为充当机械接地并且触觉致动器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。例如，当触觉致动器组件1320部署在移动设备的触摸屏的下方时，在允许经由第一弹簧部件1360A移动或振动的同时经由第二弹簧部件1360B提供机械接地的这种差动弹簧常数将基本上暂停触摸屏并允许用户感觉到触觉效果。
此外，在实施例中，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B的弹簧常数可以彼此不同，并且可以被配置为使得触觉致动器组件1320被配置为实现机械谐振。换句话说，触觉致动器组件1320的谐振频率经由第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B定制。触觉致动器621具有第一谐振频率，并且触觉致动器组件1320具有第二谐振频率，第二谐振频率不同于第一谐振频率。第二谐振频率是第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B的弹簧常数的函数或通过第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B的弹簧常数确定。由于添加了第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B，触觉致动器组件1320的总弹簧常数不同于仅触觉致动器621的弹簧常数。照此，触觉致动器组件1320的谐振频率取决于第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B中的每一个的弹簧常数而变化，并且触觉致动器组件1320的谐振频率可以通过选择特定的或预定的弹簧部件1360A、1360B来控制。换句话说，可以选择第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B以单独改变或更改触觉致动器621的谐振频率，使得触觉致动器组件1320具有期望的或预定的谐振频率，以便放大输出力和效果。通过控制谐振频率，触觉致动器组件1320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。利用触觉致动器组件1320中的两个弹簧部件(即，第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B)允许定制触觉致动器组件1320的谐振频率的各种可能性，因为两个弹簧部件有助于系统的整体刚度。换句话说，系统的谐振频率是系统的整体刚度的函数，其可以通过第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B的弹簧常数的各种组合来调谐或定制。
除了经由第一弹簧部件1360A和第二弹簧部件1360B调谐或定制触觉致动器组件1320的谐振频率之外，可以在基部1366上(或者，如果基部1366被配置为机械基部并且盖子1364被配置为谐振，那么在盖子1364上)包括附加质量，以确保基部1166在谐振频率下具有足够的加速度。通过将预定质量的分离部件附接到基部1366，或者通过形成基部1366以具有预定质量，可以在基部1366上包括附加质量。
图16A和16B图示了其中由壳体1662形成预载荷(或者更具体而言是压缩载荷)的实施例，其中壳体1662包括可释放地将壳体1662的元件耦合在一起的第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B。更具体而言，图16B图示了触觉致动器组件1620的截面侧视图，其包括先前在上文描述的触觉致动器621以及预载荷设备1627。虽然利用触觉致动器621示出并描述了触觉致动器组件1620，但是本文描述的任何触觉致动器也可以与预载荷设备1627一起使用。预载荷设备1627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1627包括第一弹簧部件1660A、第二弹簧部件1660B和壳体1662。壳体1662包括盖子1664和与盖子1664间隔开并平行于盖子1664延伸的基部1666。在实施例中，基部1666包括侧壁1668，侧壁1668围绕基部1666的周边部署并且在朝着盖子1664的方向上延伸。侧壁1668不在基部1666和盖子1664之间延伸，并且不直接接触盖子1664。侧壁1668限定端面1674。第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B各自附接到盖子1664的相应外端1676并从盖子1664的相应外端1676向外延伸，如图16A中最佳示出的，图16A是在组装到壳体1662之前的盖子1664的侧视图。第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B部署在壳体1662的相对端处。当盖子1664组装到基部1666上时，如图16B中所示，第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B各自可释放地附接到基部1666。更具体而言，第一弹簧部件1660A在盖子1664的外端1676和侧壁1668的端面1674之间延伸，并且第二弹簧部件1660B在盖子1664的外端1676和侧壁1668的端面1674之间延伸。
在盖子1664和基部1666被组装成使得它们经由第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B耦合在一起之后，壳体1662被配置为保持或包含触觉致动器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部署在盖子1664和基部1666之间，盖子1664和基部1666沿着其轴617部署在触觉致动器621的相应的相对端处。在实施例中，基部1666支撑触觉致动器621，或者换句话说，将触觉致动器621部署在基部1166的内表面上。在实施例中，基部1666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。
如上面关于壳体1162所述，壳体1662用于将触觉致动器组件1620提供为独立设备，其中由此生成的预载荷是例如内置于触觉致动器组件1620中或触觉致动器组件1620内部的载荷。照此，由预载荷设备1627生成的预载荷可以是与在触觉致动器组件1620外部的用户交互或影响无关的载荷。例如，具有预载荷设备1627的触觉致动器组件1620可以部署在触觉致动器组件1620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1620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。基部1666的侧壁1668有助于壳体1662的上述功能。但是，在实施例中，可以省略一个或多个侧壁1668。另外，如果弹簧部件部署在省略侧壁的位置处，那么第一弹簧部件1660A和/或第二弹簧部件1660B可以在盖子1664和基部1666之间延伸。此外，侧壁1668不需要延伸盖子1664和/或基部1666的整个长度或宽度。例如，在实施例中，每个侧壁1668可以具有柱配置并且例如部署在盖子1664的拐角和基部1666之间。
