KR20110110212A - 촉각 피드백 장치를 위한 전기활성 폴리머 트랜스듀서 - Google Patents

촉각 피드백 장치를 위한 전기활성 폴리머 트랜스듀서 Download PDF

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Abstract

개별적으로 생성된 오디오 신호에 의해 생성되는 사운드와 동시에 사용자 인터페이스 장치에 햅틱 효과를 발생시키는 방법뿐만 아니라, 전기활성 트랜스듀서 및 사용자 인터페이스 장치에서의 감각 피드백 응용을 위한 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 개시된다.

Description

촉각 피드백 장치를 위한 전기활성 폴리머 트랜스듀서{ELECTROACTIVE POLYMER TRANSDUCERS FOR TACTILE FEEDBACK DEVICES}
본원은 2009년 1월 21일자로 출원된 미국 가출원번호 61/146,279, 발명의 명칭 "METHODS AND DEVICES FOR DRIVING ELECTROACTIVE POLYMERS"의 정규 출원이며, 그 전체가 참조문헌으로 포함된다.
본 발명은 감각적 피드백(sensory feedback)을 제공하는 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 사용에 관한 것이다.
현재 사용되고 있는 매우 많은 장치는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 한 종류 또는 다른 종류의 액츄에이터에 의존한다. 반대로, 다수의 전력 발생 응용은 기계적 작용을 전기 에너지로 변환함으로써 동작한다. 이러한 방식으로 기계 에너지를 얻기 위해 사용되는 동종의 액츄에이터는 발전기로 언급될 수 있다. 마찬가지로, 진동 또는 압력 등의 물리적 자극을 측정 목적을 위한 전기 신호로 변환하는 구조가 사용될 때 그것은 센서로서의 특징을 가질 수 있다. 게다가, 용어 "트랜스듀서"는 일반적으로 장치 중 어느 하나를 언급하는데 사용될 수 있다.
다수의 설계 고려사항은 트랜스듀서의 제작을 위해 "전기활성 폴리머"(EAP, electroactive polymers)로도 언급되는 진보된 유전체 엘라스토머 재료의 선택 및 사용을 선호한다. 이러한 고려사항은 전위력(potential force), 전력 밀도, 전력 변환/소비, 사이즈, 중량, 비용, 응답 시간, 듀티 사이클, 서비스 요건, 환경 영향 등을 포함한다. 이와 같이, 다수의 응용에서, EAP 기술은 모터 및 솔레노이드 등의 전자기 장치 및 압전, 형상 기억 합금(SMA)을 이상적으로 대체한다.
장치의 예 및 그 응용은 미국 특허번호 7,394,282; 7,378,783; 7,368,862; 7,362,032; 7,320,457; 7,259,503; 7,233,097; 7,224,106; 7,211,937; 7.199,501; 7,166,953; 7,064,472: 7,062,055; 7,052,594: 7,049,732; 7,034,432; 6,940,221; 6,911,764; 6,891,317; 6,882,086; 6,876,135; 6,812,624; 6,809,462; 6,806,621; 6,781,284; 6,768,246; 6,707,236; 6,664,718; 6,628,040; 6,586,859; 6,583,533; 6,545,384; 6,543,110; 6,376,971 및 6,343,129; 미국 특허공개번호 2009/0001855; 2009/O154053; 2008/O180875; 2008/0157631; 2008/0116764; 2008/0022517; 2007/0230222: 2007/0200468; 2007/O200467; 2007/0200466; 2007/O200457; 2007/0200454; 2007/0200453; 2007/0170822; 2006/0238079; 2006/0208610; 2006/0208609; 및 2005/0157893, 및 2009년 1월 2일자로 출원된 미국 특허출원번호 12/358.142; 및 PCT 공개번호 WO 2009/O67708에 기재되어 있고, 그 전체가 참조문헌으로 포함된다.
EAP 트랜스듀서는 변형 가능한 특성을 갖고 얇은 탄성중합체성 유전체 재료에 의해 분리되는 2개의 전극을 포함한다. 전압차가 전극에 인가될 때 역대전된 전극은 서로 끌어당겨서 폴리머 유전체 층을 그 사이에서 압축한다. 전극은 함께 근접해서 당겨지므로 유전체 폴리머 필름은 평면 방향으로 확장됨에 따라(x축 및 y축을 따라 확장됨) 더 얇아지게 되며(z축 성분으로 수축함), 다시 말해, 필름의 변위는 동일 평면(in-plane)에서 이루어진다. 또한, EAP 필름은 필름 구조에 직교하는 방향(z축을 따르는 방향)으로의 이동을 발생하며, 즉 필름의 변위가 평면 밖(out-of-plane)으로 벗어나도록 구성될 수 있다. 미국 특허출원번호 2005/0157893은 표면 변형 또는 두께 모드 편향(deflection)으로도 언급되는 그러한 평면 밖 변위를 제공하는 EAP 필름 구성을 개시한다.
EAP 필름의 재료 및 물리적 성질이 변화되고 제어되어서 트랜스듀서에 의해 행해진 표면 변형을 주문제작(customize)할 수 있다. 더 구체적으로, 폴리머 필름과 전극 재료 사이의 상대 탄성, 폴리머 필름과 전극 재료 사이의 상대 두께, 및/또는 폴리머 필름 및/또는 전극 재료의 변경 두께, 폴리머 필름 및/또는 전극 재료의 물리적 패턴(국부화된 활성 및 비활성 영역을 제공하기 위함), EAP 필름 상에 전체로서 위치되는 장력(tension) 또는 초기 변형도(pre-strain), 및 상기 필름에 인가되는 전압량과 필름 상에 유도되는 커패시턴스 등의 요인이 제어되고 변화되어 활성 모드에 있을 때 필름의 표면 특징을 주문제작할 수 있다.
그러한 EAP 필름에 의해 제공되는 장점으로 이득을 얻는 다수의 트랜스듀서-기반 응용이 존재한다. 그러한 하나의 응용은 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 피드백(사용자의 신체에 적용되는 힘을 통해 사용자에게 정보를 제공)을 발생시키기 위한 EAP 필름의 사용을 포함한다. 일반적으로, 사용자에 의해 개시되는 힘에 응답하여 햅틱 피드백을 사용하는 다수의 공지된 사용자 인터페이스 장치가 공개되어 있다. 햅틱 피드백을 사용할 수 있는 사용자 인터페이스 장치의 예는 키보드, 키패드, 게임 제어러, 리모트 제어, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스 스틱, 조이스틱 등을 포함한다. 사용자 인터페이스 면은 사용자가 상기 장치로부터의 피드백 또는 정보와 관련하여 조작하고, 관여하고, 관찰하는 임의의 면을 포함할 수 있다. 그러한 인터페이스 면의 예는 키(예컨대, 키보드 상의 키), 게임 패드 또는 버튼, 디스플레이 스크린 등을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
이런 종류의 인터페이스 장치에 의해 제공되는 햅틱 피드백은 진동, 펄스, 스프링력 등의 물리적 감각의 형태이며, 사용자는 직접적으로(예컨대, 스크린의 터치를 통해), 간접적으로(예컨대, 휴대폰이 펄스 또는 백에서 진동할 때의 진동 효과를 통해) 감지하거나 다르게 감지한다(예컨대, 종래의 감지에서 압력 교란을 생성하지만 오디오 신호는 생성하지 않는 이동체의 작용을 통해 감지함).
종종, 햅틱 피드백을 갖는 사용자 인터페이스 장치는 사용자에 의해 개시되는 동작을 수신하는 입력 장치뿐만 아니라 동작이 개시되는 것을 나타내는 햅틱 피드백을 제공하는 출력 장치일 수 있다. 실제로, 일부 접촉부나 터치부 또는 면의 위치, 예컨대 사용자 인터페이스 장치의 버튼은 사용자에 의해 적용되는 하나 이상의 자유도에 따라 변경되며, 여기서 인가된 힘은 접촉부에 대하여 위치를 변경하고 햅틱 피드백에 영향을 주기 위해 어떤 최소 임계값에 도달해야 한다. 접촉부의 위치에 있어서의 변경의 달성 또는 등록은 사용자에 의해 작용되는 장치의 접촉부에도 가해지는 응답력(예컨대, 스프링백, 진동, 펄싱)에 기인하며, 그 힘은 터치 감지를 통해 사용자에게 전달된다.
스프링백, "쌍안정(bi-stable)" 또는 "2위상(bi-phase)" 타입의 햅틱 피드백을 이용하는 사용자 인터페이스 장치의 하나의 일반적인 예는 마우스, 키보드, 터치스크린, 또는 다른 인터페이스 장치 상의 버튼이다. 사용자 인터페이스 면은 적용된 힘이 어떤 임계값에 도달할 때까지 이동하지 않으며, 그 포인트에서 버튼은 상대적으로 용이하게 아래로 이동된 다음 정지되고, 그 집합적 감각은 버튼을 "클릭"하는 것으로 정의된다. 대안으로, 상기 면은 어떤 임계값에 도달될 때까지 저항력의 증가에 따라 이동되며, 그 포인트에서 힘 프로파일이 변경된다(예컨대, 감소됨). 사용자에게 적용되는 힘은 사용자가 느끼는 반응(단지 대향)력이므로 버튼 표면에 수직인 축을 실질적으로 따른다. 그러나, 변형은 버튼 표면에 대하여 측면으로 또는 인플레인에서 사용자에게 적용되는 힘의 응용을 포함한다.