第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B被共同配置为沿着轴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。第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B可以是具有弹簧特性以施加期望压缩力的任何类型的弹簧元件，包括但不限于弹性体、螺旋或螺管弹簧、片状弹簧、板簧、波形垫圈、卡扣圆顶弹簧或诸如橡胶、泡沫或弯曲件的柔顺元件。另外，虽然图16中针对第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B中的每一个示出了单个弹簧元件，但是应当理解的是，在一些实现中，多个弹簧部件可以用于第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B中的每一个，以施加期望的压缩力。
为了生成预载荷，第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B各自提供拉动弹簧力以推动盖子1664和基部1666抵靠触觉致动器621。换句话说，第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B均可以被认为是张紧器，其施加力以将盖子1664和基部1666朝着彼此推动。进而，盖子1664和基部1666由此对触觉致动器621施加期望的压缩力以生成预载荷。在实施例中，第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B可以被配置为共同生成2N至4N范围内的预载荷。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，施加在触觉致动器621上的预载荷将来自触觉致动器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，第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B被配置为共同引起触觉致动器621输出的力的增加。因此，当触觉致动器组件1620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。
类似于触觉致动器组件1120，触觉致动器组件1620可以用作谐波振荡器，其以相对高的频率运行并且类似于触觉致动器组件1120操作。在操作中，当电源(图16中未示出)向触觉致动器组件1620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1664和基部1666的移动或振动。在另一个实施例中，盖子1664或基部1666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1620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1664或基部1666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，盖子1664或基部1666中的一个可以是相对较硬的材料，其具有合适的杨氏模量和/或厚度，以被配置为充当机械接地。机械接地(即，盖子1664或基部1666中的一个)将由触觉致动器621生成的力转化到另一个平面元件(即，盖子1664或基部1666中的另一个)。换句话说，机械接地用于基本上引导从触觉致动器组件1620朝着另一个平面元件的位移。因此，触觉致动器621的大部分或全部扩展可以朝着使另一个平面元件振动或移动被引导。
在实施例中，可以选择触觉致动器组件1620的部件以提供更有效的触觉感觉。更特别地，可以选择第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B的弹簧常数以调谐相应的弹簧部件并相应地定制触觉效果。例如，在实施例中，触觉致动器组件1620可以被配置为实现机械谐振。换句话说，触觉致动器组件1620的谐振频率经由第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B定制。触觉致动器621具有第一谐振频率，并且触觉致动器组件1620具有第二谐振频率，第二谐振频率不同于第一谐振频率。第二谐振频率是第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B的弹簧常数的函数或经由第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B的弹簧常数确定。由于添加了第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B，触觉致动器组件1620的总弹簧常数不同于仅触觉致动器621的弹簧常数。照此，触觉致动器组件1620的谐振频率取决于第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B中的每一个的弹簧常数而变化，并且触觉致动器组件1620的谐振频率可以通过选择特定或预定的弹簧部件1660A、1660B来控制。换句话说，可以选择第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B以单独改变或更改触觉致动器621的谐振频率，使得触觉致动器组件1620具有期望或预定的谐振频率，以便放大输出力和效果。通过控制谐振频率，触觉致动器组件1620可以被配置为以一定频率谐振，以通过振幅调制技术呈现宽频谱。
除了经由第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B调谐或定制触觉致动器组件1620的谐振频率之外，可以在移动的平面元件(即，盖子1664或基部1664中未被配置为机械接地的一个)上包括附加质量，以确保移动的平面元件在谐振频率下具有足够的加速度。通过附接预定质量的分离部件，或者通过形成移动的平面元件以具有预定质量，可以在移动的平面元件上包括附加质量。
在实施例中，第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B的弹簧常数可以彼此不同。更特别地，当第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B具有不同的弹簧常数并且触觉致动器621沿着轴617扩展或以其它方式生成位移时，基部1666和/或盖子1664的位移相对于其质心偏离中心，因此可以生成围绕基部1666和/或盖子1664的质心的扭矩(也称为力矩)。因此，当被触觉致动器621推动时，基部1666和/或盖子1664可以在其质心周围展现出一些旋转。换句话说，当第一弹簧部件1660A和第二弹簧部件1660B具有不同的弹簧常数时，基部1666和/或盖子1664的一部分在被触觉致动器621推动时可以用作杠杆。这种杠杆配置可以能够增强由触觉致动器621和基部1666和/或盖子1664的移动生成的触觉效果。
图17图示了通过将触觉致动器621集成到触觉使能设备的预先存在的部件中并且还包括第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B以调谐组件的谐振频率来创建预载荷(或更具体而言是压缩载荷)的实施例。更具体而言，图17图示了触觉致动器组件1720的截面侧视图，其包括先前在上文描述的触觉致动器621以及预载荷设备1727。虽然利用触觉致动器621示出并描述了触觉致动器组件1720，但是本文描述的任何触觉致动器也可以与预载荷设备1727一起使用。预载荷设备1727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。
在图17的实施例中，预载荷设备1727包括触觉使能设备的电池1780的部件。但是，虽然利用电池部分或部件描述了预载荷设备1727，但这仅仅是如何在触觉使能设备的预先存在的部件内实现触觉致动器组件1720的示例，并且触觉使能设备的其它预先存在的部件可以被类似地使用。电池1780包括盖子1764和与盖子1764间隔开并平行于盖子1764延伸的基部1766。在实施例中，电池1780的盖子1764和/或基部1766可以是印刷电路板。电池1780被配置为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-2两者。触觉致动器621部署在盖子1764和基部1766之间，盖子1764和基部1766沿着其轴617部署在触觉致动器621的相应的相对端。在实施例中，基部1766支撑触觉致动器621，或者换句话说，触觉致动器621部署在基部1766的内表面上。在实施例中，基部1766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。
第一弹簧部件1760A被部署成使得第一端1761A耦合到盖子1764的内表面，并且相对的第二端1761B耦合到基部1766的内表面。类似地，第二弹簧部件1760B被部署成使得第一端1761C耦合到盖子1764的内表面，并且相对的第二端1761D耦合到基部1766的内表面。仅出于说明目的，第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B被示为螺旋元件以表示其功能操作并且该描绘不旨在描述或限制其实际物理形状。第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B可以是具有弹簧特性的任何类型的弹簧元件，以调谐触觉致动器组件1720的谐振频率，如下面更详细描述的，包括但不限于弹性体、螺旋或螺管弹簧、片状弹簧、板簧、波形垫圈、卡扣圆顶弹簧或诸如橡胶、泡沫或弯曲件的柔顺元件。
在图17的实施例中，基部1766被配置为充当机械接地，而盖子1764提供预加载触觉致动器621所需的质量。换句话说，在这个实施例中，盖子1764的质量被配置为沿着轴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。触觉致动器组件1720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(图17中未示出)向触觉致动器组件1720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。因此，触觉致动器组件1720振动并向其所附接的电池1780提供触觉感觉。
触觉致动器组件1720被配置为经由第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B实现机械谐振。更特别地，触觉致动器621具有第一谐振频率，并且触觉致动器组件1720具有第二谐振频率，第二谐振频率不同于第一谐振频率。第二谐振频率是第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B的弹簧常数的函数或经由第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B的弹簧常数确定。由于添加了第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B，触觉致动器组件1720的总弹簧常数不同于仅触觉致动器621的弹簧常数。照此，触觉致动器组件1720的谐振频率取决于第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B中的每一个的弹簧常数而变化，并且可以通过选择特定或预定的弹簧部件1760A、1760B来控制触觉致动器组件1720的谐振频率。换句话说，可以选择第一弹簧部件1760A和第二弹簧部件1760B以单独改变或更改变触觉致动器621的谐振频率，使得触觉致动器组件1720具有期望或预定的谐振频率，以便放大输出力和效果。通过控制谐振频率，触觉致动器组件1720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。
在实施例中，触觉致动器组件1720/1620/1520/1420/1320/1120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1727/1627/1527/1427/1327/1127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1720/1620/1520/1420/1320/1120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1727/1627/1527/1427/1327/1127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1720/1620/1520/1420/1320/1120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1720/1620/1520/1420/1320/1120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1720/1620/1520/1420/1320/1120的谐振频率的第一频率和不是触觉致动器组件1720/1620/1520/1420/1320/1120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是触觉致动器组件，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。预载荷设备包括具有盖子和与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部的壳体。触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。第一弹簧部件部署在壳体内，使得第一弹簧部件的第一端耦合到盖子的内表面，并且第一部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧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2包括实施例1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，该位移放大设备被配置为将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。