다른 예에 있어서, 사용자가 터치 스크린에 입력할 때 스크린은 청각적인 신호(auditory cue)와 함께 또는 청각적인 신호 없이 스크린 상의 그래픽 변경에 의해 일반적으로 입력을 확인한다. 터치 스크린은 컬러 또는 형상 변경 등의 스크린 상의 시각적인 신호에 의해 그래픽 피드백을 제공한다. 터치 패드는 스크린 상의 커서에 의해 시각적인 피드백을 제공한다. 상술한 신호가 피드백을 제공하는 동안 손가락 작동 입력 장치로부터의 대부분의 직관적이고 효과적인 피드백은 키보드 키의 디텐트(detent) 또는 마우스 휠의 디텐트 등의 촉각 피드백이다. 따라서, 터치 스크린 상에 햅틱 피드백을 포함하는 것이 바람직하다.
햅틱 피드백 성능은 특히 데이터 입력의 관계에서 사용자 생산성 및 효율을 개선하는 것으로 알려져 있다. 본 발명자는 사용자에게 전달되는 햅틱 감각의 특성 및 품질에 대한 그 이상의 개선이 그러한 생산성 및 효율을 더욱 증가시킬 수 있는 것을 믿는다. 추가적으로, 제조가 용이하고 비용 효율적이며, 공지된 햅틱 피드백 장치의 공간, 사이즈 및/또는 요건을 추가하지 않고 바람직하게는 감소시키는 감각 피드백 장치에 의해 그러한 개선이 제공되면 유익하다.
EAP 기반 트랜스듀서의 통합이 그러한 사용자 인터페이스 장치 상의 햅틱 상호작용을 개선할지라도 사용자 인터페이스 장치의 프로파일을 증가시키지 않고 그러한 EAP 트랜스듀서를 사용할 필요가 존재한다.
본 발명은 촉각 피드백 장치를 위한 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 감각 응용을 위한 전기활성 트랜스듀서를 포함하는 장치, 시스템 및 방법을 포함한다. 하나의 변형에서, 감각 피드백을 갖는 사용자 인터페이스 장치가 제공된다. 본 발명의 하나의 이점은 입력이 장치 또는 관련 구성요소에 의해 발생되는 소프트웨어 또는 다른 신호에 의해 트리거될 때마다 햅틱 피드백을 사용자 인터페이스 장치의 사용자에게 제공하는 것이다.
여기에 기재된 방법 및 장치는 EAP-기반 트랜스듀서 시스템의 구조 및 기능의 개선점 제공한다. 본 명세서는 각종 응용에 사용되는 주문제작된 트랜스듀서를 논의한다. 또한, 본 명세서는 기계적 액츄에이션, 전력 발생 및/또는 감지를 위한 EAP 트랜스듀서-기반 장치 및 시스템뿐만 아니라 EAP 트랜스듀서를 구동하는 다수의 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 목적, 및 장점은 이하 더 완전히 기재된 바와 같이 본 발명의 세부사항을 읽음에 따라 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
이 디자인에 사용될 수 있는 EPAM 카트리지는 평면, 다이아프램, 두께 모드, 및 수동 결합 소자(하이브리드)를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하는 사용자 인터페이스 장치의 하나의 변형에 있어서, 상기 장치는 섀시, 사용자 인터페이스 면, 제 1 전원, 및 상기 사용자 인터페이스 면에 인접하고 도전면을 더 포함하는 적어도 하나의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하고, 상기 사용자 인터페이스 면과 도전면의 일부는 상기 제 1 전원을 갖는 회로를 형성하여 정상 상태에서 상기 도전면은 상기 사용자 인터페이스 면의 일부로부터 전기 절연되어 상기 회로를 개방해서 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 전력을 공급받지 않는 상태로 유지시키고, 상기 사용자 인터페이스 면은 상기 섀시에 유연하게 연결되어 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서로의 상기 사용자 인터페이스 면의 편향이 상기 회로를 닫아서 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 에너지를 공급하여 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 제공된 신호가 햅틱 감각을 상기 사용자 인터페이스 면에서 발생시킨다.
상술한 사용자 인터페이스의 추가적인 변형은 상기 도전면으로의 하나의 사용자 인터페이스 면의 편향에 의해 각 전기활성 폴리머 트랜스듀서 및 도전면이 닫힌 회로를 형성하도록 사용자 인터페이스 면에 각각 인접하고 각 도전면을 각각 갖는 복수의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함할 수 있고, 나머지 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 전력이 공급되지 않는 상태로 유지된다.
다른 실시예에서, 사용자 인터페이스 장치는 저전압 전원 및 스위치에 연결된 고전압 전원을 포함하고, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서 및 상기 도전면의 편향은 상기 스위치를 닫아서 상기 고전압 전원은 상기 전기활성 폴리머 액츄에이터에 에너지를 제공한다.
사용자 인터페이스 장치의 다른 변형은 상술한 것과 유사한 장치를 포함하며, 적어도 하나의 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 사용자 인터페이스 면에 연결되고, 상기 제 1 전원을 갖는 회로를 형성하는 도전면을 더 포함하며, 정상 상태에서 상기 도전면은 상기 회로로부터 전기 절연되어 상기 회로를 개방해서 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 전력이 공급되지 않는 상태로 유지되고; 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 섀시에 유연하게 연결되어 상기 사용자 인터페이스 면의 편향은 상기 제 1 전원의 회로와의 접촉으로 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 편향시켜 상기 회로를 닫고 상기 전기활성 폴리머 액츄에이터에 에너지를 공급하여 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 제공된 신호가 햅틱 감각을 상기 사용자 인터페이스 면에서 발생시킨다.
다른 실시예에서, 사용자 인터페이스 장치는 상기 도전면으로의 하나의 사용자 인터페이스 면의 편향에 의해 각 전기활성 폴리머 트랜스듀서 및 도전면이 닫힌 회로를 형성하도록 사용자 인터페이스 면에 각각 인접하고 각 도전면을 각각 갖는 복수의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하고, 나머지 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 전력이 공급되지 않는 상태로 유지된다.
또한, 이하 본 명세서는 햅틱 효과가 쌍안정 스위치 효과를 모방하는(mimic) 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 효과를 발생시키는 방법을 포함한다. 일 예에서, 상기 방법은 적어도 하나의 전기활성 폴리머 필름을 포함하는 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 연결된 사용자 인터페이스 면을 제공하는 단계, 상기 사용자 인터페이스 면을 변위량까지 변위시켜 상기 전기활성 폴리머 필름도 변위시키고 상기 전기활성 폴리머 필름에 의해 인가되는 저항력을 상기 사용자 인터페이스 면에 대해 증가시키는 단계, 상기 전기활성 폴리머 필름의 변위 동안 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성화를 지연시키는 단계, 및 상기 쌍안정 스위치 효과를 모방하는 햅틱 효과를 생성하기 위해 디스플레이먼트 양을 감소시키지 않고 상기 저항력을 변화시키기 위해 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 활성화하는 단계를 포함한다. 전기활성 폴리머의 지연된 활성화는 기결정된 시간 후에 발생될 수 있다. 대안적으로, 전기활성 폴리머의 활성화를 지연시키는 단계는 전기활성 폴리머 필름의 기결정된 변위 후에 발생된다.
이하 본 명세서의 방법의 다른 실시예는 사용자 인터페이스 장치에서 기결정된 햅틱 효과를 발생시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 적어도 하나의 기결정된 햅틱 파형 신호를 생성하도록 구성된 파형 회로를 제공하는 단계, 상기 신호가 트리거링 값과 같을 때 상기 파형 회로가 상기 햅틱 파형 신호를 생성하도록 상기 파형 회로에 신호를 라우팅하는 단계, 및 전원이 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 구동해서 상기 햅틱 파형 신호에 의해 제어되는 복합 햅틱 효과를 발생시키도록 상기 햅틱 파형 신호를 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 연결된 전원에 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서는 입력 신호를 구동 회로로부터 전기활성 폴리머 트랜스듀서로 송신하는 단계로서 상기 입력 신호가 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 활성화하고 상기 햅틱 피드백 감각을 상기 사용자 인터페이스 면에서 제공하는 송신 단계, 및 요구되는 햅틱 피드백 감각 후에 상기 사용자 인터페이스 면의 기계적 변위를 감소시키기 위해 감쇠 신호를 송신하는 단계에 의해 사용자 인터페이스 면을 갖는 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 피드백 감각을 발생시키는 방법을 포함한다. 그러한 방법은 쌍안정 키-클릭 효과를 포함하는 햅틱 효과 감각을 발생시키는데 사용될 수 있다.