实施例3包括实施例2的触觉致动器组件，其中触觉致动器的位移放大设备包括杠杆设备，该杠杆设备被配置为将沿着平行轴的位移转换成沿着垂直轴的更大位移。
实施例4包括实施例3的触觉致动器组件，其中触觉致动器的杠杆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5包括实施例1-4中任一个的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件是弹簧柱塞。
实施例6包括实施例1-4中任一个的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件包括螺钉和柔性膜部件，螺钉被配置为调节柔性膜部件的弹簧力。
实施例7包括实施例1-6中任一个的触觉致动器组件，其中预载荷设备还包括部署在壳体内的第二弹簧部件，使得第二弹簧部件的第一端耦合到基部的内表面并且第二弹簧部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧部件和第二弹簧部件被配置为共同施加力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
实施例8包括实施例7的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件具有第一弹簧常数并且第二弹簧部件具有第二弹簧常数，第一弹簧常数不同于第二弹簧常数。
实施例9包括实施例1-8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10包括实施例1-9中任一个所述的触觉致动器组件，其中触觉致动器还包括至少两个电极，所述至少两个电极附接到或嵌入在压电材料层内并且被配置为沿着垂直轴产生电压差。压电材料层被配置为响应于沿着垂直轴的电压差而沿着平行轴收缩。
实施例11包括实施例10的触觉致动器组件，其中当所述至少两个电极之间的电压差在50V和100V之间时并且当通过预载荷设备将压缩载荷施加到触觉致动器时，触觉致动器相对于其中在所述至少两个电极之间没有电压差的基线状态输出沿着垂直轴的位移，其在1μm至15μm的范围内，并且触觉致动器组件被配置为输出沿着垂直轴的在2N至10N的范围内的力。
实施例12包括实施例1-11中任一个的触觉致动器组件，其中触觉致动器具有第一谐振频率，并且触觉致动器组件具有第二谐振频率，第二谐振频率不同于第一谐振频率，并且第二谐振频率经由第一弹簧部件的弹簧常数确定。
实施例13是触觉致动器组件，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。预载荷设备包括具有盖子和与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部的壳体、第一弹簧部件以及第二弹簧部件。第一弹簧部件和第二弹簧部件部署在盖子的相应的相对端处，并且第一弹簧部件和第二弹簧部件中的每一个在盖子和基部之间延伸。第一弹簧部件和第二弹簧部件被配置为共同施加力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。
实施例14包括实施例13的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件和第二弹簧部件附接到盖子并且可释放地附接到基部。
实施例15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，平行轴平行于层的平面表面，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。预载荷设备包括具有盖子和与盖子间隔开并平行于盖子延伸的基部的壳体。触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。第一弹簧部件部署在壳体内，使得第一弹簧部件的第一端耦合到盖子的内表面，并且第一部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧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。
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16包括实施例15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17包括实施例15-16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。外壳包括后面板，该后面板形成外壳的相对的第二侧。触觉致动器组件部署在外壳的第二侧处，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18包括实施例15-17中任一个的触觉使能设备，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，并且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19包括实施例15-18中任一个的触觉使能设备，其中触觉致动器具有第一谐振频率并且触觉致动器组件具有第二谐振频率，第二谐振频率不同于第一谐振频率，并且第二谐振频率经由第一弹簧部件的弹簧常数确定。
实施例20包括实施例15-19中任一个的触觉使能设备，其中预载荷设备还包括部署在壳体内的第二弹簧部件，使得第二弹簧部件的第一端耦合到基部的内表面并且第二弹簧部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面。第一弹簧部件和第二弹簧部件被配置为共同施加力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
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，所述壳体具有盖子和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，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处，以及