여기서 공개된 또 다른 방법은 상기 사용자 인터페이스 장치를 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 제공하는 단계로서 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 제 1 위상 및 제 2 위상을 갖고, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 제 1 위상에 공통된 제 1 리드, 상기 제 2 위상에 공통된 제 2 리드, 및 상기 제 1 및 제 2 위상에 공통된 제 3 리드를 포함하는 제공 단계, 상기 제 2 리드를 접지에 유지하면서 제 1 리드를 고전압에서 유지하는 단계, 및 상기 접지로부터 상기 고전압으로 변화되어 각각 다른 위상의 비활성화 시에 상기 제 1 또는 제 2 위상의 활성화를 가능하게 하기 위해 제 3 리드를 구동하는 단계에 의해 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 피드백을 발생시키는 방법을 포함한다.
본 발명은 컴퓨터, 전화, PDA. 비디오 게임 콘솔, GPS 시스템, 키오스크 응용 등을 위한 터치 패드, 터치 스크린 또는 키 패드 등을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 임의의 종류의 사용자 인터페이스 장치에 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 세부항목에 관해서, 재료 및 교체 관련 구성은 통상의 기술자의 레벨 내에서 사용될 수 있다. 동일한 것은 공통으로 또는 논리적으로 사용된 바와 같은 추가적인 행위에 관하여 본 발명의 방법 기반 양상에 대해 유효할 수 있다. 또한, 본 발명이 각종 특징을 선택적으로 포함하는 몇몇 예를 참조하여 기재될 지라도, 본 발명은 본 발명의 각 변형에 대하여 생각된 바와 같이 기재되거나 지시되는 것에 제한되지 않는다. 각종 변경은 기재된 발명에 대해 이루어질 수 있고 균등물(여기서 인용되거나 일부 간결함을 위해 포함되지 않는 것)은 본 발명의 진정한 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 대체될 수 있다. 도시된 임의 수의 개별적인 부품 또는 서브어셈블리는 그 디자인에 통합될 수 있다. 그러한 변경 또는 다른 것은 어셈블리를 위한 디자인의 원리에 의해 착수되거나 안내될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 목적, 및 장점은 이하 더 기재되는 바와 같이 본 발명의 상세한 설명을 읽음에 따라 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 읽을 때 이하의 상세한 설명으로부터 가장 효과적으로 이해된다. 이해를 용이하게 하기 위해, 동일 참조번호는 도면에 공통된 유사한 구성요소를 지시하는데 사용(구현)된다. 본원의 도면은 다음과 같다.
도 1a 및 도 1b은 EAP 트랜스듀서가 디스플레이 스크린 또는 센서 및 장치의 본체에 연결될 때 햅틱 피드백을 사용할 수 있는 사용자 인터페이스의 다수의 예를 예시한다.
도 2a 및 도 2b는 사용자 입력에 대해 햅틱 피드백과 반응하는 표면을 갖는 디스플레이 스크린을 포함하는 사용자 인터페이스 장치의 단면도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 활성 개스킷으로 형성된 활성 EAP로 유연한 멤브레인에 의해 커버되는 디스플레이 스크린을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 다른 변형의 단면도를 예시한다.
도 4는 디스플레이 스크린의 에지 주위에 위치된 스프링 바이어스 EAP 멤브레인을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 추가적인 변형의 단면도를 예시한다.
도 5는 디스플레이 스크린이 다수의 컴플라이언트 개스킷을 사용하여 프레임에 연결되고 디스플레이에 대한 구동력이 다수의 EAP 액츄에이터 다이아프램인 사용자 인터페이스 장치의 단면도를 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 디스플레이에 연결된 코러게이티드 EAP 멤브레인 또는 필름을 갖는 사용자 인터페이스(230)의 단면도를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 인가 전후의 트랜스듀서의 상부 사시도를 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 사용자 인터페이스 장치에 사용되는 감각 피드백 장치의 상부 및 하부 분해 사시도를 각각 나타낸다.
도 9a는 본 발명의 조립된 전기활성 폴리머 액츄에이터의 상부 평면도이고; 도 9b 및 도 9c는 각각 도 8a의 액츄에이터의 필름 부분의 상부 및 하부 평면도이고, 특히 액츄에이터의 2위상 구성을 예시한다.
도 9d 및 도 9e는 장치의 프레임으로부터 이격된 디스플레이 스크린의 표면을 가로질러 위치되는 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 어레이의 예를 예시한다.
도 9f 및 도 9g는 각각 여기에 개시되어 있는 사용자 인터페이즈 장치에 사용되는 액츄에이터의 어레이의 분해도 및 조립도이다.
도 10은 장치의 접촉면과의 동작 접촉하는 인간의 손가락을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 측면도를 예시한다.
도 11a 및 도 11b는 각각 단일 위상 모드에서 동작될 때 도 9a 내지 도 9c의 액츄에이터의 힘-스트로크 관계 및 전압 응답 곡선을 그래픽으로 예시한다.
도 11c 및 도 11d는 각각 2위상 모드에서 동작될 때 도 9a 내지 도 9c의 액츄에이터의 힘-스트로크 관계 및 전압 응답 곡선 곡선을 그래픽으로 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 2위상 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다.
도 12d는 도 12a 내지 도 12c의 2위상 트랜스듀서에 대한 변위 대 시간의 그래프를 예시한다.
도 13은 감각 피드백 장치를 동작시키는 전원 및 제어 전자장치를 포함하는 전자 회로의 블록도이다.
도 14a 및 도 14b는 사용자 입력 장치에 연결된 EAP 액츄에이터의 평면 어레이의 예의 부분 단면도를 나타낸다.
도 15a 및 도 15b는 트랜스듀서가 작동될 때 워크 출력을 제공하기 위해 폴리머 표면 특징을 사용하는 액츄에이터로서 이용되는 표면 변형 EAP 트랜스듀서를 개략적으로 예시한다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 액츄에이터의 모범적인 구성의 단면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 플렉스 커넥터에 연결하기 위한 서브젝트 트랜스듀서 내에서 전기적 접속을 이루는 프로세스의 각종 단계를 예시한다.
도 18a 내지 도 18d는 전기 와이어에 연결하기 위한 서브젝트 트랜스듀서 내에서 전기적 접속을 이루는 프로세스의 각종 단계를 예시한다.
도 19는 피어싱 타입의 전기적 접촉을 갖는 서브젝트 트랜스듀서의 단면도이다.
도 2Oa 및 도 2Ob는 각각 버튼 타입 액츄에이터에서의 응용을 위한 두께 모드 트랜스듀서 및 전극 패턴의 평면도이다.
도 21은 도 6a 및 도 6b의 버튼 타입 액츄에이터의 어레이를 사용하는 키패드의 절단 평면도를 예시한다.
도 22는 인간의 손 형태의 신규 액츄에이터에 사용되는 두께 모드 트랜스듀서의 평면도를 예시한다.
도 23은 연속적인 스트립 구성에서의 두께 모드 트랜스듀서의 평면도를 예시한다.
도 24는 개스킷 타입 액츄에이터에서의 응용을 위한 두께 모드 트랜스듀서의 평면도를 예시한다.
도 25a 내지 도 25d는 각종 개스킷 타입 액츄에이터를 사용하는 터치 스크린의 단면도이다.
도 26a 및 도 26b는 트랜스듀서의 활성 및 비활성 영역의 상대 위치가 상기 실시형태로부터 인버스되는 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서의 다른 실시형태의 단면도이다.
도 27a 내지 도 27d는 전기활성 관성 트랜스듀서의 예를 예시한다.
도 28a는 전기활성 폴리머 액츄에이터의 최적 햅틱 주파수 내의 워크에 대해 오디오 신호를 튜닝하는 회로의 일 예를 예시한다.
도 28b는 도 28a의 회로에 의해 필터링되는 수정된 햅팁 신호의 예를 예시한다.
도 28c 및 도 28f는 단일 및 이중 위상 전기활성 트랜스듀서에 대한 신호를 생성하기 위한 추가적인 회로를 예시한다.
도 28e 및 도 28f는 장치 내에 적어도 하나의 전기활성 폴리머 액츄에이터를 갖고 관성 질량에 커플링되는 장치의 예를 나타낸다.
도 29a 내지 도 29c는 트랜스듀서 및/또는 사용자 인터페이스 면의 일부가 스위치를 완성해서 전력을 트랜스듀서에 제공하는 사용자 인터페이스 장치에 사용될 때 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 예를 나타낸다.
도 3Oa 내지 도 30b는 트랜스듀서의 파워링을 위한 2개의 스위치를 형성하기 위해 구성된 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 다른 예를 예시한다.
도 31a 내지 도 31b는 기계적 스위치 효과를 모방하는 햅틱 효과를 발생시키기 위해 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성화를 지연시키는 각종 그래프를 예시한다.
도 32는 요구되는 햅틱 효과를 발생시키기 위한 저장 파형을 전달하기 위해 트리거링 신호(오디오 신호 등)를 사용하여 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 구동하는 회로의 예를 예시한다.
도 33a 및 도 33b는 2위상 활성화를 단일 구동 회로에 제공함으로써 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 구동하기 위한 다른 변형을 예시한다.
도 34a는 도 34b의 신호에 의해 트리거되는 햅팁 효과 후의 잔류 모션을 나타내는 변위 곡선의 예를 나타낸다.
도 34c는 햅틱 효과 및 감쇠 신호가 도 34d에 예시되는 나타낸 잔류 모션 효과를 감소시키기 위해 전자 감쇠를 사용하는 변위 곡선의 예를 나타낸다.
도 35는 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 전원 공급을 위한 에너지 획득 회로의 예를 도시한다.
도면에 도시된 본 발명의 변형이 고려된다.
이하, 본 발명의 장치, 시스템 및 방법이 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
상술한 바와 같이, 사용자 인터페이스를 필요로 하는 장치는 이 장치의 사용자 스크린 상의 햅틱 피드백의 사용에 의해 개선될 수 있다. 도 1a 및 도 1b는 그러한 장치(190)의 간단한 예를 도시한다. 각 장치는 사용자가 데이터를 입력하거나 보는 디스플레이 스크린(232)을 포함한다. 디스플레이 스크린은 장치의 바디 또는 프레임(234)에 연결된다. 명백히, 임의 수의 장치는 임의 수의 어느 휴대용(예컨대. 휴대폰, 컴퓨터, 제조 설비 등)에 관계없이 이 공개의 범위 내에 포함되거나 다른 비휴대용 구조(예컨대, 정보 디스플레이 패널의 스크린, 금융 자동화 스크린 등)에 고정된다. 이 공개를 위해, 디스플레이 스크린은 사용자 입력 또는 상호작용이 실제 터치패드(예컨대, 랩탑 컴퓨터 터치패드)로부터 떨어진 모니터 또는 위치에서 일어나는 터치패드 타입 장치도 포함한다.
다수의 디자인 고려는 특히 디스플레이 스크린(232)의 햅틱 피드백이 찾아질 때 트랜스듀서의 제작을 위해 "전기활성 폴리머"(EAP)로도 언급되는 진보된 유전체 엘라스토머 재료의 선택 및 사용을 선호한다. 이 고려는 잠재력, 전력 밀도, 전력 변환/소비, 사이즈, 중량, 비용, 응답 시간, 듀티 사이클, 서비스 요건, 환경 영향 등을 포함한다. 이와 같이, 다수의 응용에서, EAP 기술은 압전, 형상 기억 합금(SMA), 및 모터와 솔레노이드 등의 전자기 장치에 이상적인 대체를 제공한다.
EAP 트랜스듀서는 탄성 특징을 갖고 얇은 탄성중합체성 유전체 재료에 의해 분리되는 2개의 얇은 필름 전극을 포함한다. 일부 변형에 있어서, EAP 트랜스듀서는 비탄성 유전체 재료를 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 전압차가 전극에 가해질 때 역대전된 전극은 서로 당겨서 폴리머 유전체 층을 그 사이에서 압축한다. 전극이 함께 근접해서 당겨짐에 따라 유전체 폴리머 필름은 평면 방향으로 확장되므로(x축 및 y축 성분이 확장) 더 얇아진다(z축 성분이 수축).
도 2a 내지 도 2b는 디스플레이 스크린 상의 정보, 제어, 또는 자극에 응답하여 사용자에 의해 물리적으로 터치되는 면을 갖는 디스플레이 스크린(232)을 구비한 사용자 인터페이스 장치(230)의 일부를 도시한다. 디스플레이 스크린(234)은 액정 디스플레이LCD), 유기 발광 다이오드(OLED) 등의 임의 타입의 터치 패드 또는 스크린 패널일 수 있다. 또한, 인터페이스 장치(230)의 변형은 "더미" 스크린 등의 디스플레이 스크린(232)을 포함할 수 있으며, 이미지가 스크린{.예컨대. 프로젝터 또는 그래픽 커버링) 상에 트랜스포즈된다. 스크린은 공통 사인 또는 디스플레이 등의 고정 정보를 갖는 종래의 모니터 또는 심지어 스크린을 포함할 수 있다.
임의의 경우에, 디스플레이 스크린(232)은 프레임(234)(또는 스크린을 장치에 직접 결합을 통해 기계적으로 결합하는 하우징이나 어떤 다른 구조 또는 하나 이상의 그라운드 요소), 및 스크린(232)을 프레임 또는 하우징(234)에 연결하는 전기활성 폴리머(EAP) 트랜스듀서(236)를 포함한다. 여기서 주목된 바와 같이, EAP 트랜스듀서는 스크린(232)의 에지의 도중에 있을 수 있거나 EAP 트랜스듀서의 어레이는 프레임 또는 하우징(234)으로부터 이격되어 있는 스크린(232)의 일부와 접촉하여 위치될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 기본 사용자 인터페이스 장치를 예시하며, 인캡슐화된 EAP 트랜스듀서(236)는 활성 개스킷을 형성한다. 임의 수의 활성 개스킷 EAP(236)는 터치 스크린(232)과 프레임(234) 사이에 연결될 수 있다. 전형적으로, 충분환 활성 개스킷 EAP(236)는 소망하는 햅틱 감각을 생성하기 위해 제공된다. 그러나, 그 수는 종종 특정 응용에 따라 변화될 것이다. 상기 장치의 변형에서, 터치 스크린(232)은 디스플레이 스크린 또는 센서 플레이트(여기서, 디스플레이 스크린은 센서 플레이트 뒤에 있음) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도면은 비활성 상태와 활성 상태 사이의 터치 스크린(232)을 사이클링하는 사용자 인터페이스 장치(230)를 나타낸다. 도 2a는 터치 스크린(232)이 비활성 상태에 있는 사용자 인터페이스 장치(230)를 나타낸다. 그러한 조건에서, 어떤 필드도 EAP 트랜스듀서(236)에 적용되지 않아서 트랜스듀서가 정지 상태에 있게 한다. 도 2b는 일부 사용자 입력이 EAP 트랜스듀서(236)를 활성 상태로 트리거한 후의 사용자 인터페이스 장치(230)를 나타내며, 여기서 상기 트랜스듀서(236)는 디스플레이 스크린(232)이 화살표(238)로 지시된 방향으로 이동되게 한다. 대안으로, 적어도 하나의 EAP 트랜스듀서(236)의 변위는 디스플레이 스크린(232)의 방향성 이동을 발생시키기 위해 변화될 수 있다[예컨대, 오히려 스크린(232)의 한쪽 영역를 균일하게 이동하는 전체 디스플레이 스크린(232)은 다른 쪽 영역보다 더 큰 정도로 변위될 수 있음]. 명백히, 사용자 인터페이스 장치(230)에 연결된 제어 시스템은 EAP(236)를 요구되는 주파수로 사이클링하고 또는 EAP(236)의 편향량을 변화시키도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 디스플레이 스크린(232)을 보호하는 기능을 하는 유연한 멤브레인(240)에 의해 커버되는 디스플레이 스크린(232)을 갖는 사용자 인터페이스 장치(230)의 다른 변형을 예시한다. 게다가, 상기 장치는 디스플레이 스크린(232)을 베이스 또는 프레임(234)에 연결하는 다수의 활성 개스킷 EAP(236)를 포함할 수 있다. 사용자 입력에 응하여, 멤브레인(240)과 함께 스크린(232)은 장치(230)가 활성 상태에 들어가도록 변위를 야기시키는 EAP(236)에 전계가 적용될 때 변위된다.
도 4는 디스플레이 스크린(232)의 에지 주위에 위치된 스프링 바이어스 EAP 멤브레인(244)을 갖는 사용자 인터페이스 장치(230)의 추가적인 변형을 예시한다. EAP 멤브레인(244)은 스크린의 주변에 또는 스크린이 햅틱 피드백을 사용자에게 발생시키게 하는 위치에서만 위치될 수 있다. 이 변형에서, 비활성 컴플라이언트 개스킷 또는 스프링(244)은 힘을 스크린(232)에 제공함으로써 EAP 멤브레인(242)을 텐션 상태에 위치시킨다. 전계(242)를 멤브레인에 제공함에 따라(또한, 사용자 입력에 의해 발생되는 신호에 따라), EAP 멤브레인(242)은 스크린(232)의 변위를 야기시키기 위해 이완된다. 화살표(246)로 지시된 바와 같이, 사용자 입력 장치(230)는 스크린(232)의 이동을 개스킷(244)에 의해 제공되는 바이어스에 대하여 임의의 방향으로 발생시키기 위해 구성될 수 있다. 또한, 모든 EAP 멤브레인(242)보다 적은 액츄에이션은 스크린(232)의 불균일 이동을 발생시킨다.