第一弹簧部件，所述第一弹簧部件部署在所述壳体内，使得第一弹簧部件的第一端耦合到盖子的内表面，并且第一弹簧部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面，所述第一弹簧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。
2.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。
3.如权利要求2所述的触觉致动器组件，其中所述触觉致动器的位移放大设备包括杠杆设备，所述杠杆设备被配置为将沿着平行轴的位移转换成沿着垂直轴的更大位移。
4.如权利要求3所述的触觉致动器组件，其中所述触觉致动器的杠杆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，其中所述第一盘和所述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。
5.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件是弹簧柱塞。
6.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件包括螺钉和柔性膜部件，所述螺钉被配置为调节柔性膜部件的弹簧力。
7.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中预载荷设备还包括
第二弹簧部件，所述第二弹簧部件部署在所述壳体内，使得第二弹簧部件的第一端耦合到基部的内表面并且第二弹簧部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面，所述第一弹簧部件和所述第二弹簧部件被配置为共同施加力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
8.如权利要求7所述的触觉致动器组件，其中第一弹簧部件具有第一弹簧常数并且第二弹簧部件具有第二弹簧常数，所述第一弹簧常数不同于所述第二弹簧常数。
9.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中由预载荷设备的第一弹簧部件和第二弹簧部件生成的、沿着垂直轴的压缩载荷在2N至4N的范围内。
10.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中触觉致动器还包括至少两个电极，所述至少两个电极附接到或嵌入在压电材料层内并且被配置为沿着垂直轴产生电压差，其中所述压电材料层被配置为响应于沿着垂直轴的电压差而沿着平行轴收缩。
11.如权利要求10所述的触觉致动器组件，其中当所述至少两个电极之间的电压差在50V和100V之间时并且当通过预载荷设备将压缩载荷施加到触觉致动器时，所述触觉致动器相对于其中在所述至少两个电极之间没有电压差的基线状态输出沿着垂直轴的位移，其在1μm至15μm的范围内，并且所述触觉致动器组件被配置为输出沿着垂直轴的在2N至10N的范围内的力。
12.如权利要求1所述的触觉致动器组件，其中所述触觉致动器具有第一谐振频率，并且所述触觉致动器组件具有第二谐振频率，所述第二谐振频率不同于所述第一谐振频率，并且所述第二谐振频率经由第一弹簧部件的弹簧常数确定。
13.一种触觉致动器组件，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：
具有盖子和与盖子间隔开并且平行于盖子延伸的基部的壳体、第一弹簧部件以及第二弹簧部件，其中第一弹簧部件和第二弹簧部件部署在盖子的相应的相对端处，并且第一弹簧部件和第二弹簧部件中的每一个在盖子和基部之间延伸，以及
其中第一弹簧部件和第二弹簧部件被配置为共同施加力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷，以及
其中触觉致动器部署在盖子和基部之间，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处。
14.如权利要求13所述的触觉致动器组件，其中所述第一弹簧部件和所述第二弹簧部件附接到盖子并且可释放地附接到基部。
15.一种触觉使能设备，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外壳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所述压电材料层中，以及
位移转换设备，所述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，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，所述壳体具有盖子和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，盖子和基部沿着其垂直轴部署在触觉致动器的相应的相对端处，以及
第一弹簧部件，所述第一弹簧部件部署在所述壳体内，使得第一弹簧部件的第一端耦合到盖子的内表面，并且第一部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面，第一弹簧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；以及
控制单元，所述控制单元被配置为控制电源向触觉致动器的所述至少两个电极提供电力。
16.如权利要求15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。
17.如权利要求15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，其中所述外壳包括后面板，所述后面板形成外壳的相对的第二侧，其中所述触觉致动器组件部署在所述外壳的第二侧处，使得由所述触觉致动器组件生成的力抵靠外壳的第二侧施加。
18.如权利要求17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，并且其中所述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。
19.如权利要求18所述的触觉使能设备，其中触觉致动器具有第一谐振频率并且触觉致动器组件具有第二谐振频率，所述第二谐振频率不同于所述第一谐振频率，并且所述第二谐振频率经由第一弹簧部件的弹簧常数确定。
20.如权利要求15所述的触觉使能设备，其中预载荷设备还包括：
第二弹簧部件，所述第二弹簧部件部署在所述壳体内，使得所述第二弹簧部件的第一端耦合到基部的内表面并且第二弹簧部件的相对的第二端耦合到触觉致动器的外表面，所述第一弹簧部件和所述第二弹簧部件被配置为共同施加力，以便沿着垂直轴在触觉致动器上产生压缩载荷。
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