도 5는 사용자 인터페이스 장치(230)의 또 다른 변형을 예시한다. 이 예에서, 디스플레이 스크린(232)은 다수의 컴플라이언트 개스킷(244)을 사용하여 프레임(234)에 연결되고 디스플레이(232)의 구동력은 다수의 EAP 액츄에이터 다이아프램(248)이다. EAP 액츄에이터 다이아프램(248)은 스프링 바이어스되고 전계의 인가에 따라 디스플레이 스크린을 구동할 수 있다. 도시된 바와 같이, EAP 액츄에이터 다이아프램(248)은 스프링의 어느 하나의 측에 대향하는 EAP 멤브레인을 갖는다. 그러한 구성에서, EAP 액츄에이터 다이아프램(248)의 대향측을 활성화하는 것은 어셈블리가 중성점에서 강성해진다. EAP 액츄에이터 다이아프램(248)은 사람의 팔의 이동을 제어하는 대향하는 바이셉 및 트라이셉 근육과 같이 작용한다. 미도시를 통해서, U.S. 특허 출원 일련번호 11/085,798 및 11/085,804에서 논의된 바와 같이, 액츄에이터 다이아프램(248)은 2위상 출력 동작을 제공하고 또는 더 견고한 응용에 사용되는 출력을 증폭하기 위해 스택될 수 있다.
도 6a 및 도 6b은 EAP 필름(242)에서의 코러게이션 또는 폴드를 수용하기 위해 다수의 포인트 또는 그라운드 요소(252)에서 프레임(234)과 디스플레이(232) 사이에 연결된 EAP 멤브레인 또는 필름(242)을 갖는 사용자 인터페이스(230)의 다른 변형을 도시한다. 도 6b에 도시된 바와 같이, EAP 필름(242)으로의 전계의 인가는 코러게이션의 방향으로 변위를 야기시키고 프레임(234)에 대하여 디스플레이 스크린(232)을 편향시킨다. 사용자 인터페이스(232)는 선택적으로 디스플레이(232)와 프레임(234) 사이에도 연결된 바이어스 스프링(250) 및/또는 디스플레이 스크린(232)의 일부(또는 모두)를 커버하는 유연한 보호 멤브레인(240)을 포함할 수 있다.
앞서 논의된 도면은 EAP 필름 또는 트랜스듀서를 사용하는 그러한 촉각 피드백 장치의 모범적인 구성을 예시한다. 다수의 변형은 이 공개의 범위 내에 있고, 예컨대 상기 장치의 변형에서, EAP 트랜스듀서는 전체 스크린 또는 패드 어셈블리보다 오히려 센서 플레이트 또는 요소(예컨대, 사용자 입력에 따라 트리거되고 신호를 EAP 트랜스듀서에 제공하는 것)만을 이동시키기 위해 실시될 수 있다.
응용에서, EAP 부재에 의한 디스플레이 스크린 또는 센서 플레이트의 피드백 변위는 배타적으로 측면 이동으로 감지되는 인플레인에 있을 수 있거나, 아웃어브플레인일 수 있다(수직 변위로 감지됨). 대안으로, EAP 트랜스듀서 재료는 플레이트 요소의 각 변위 또는 다른 타입의 변위의 조합을 제공하기 위해 독립적으로 어드레스가능한/이동가능한 부분을 제공하도록 세그먼트될 수 있다. 또한, 임의 수의 EAP 트랜스듀서 또는 필름(상술한 출원 및 특허에 개시된 바와 같이)은 여기서 기재된 사용자 인터페이스 장치에 포함될 수 있다.
여기서 기재된 장치의 변형은 상기 장치의 전체 센서 플레이트(또는 디스플레이 스크린)가 촉각 피드백 요소로서 기능하게 한다. 이것은 넓은 다기능을 허용한다. 예컨대, 스크린은 가상 키 스트로크에 응답하면 바운스될 수 있거나, 스크린 상의 슬라이드 바 등의 스크롤링 요소에 응하여 연속적인 바운스를 출력할 수 있어서 스크롤 휠의 기계적 디텐트를 효과적으로 시뮬레이션한다. 제어 시스템의 사용에 의해, 3차원 아웃라인은 스크린 상의 사용자 손가락의 정확한 위치를 판독함으로써 그리고 스크린 패널을 이동시킴으로써 합성될 수 있으므로 3D 구조를 시뮬레이션한다. 충분한 스크린 변위 및 상당한 질량의 스크린이 제공되면 스크린의 반복된 진동은 심지어 이동 전화의 진동 기능을 대체할 수 있다. 그러한 기능성은 텍스트의 브라우징에 적용될 수 있으며, 텍스트의 한 라인의 스크롤링(수직으로)은 촉각적인 "범프"에 의해 나타내어짐으로써 디텐트를 시뮬레이션한다. 비디오 게이밍의 컨텍스트에서, 본 발명은 종래의 비디오 게임 시스템에서 사용되는 진동 모터를 진동하면서 증가된 상호작용성 및 손가락 모션 제어를 제공한다. 터치패드의 경우에, 사용자 상호작용성 및 접근성은 물리적 큐를 제공함으로써 특히 시각적으로 손상된 것에 대해 개선될 수 있다.
EAP 트랜스듀서는 인가된 전압을 대체하도록 구성될 수 있고, 이는 서브젝트 촉각 피드백 장치에 사용되는 제어 시스템의 프로그래밍을 용이하게 한다. 예컨대, 소프트웨어 알고리즘은 픽셀 그레이스케일을 EAP 트랜스듀서 변위로 변환함으로써 스크린 커서의 팁 하의 픽셀 그레이스케일 값이 연속적으로 측정되어 EAP 트랜스듀서에 의해 비례 변위로 트랜스레이트된다. 터치패드를 가로질러 손가락을 이동시킴으로써 러프 3D 텍스쳐를 느끼거나 감지할 수 있다. 유사한 알고리즘은 웹 페이지에 적용될 수 있으며, 아이콘의 경계는 페이지 텍스쳐에서의 범프 또는 아이콘에 걸쳐 손가락을 이동시킴에 따라 버징 버튼으로서 사용자에게 피드백된다. 정상 사용자에 대해, 이것은 웹을 서핑하면서 전체 새로운 감각 경험을 제공하고, 시각적으로 손상된 것에 대해 필수적 피드백을 추가한다.
EAP 트랜스듀서는 다수의 이유로 그러한 응용에 이상적이다. 예컨대, 경량 및 최소 성분때문에 EAP 트랜스듀서는 매우 낮은 프로파일을 제공하고, 이와 같이 감각/햅틱 피드백 응용에서의 사용에 이상적이다.
도 7a 및 도 7b는 EAP 필름 또는 멤브레인 10 구조의 예를 예시한다. 얇은 탄성중합체성 유전체 필름 또는 층(12)은 컴플라이언트 또는 신장가능한 전극 플레이트 또는 층(14 및 16) 사이에 샌드위치됨으로써 용량성 구조 또는 필름을 형성한다. 유전체 층뿐만 아니라 복합 구조의 길이 "l" 및 폭 "w"은 그 두께 "t"보다 훨씬 더 크다. 전형적으로, 유전체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위에서의 두께와, 약 15 ㎛ 내지 약 10 cm의 범위에서의 구조의 전체 두께를 갖는다. 또한, 액츄에이터에 기여하는 추가적 강성이 통상 비교적 낮은 탄성계수를 갖는 유전체 층(12)의 강성보다 작으며, 즉 약 100 MPa보다 작고 통상 약 10 MPa보다 훨씬 작지만, 전극 각각보다 두껍도록 탄성계수, 두께, 및/또는 전극(14, 16)의 미소형상을 선택하는 것이 바람직하다. 컴플라이언트 용량성 구조의 사용에 적당한 전극은 기계적 피로로 인한 고장없이 약 1%보다 큰 사이클릭 스트레인을 견딜 수 있는 것이다.
도 7b에 나타낸 바와 같이. 전압이 전극에 걸쳐 인가될 때, 2개의 전극(14, 16)에서의 다른 전하가 서로 끌어당겨져서 정전 인력은 유전체 필름(12)(Z축을 따라)을 압축한다. 그것에 의해 유전체 필름(12)은 전계에서의 변화로 편향되게 한다. 전극(14, 16)이 컴플라이언트되므로 유전체 층(12)의 형상을 변경시킨다. 일반적으로 말하면, 편향은 임의의 변위, 확장, 수축, 토션, 선형 또는 영역 스트레인, 또는 유전체 필름(12)의 일부의 임의의 다른 변형을 언급한다. 아키텍쳐, 예컨대 용량성 구조(10)이 사용되는(집합적으로 "트랜스듀서"로 언급됨) 프레임에 따라 이 편향은 기계적 일을 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 각종 상이한 트랜스듀서 구조는 상술한 특허 참조문헌에 개시되고 기재되어 있다.
전압이 인가됨에 따라 트랜스듀서 필름(10)은 기계력이 편향을 구동하는 정전력의 균형을 잡을 때까지 계속해서 편향된다. 기계력은 유전체 층(12)의 탄성 복원력, 전극(14, 16)의 컴플라이언스 또는 스트레칭 및 트랜스듀서(10)에 연결되는 장치 및/또는 로드에 의해 제공되는 임의의 외부 저항을 포함한다. 또한, 인가된 전압의 결과로서의 트랜스듀서(10)의 최종 편향은 탄성중합체성 재료의 유전 상수 및 그 사이즈 및 강성 등의 다수의 다른 인자에 의존할 수 있다. 전압차 및 유도된 전하의 제거는 역효과를 야기시킨다.
일부의 경우에, 전극(14 및 16)은 필름의 전체 영역에 대해 유전체 필름(12)의 제한된 일부를 커버할 수 있다. 이것은 유전체의 에지 주위에서 전기적 브레이크다운을 방지하거나 커스터마이즈된 편향을 어떤 부분에서 달성하기 위해 행해질 수 있다. 활성 영역 외의 유전체 재료(후자는 충분한 정전력을 갖는 유전체 재료의 일부이며 그 일부의 편향을 가능하게 함)는 편향 동안 활성 영역 상의 외부 스프링력으로서 기능하게 될 수 있다. 더 구체적으로, 활성 영역 외의 재료는 수축 또는 확장에 의해 활성 영역 편향을 레지스트하거나 증대시킬 수 있다.
유전체 필름(12)은 초기 변형도를 가질 수 있다. 초기 변형도는 전기 에너지와 기계 에너지 사이의 변환을 개선하며, 즉 초기 변형도는 유전체 필름(12)이 편향되게 하고 더 큰 기계적 일을 제공한다. 필름의 초기 변형도는 초기 변형 전의 방향에서의 치수에 대한 초기 변형 후의 방향에서의 치수의 변화로서 기재될 수 있다. 초기 변형도는 유전체 필름의 탄성 변형을 포함할 수 있고, 예컨대, 필름을 장력으로 인장시키고 인장 도중 하나 이상의 에지를 고정함으로써 형성된다. 초기 변형도는 필름의 경계에서 그리고 필름의 일부에 대해서만 가해지고 강성 프레임을 사용함으로써 그리고 필름의 일부를 강성화함으로써 실시될 수 있다.
도 7a 및 도 7b의 트랜스듀서 구조 및 다른 유사한 컴플라이언트 구조 및 그 구성체의 세목은 여기에 개시되어 있는 다수의 참조 특허 및 공개에 더 완전히 기재되어 있다.
상술한 EAP 필름에 더하여, 감각 또는 햅틱 피드백 사용자 인터페이스 장치는 측면 이동을 발생하도록 디자인된 EAP 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 8a 및 도 8b에 예시된 바와 같이 상부로부터 바닥으로 액츄에이터(30)를 포함하는 각종 구성은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 탄성 필름의 형태로 전기활성 폴리머(EAP) 트랜스듀서(10)를 구비한다(앞서 기재된 바와 같이). 결과적인 기계 에너지는 출력 부재의 물리적 "변위"의 형태, 여기서 디스크(28)의 형태로 되어 있다.
도 9a내지 도 9c에 있어서, EAP 트랜스듀서 필름(10)은 2개의 워킹 쌍의 얇은 탄성 전극(32a, 32b 및 34a, 34b)을 포함하며, 각 워킹 쌍은 탄성중합체성 유전체 폴리머(26)의 얇은 층(예컨대, 아크릴레이트, 실리콘, 우레탄, 열가소성 엘라스토머, 탄화수소 고무, 플루오로엘라스토머 등으로 제조됨)으로 분리되어 있다. 전압차가 각 워킹 쌍의 역대전된 전극을 가로질러[즉, 전극(32a 및 32b) 그리고 전극(34a 및 34b)을 가로질러] 인가될 때 대향 전극은 서로 끌어당겨짐으로써 유전체 폴리머 층(26)을 그 사이에서 압축한다. 전극이 함께 근접해서 당겨지므로, 유전체 폴리머(26)는 평면 방향으로 확장됨에 따라(즉, x축 및 y축 구성이 확장됨)(축 참조를 위해 도 9b 및 도 9c에 나타냄) 얇아진다(즉, z축 성분이 수축됨). 더욱이, 각 전극을 가로질러 분배된 동일 전하는 그 전극 내에 내장된 도전 입자를 야기해서 서로 반발함으로써 탄성 전극 및 유전체 필름의 확장에 기여한다. 그것에 의해 유전체 층(26)은 전계의 변화에 의해 편향되게 한다. 또한, 전극 재료가 컴플라이언트되므로, 전극 층은 유전체 층(26)과 함께 형상을 변경한다. 일반적으로 말하면, 편향은 임의의 변위, 확장, 수축, 토션, 선형 또는 영역 스트레인, 또는 유전체 층(26)의 일부의 임의의 다른 변형을 언급한다. 이 편향은 기계적 일을 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
트랜스듀서(20)를 제작할 시에, 탄성 필름은 2개 이상의 대향하는 강성 프레임 측면(8a, 8b)에 의해 초기 변형된 조건에서 인장되어 유지된다. 4측 프레임을 사용하는 변형에서, 상기 필름은 이축으로 인장된다. 초기 변형도는 폴리머 층(26)의 유전체 강도를 개선함으로써 전기 에너지와 기계 에너지 사이의 변환을 개선하며, 즉 초기 변형도는 필름이 더 편향되게 하고 큰 기계적 일을 제공하는 것이 관찰되었다. 전형적으로, 전극 재료는 폴리머 층을 초기 변형시킨 후에 도포되지만, 사전에 도포될 수 있다. 여기서 동일측 전극 쌍, 즉 유전체 층(26)의 상부측(26a)의 전극(32a 및 34a)(도 9b 참조) 및 유전체 층(26)의 바닥층(26b) 상의 전극(32b 및 34b)(도 9c 참조)으로 언급되는 동일 측의 층(26) 상에 제공되는 2개의 전극은 비활성 영역 또는 갭(25)에 의해 서로 전기적으로 절연되어 있다. 2 세트의 워킹 전극 쌍으로부터의 폴리머 층의 대향측 상의 대향 전극, 즉 한쪽 워킹 전극 쌍에 대한 전극(32a 및 32b) 및 다른 쪽 워킹 전극 쌍에 대한 전극(34a 및 34b). 각 동일측 전극 쌍은 동일 극성을 갖는 것이 바람직한 반면, 각 워킹 전극의 전극의 극성은 서로 반대이고, 즉 전극(32a 및 32b)이 역대전되고 전극(34a 및 34b)이 역대전된다. 각 전극은 전압원(도시되지 않음)으로의 전기적 접속을 위해 구성되는 전기적 접촉부(35)를 갖는다.
예시된 실시형태에 있어서, 전극 각각은 반원 구성을 가지며, 여기서 동일측 전극 쌍은 유전체 층(26)의 각 측 상에 중심에 배치된 강성 출력 디스크(20a, 20b)를 수용하기 위한 실질적인 원형 패턴을 규정한다. 디스크(20a, 20b)는 그 기능이 이하에 논의되는 바와 같이, 폴리머 층(26)의 중심으로 노출된 외면(26a, 26b)에 고정됨으로써 층(26)을 그 사이에 샌드위치한다. 디스크와 필름 사이의 연결은 기계적일 수 있거나 접착 결합에 의해 제공된다. 일반적으로, 디스크(20a, 20b)는 트랜스듀서 프레임(22a. 22b)에 대해 크기가 정해진다. 더 구체적으로, 디스크 직경 대 프레임의 내부 환상 직경의 비는 트랜스듀서 필름(10)에 적용된 스트레스를 적절히 분배하는 것이다. 디스크 직경 대 프레임 직경의 비가 크면 클수록, 피드백 신호의 힘 또는 이동이 커지지만 디스크의 선형 변위가 작아진다. 대안으로, 상기 비가 작을수록 출력이 작아지고 선형 변위가 커진다.
전극 구성에 따라, 트랜스듀서(10)는 단일 모드 또는 2위상 모드 중 어느 하나에서 기능할 수 있다. 구성 방식에서, 출력 구성요소, 즉 상술한 서브젝트 감각 피드백 장치의 2개의 디스크(20a 및 20b)의 기계적 변위는 수직이라기 보다는 오히려 측면이다. 다시 말하면, 사용자 인터페이스의 디스플레이 면(232)에 수직이고 사용자 손가락(38)(그러나 대향 또는 상 방향으로)에 의해 적용되는 입력[도 10에서 화살표(60a)로 지시됨]에 평행한 방향으로의 힘인 감각 피드백 신호 대신에, 본 발명의 감각/햅틱 피드백 장치의 감지된 피드백 또는 출력[도 10에서 더블헤드 화살표(60b)로 지시됨]은 디스플레이 면(232)에 평행하고 입력(60a)에 평행한 방향으로 있게 된다. 트랜스듀서(10)의 평면에 수직인 축 주위에서 그리고 트랜스듀서가 동작되는 디스플레이 면(232) 모드의 위치(즉, 단일 위상 또는 2위상)에 대하여 전극 쌍의 회전 정렬에 따라, 이 측면 이동은 360°내에서 임의의 방향 또는 방향들에 있을 수 있다. 예컨대, 측면 피드백 모션은 사용자의 손가락(또는 손바닥 또는 그립 등)의 전방 방향에 대하여 측면으로부터 측면으로 또는 위와 아래로(둘다 2위상 액츄에이션임) 일 수 있다. 통상의 기술자가 햅틱 피드백 장치의 접촉면에 횡단되거나 수직인 피드백 변위를 제공하는 어떤 다른 액츄에이터 구성을 인식할 지라도, 그렇게 구성된 장치의 전체 프로파일은 상술한 디자인보다 클 수 있다.
도 9d 내지 도 9g는 장치의 디스플레이 스크린을 가로질러 위치될 수 있는 전기활성 폴리머의 어레이의 예를 예시한다. 이 예에서, EAP 액츄에이터의 어레이에 사용되는 EAP 필름 어레이(200)(도 9f 참조) 각각의 전압 및 접지 측(200a 및 200b)은 본 발명의 촉각 피드백 장치에 사용된다. 필름 어레이(200)는 공간과 전력 효율을 증가시키고 제어 회로를 간략화하는 매트릭스 구성에 제공되는 전극 어레이를 포함한다. EAP 필름 어레이의 고전압 측(200a)은 수직으로 움직이는 전극 패턴(202)(도 9d에 예시된 관점에 따르면)을 유전체 필름(208) 재료 상에 제공한다. 각 패턴(202)은 고전압 라인(202a, 202b)의 쌍을 포함한다. EAP 필름 어레이의 대향 또는 접지 측(200b)은 고전압 전극에 대하여 가로로, 즉 수평으로 움직이는 전극 패턴(206)을 제공한다.
각 패턴(206)은 접지 라인(206a, 206b)의 쌍을 포함한다. 대향하는 고전압 및 접지 라인(202a, 206a 및 202b. 206b)의 각 쌍은 대향하는 전극 쌍의 활성화가 화살표(212)로 예시된 방향으로 2위상 출력 모션을 제공하도록 분리적으로 활성가능한 전극 쌍을 제공한다. 조립된 EAP 필름 어레이(200)[유전체 필름(208)의 상부 및 바닥 측 상의 전극의 교차 패턴을 예시함]는 EAP 트랜스듀서(222)의 어레이(204)의 분해도 내에서 도 9f에 제공되어 있으며, 그 후자는 도 9g에서 조립된 형태로 예시되어 있다. EAP 필름 어레이(200)는 대향하는 프레임 어레이(214a. 214b)와, 개방 영역 내의 중심으로 위치된 출력 디스크(218)에 의해 규정되는 2개의 어레이 각각 내에서 각각 개별적인 프레임 세그먼트(216) 사이에 샌드위치된다. 프레임/디스크 세그먼트(216) 및 전극 구성의 각 조합은 EAP 트랜스듀서(222)를 형성한다. 요구되는 액츄에이터의 응용 및 타입에 따라 구성요소의 추가적인 층은 트랜스듀서 어레이(204)에 추가될 수 있다. 트랜스듀서 어레이(220)는, 예컨대 디스플레이 스크린, 센서 면, 또는 터치 패드 등의 사용자 인터페이스 어레이에 전체가 포함될 수 있다.
감각 햅틱 피드백 장치(2)를 단일 위상 모드에서 동작시킬 때 액츄에이터(30)의 전극의 하나의 워킹 쌍만이 임의의 시간에 활성화될 수 있다. 액츄에이터(30)의 단일 위상 동작은 단일 고전압 전원을 사용하여 제어될 수 있다. 단일 선택된 워킹 전극 쌍에 인가되는 전압이 증가함에 따라 트랜스듀서 필름의 활성화된 부분(1/2)이 확장됨으로써 트랜스듀서 필름의 비활성부의 방향으로의 인플레인에 출력 디스크(20)를 이동시킨다. 도 11a는 단일 위상 모드에서 2개의 워킹 전극을 교대로 활성화시킬 때의 중립 위치에 대하여 액츄에이터(30)의 감각 피드백 신호(즉, 출력 디스크 변위)의 힘-스트로크 관계를 예시한다. 예시된 바와 같이, 출력 디스크의 각 힘 및 변위는 서로 같지만 대향 방향이다. 도 11b는 상기 단일 위상 모드에서 동작될 때 액츄에이터의 출력 변위에 인가 전압의 결과적인 비선형 관계를 예시한다. 공유 유전체 필름에 의한 2개의 전극 쌍의 "기계적" 연결은 출력 디스크를 대향 방향으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 양 전극 쌍이 동작될 때, 서로 독립적임에도 불구하고, 제 1 워킹 전극 쌍(위상 1)으로의 전압의 인가는 출력 디스크(20)를 일 방향으로 이동시키고, 제 2 워킹 전극 쌍(위상 2)으로의 전압의 인가는 출력 디스크(20)를 대향 방향으로 이동시킨다. 도 11b의 각종 플롯이 반영된 바와 같이, 전압이 선형으로 변화됨에 따라 액츄에이터의 변위는 비선형이다. 또한, 변위 동안 출력 디스크의 가속은 햅틱 피드백 효과를 증대시키기 위해 2위상의 동기화 동작을 통해서 제어될 수 있다. 또한, 액츄에이터는 출력 디스크의 더 복잡한 모션을 가능하게 하도록 독립적으로 활성화될 수 있는 2위상 이상으로 파티션될 수 있다.
출력 부재 또는 구성요소의 큰 변위를 이루기 위해 그리고 큰 감각 피드백 신호를 사용자에게 제공하기 위해, 액츄에이터(30)는 2위상 모드에서 동작되고, 즉 액츄에이터의 양 위치를 동시에 활성화시킨다. 도 11c는 액츄에이터가 2위상 모드에서 동작될 때 출력 디스크의 감각 피드백 신호의 힘-스트로크 관계를 예시한다. 예시된 바와 같이, 이 모드에서 액츄에이터의 2개의 부분(32, 34)의 힘 및 스트로크는 동일 방향이고 단일 위상 모드에서 동작될 때 액츄에이터의 힘 및 스트로크보다 2배의 크기를 갖는다. 도 11d는 이 2위상 모드에서 동작될 때 액츄에이터의 출력 변위에 대해 인가 전압의 최종 선형 관계를 예시한다. 액츄에이터의 기계적 결합부(32. 34)를 전기적으로 직렬로 접속하고 그 공통 노드(55)를 제어함으로써, 도 13의 블록 확대(40)에 예시된 방식 등과 같이, 공통 노드(55)의 전압과 출력 부재(어떤 구성에서도)의 변위(또는 차단력) 사이의 관계는 선형 상관에 접근한다. 이 동작 모드에서, 액츄에이터(30)의 2개의 부분(32, 34)의 비선형 전압 응답은 서로 효과적으로 취소되어 선형 전압 응답을 발생시킨다. 제어 회로(44)의 사용 및 어셈블리(46a. 46b)의 스위칭에 있어서, 액츄에이터의 각 부분에 대해서는 이 선형 관계는 액츄에이터의 성능이 제어 회로에 의해 스위치 어셈블리에 공급된 파형의 변경 종류의 사용으로 미조정되어 조절되게 한다. 회로(40)를 사용하는 다른 장점은 스위칭 회로의 수 및 감각 피드백 장치를 동작시키는데 필요한 전원을 저감하는 능력이다. 회로(40)의 사용없이, 2개의 독립적인 전원 및 4개의 스위칭 어셈블리가 필요해진다. 따라서, 회로의 복잡성 및 비용이 저감되는 동시에 제어 전압과 액츄에이터 변위 사이의 관계가 개선되며, 즉 더 선형이 된다. 다른 장점은 2위상 동작 동안 액츄에이터가 성능을 저감시키는 지연을 제거하는 동시성을 얻는다는 것이다.
도 12a 내지 도 12c는 2위상 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 트랜스듀서(10)는 유전체 필름(96)에 대한 제 1 쌍의 전극(90) 및 유전체 필름(96)에 대한 제 2 쌍의 전극(92)을 포함하며, 여기서 2개의 쌍의 전극(90 및 92)은 이동을 트랜스퍼하는 다른 구조로의 연결을 용이하게 하는 바 또는 기계적 부재(94)의 대향측에 있다. 도 12a에 나타낸 바와 같이, 양 전극(90 및 92)은 동일 전압에 있다(예컨대, 둘 다 제로 전압임). 제 1 위상에 있어서, 도 12b에 예시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(92)은 필름을 확장하고 바(94)를 거리(D)까지 이동시키기 위해 에너지가 공급된다. 제 2 쌍의 전극(90)은 필름에 접속되는 특징에 의해 압축되지만 제로 전압에 있다. 도 12c는 전압이 제 2 쌍의 전극(90)에 인가되어 에너지가 공급되는 동안 제 1 쌍의 전극(92)의 전압이 저감되거나 오프되는 제 2 위상을 나타낸다. 이 제 2 위상은 변위가 2배의 D가 되도록 제 1 위상과 동기화된다. 도 12d는 시간에 따른 도 12a 내지 도 12c의 트랜스듀서(10)의 변위를 예시한다. 나타낸 바와 같이, 위상 1은 제 1 전극(92)이 위상 1에 대해 에너지가 공급될 때 바(94)가 양(D)까지 변위됨에 따라 발생된다. 시간(T1)에서는 위상 2의 개시가 발생되고 대향 전극(90)은 제 1 전극(92)의 전압의 감소와 동기화되어 에너지가 공급된다. 2개의 위상에 따른 바(94)의 순 변위는 2 x D이다.
각종 메커니즘은 입력(60a)을 사용자로부터 전달해서 요구되는 감각 피드백(60b)을 이루기 위해 사용될 수 있다(도 10 참조). 예컨대, 용량성 또는 저항성 센서(50)(도 13 참조)는 사용자에 의해 사용자 접촉면 입력에 가해지는 기계력을 감지하기 위해 사용자 인터페이스 패드(4) 내에 하우징될 수 있다. 센서(50)로부터의 전기적 출력(52)은 제어 회로에 의해 제공되는 모드 및 파형에 따라 전원(42)으로부터 감각 피드백 장치의 각 트랜스듀서 부분(32, 34)으로 전압을 인가하기 위해 스위치 어셈블리(46a, 46b)를 차례로 트리거하는 제어 회로(44)에 공급된다.
본 발명의 다른 변형은 EAP 필름상에 발생될 수 있는 습도 또는 습기 응축의 임의 영향을 최소화하기 위해 EAP 액츄에이터의 용접 밀봉을 수반한다. 이하에 기재된 각종 실시형태를 위해, EAP 액츄에이터는 촉각 피드백 장치의 다른 구성요소로부터 실질적으로 분리되는 배리어 필름으로 밀폐된다. 배리어 필름 또는 케이싱은 밀봉된 필름 내에서 습기의 누출을 최소화하기 위해 바람직하게는 열밀봉되는 포일 등으로 제조될 수 있다. 배리어 필름 또는 케이싱의 부분은 케이싱 내의 액츄에이터의 개선된 기계적 연결을 케이싱 외부의 포인트로 허용하기 위해 컴플라이언트 재료로 제조될 수 있다. 이 장치 실시형태 각각은 용접 밀봉된 액츄에이터 패키지에서의 임의 절충을 최소화하면서 사용자 입력면, 예컨대 키패드의 접촉면에 액츄에이터 출력 부재의 피드백 모션의 연결을 가능하게 한다. 또한, 액츄에이터의 모션을 사용자 인터페이스 접촉면에 연결하는 각종 모범적인 수단이 제공된다. 방법론과 관련하여, 주요 방법은 기재된 장치의 사용과 관련된 기계적 및/또는 활동도 각각을 포함할 수 있다. 이와 같이, 기재된 장치의 사용에 내재되는 방법은 본 발명의 일부를 형성한다. 다른 방법은 그러한 장치의 제작에 초점을 맞출 수 있다.
도 14a는 사용자 입력 장치(190)에 연결된 EAP 액츄에이터(204)의 평면 어레이의 예를 나타낸다. 나타낸 바와 같이, EAP 액츄에이터(204)의 어레이는 스크린(232)의 일부를 커버하고 스탠드 오프(stand off)(256)를 통해 장치(190)의 프레임(234)에 연결된다. 이 변형에서, 스탠드 오프(256)는 액츄에이터(204) 및 스크린(232)의 이동을 위한 클리어런스를 허용한다. 장치(190)의 일 실시예에서, 액츄에이터(204)의 어레이는 요구되는 응용에 따른 사용자 인터페이스 면 또는 스크린(232) 뒤의 액츄에이터의 어레이 또는 다중 분리 액츄에이터일 수 있다. 도 14b는 도 14a의 장치(190)의 저면도를 도시한다. 화살표(254)로 나타낸 바와 같이, EAP 액츄에이터(204)는 대안으로 또는 스크린(232)에 수직인 방향으로의 운동과 조합하여 축을 따라 스크린(232)의 이동을 허용한다.
이렇게 기재된 트랜스듀서 액츄에이터 실시형태는 EAP 트랜스듀서 필름의 활성 영역(즉, 오버랩 전극을 포함하는 영역)과 비활성 영역 둘 다에 연결되는 비활성 층을 갖는다. 또한, 트랜스듀서 액츄에이터가 강성 출력 구조를 사용하는 경우에, 그 구조는 활성 영역 상에 있는 비활성 층의 영역에 걸쳐 위치되었다. 게다가, 이 실시형태의 활성/활성가능 영역은 비활성 영역에 대하여 중심으로 위치되었다. 또한, 본 발명은 다른 트랜스듀서/액츄에이터 구성을 포함한다. 예컨대, 비활성 층은 활성 영역만을 또는 비활성 영역만을 커버할 수 있다. 또한, EAP 필름의 비활성 영역은 활성 영역에 대하여 중심으로 위치될 수 있다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 개략 표현은 본 발명의 실시형태에 따라 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 표면 변형 EAP 액츄에이터(10)로 제공된다. 액츄에이터(10)는 얇은 탄성중합체성 유전체 폴리머 층(14)과 유전체(14)에 부착된 상부 및 바닥 전극(16a, 16b)을 그 상부면 및 바닥면에 각각 갖는 EAP 트랜스듀서(12)를 포함한다. 유전체와 2개 이상의 전극을 포함하는 트랜스듀서(12)의 일부는 여기서 활성 영역로서 언급된다. 본 발명의 임의의 트랜스듀서는 적어도 하나의 활성 영역를 가질 수 있다.
전압차가 오버랩핑과 반대 충전 전극(16a, 16b)(활성 영역)에 걸쳐 적용될 때, 반대 전극은 그들 사이에 서로 끌어당겨서 유전체 폴리머 층(14)의 부분을 압축한다. 전극(16a, 16b)은 클로져를 함께 풀링함으로써(z축을 따라) 유전체 층(14)의 부분이 평면 방향(x 및 y축을 따라)으로 확장됨으로써 더 얇게 된다. 비압축성 폴리머에 대해, 즉 압력 하에서 대체로 일정 볼륨을 갖거나, 또는 다른 프레임 등에서 압축성 폴리머에 대해 이 동작은 활성 영역(즉, 전극에 의해 커버링되는 영역)의 외부의 컴플라이언트 유전체 재료를, 즉 활성 영역(즉, 전극에 의해 커버링되는 영역)의 에지 주위의, 특히 주변에 대해 두께 방향(트랜스듀서 필름에 의해 규정된 평면에 직각)으로 플레인 외부에 배치되거나 버징(burge)되게 한다. 이 버징은 유전체 표면 특징(24a-d)을 발생시킨다. 플레인 외부의 표면 특징(24)은 활성 영역에 비교적 편협한 것으로 도시되는 반면에 플레인 외부는 도시된 바와 같이 항상 편협화된 것은 아니다. 일부 경우에, 폴리머가 미리 스트레인되면 그 후 표면 특징(24a-b)은 유전체 재료의 비활성부의 표면 영역 위에 분산된다.
수직 프로파일 및/또는 서브젝트 트랜스듀서의 표면 특징의 가시도를 증폭하기 위해 선택적인 비활성 층은 비활성 층이 EAP 필름 표면 영역의 전체 또는 일부를 커버하는 트랜스듀서 필름 구조의 한쪽 또는 양쪽 면에 더해질 수 있다. 도 15a 및 15b의 액츄에이터 실시형태에서 상부와 하부 비활성 층(18a, 18b)은 각각 EAP 필름(12)의 상부와 하부 측면에 부착된다. 액츄에이터의 활성화와 유전체 층(12)의 표면 특징(17a내지d)의 결과는 도 15b에서 참조 부호(26a내지d)에 의해 표시되는 바와 같이 비활성 층(18a, 18b)의 더해진 두께에 의해 증폭된다.
또한, 올려진 폴리머/비활성 층 표면 특징(26a내지d)에 EAP 필름(12)이 구성되어 한쪽 또는 양쪽 전극(16a, 16b)이 유전체 층의 두께 아래 디프레싱될 수 있다. 그러한 바와 같이, 디프레싱된 전극이나 그들의 부분은 EAP 필름(12)의 액츄에이션의 전극 표면 특징을 제공하고 유전체 재료(14)의 편향을 일으킨다. 전극(16a, 16c)은 패턴되거나 디자인되어 폴리머 표면 특징, 전극 표면 특징 및/또는 비활성 층 표면 특징을 포함할 수 있는 커스터마이즈 트랜스듀서 필름 표면 특징을 발생할 수 있다.
도 15a 및 15b의 액츄에이터 실시형태 10에서 하나 이상의 구조(20a, 20b)는 컴플라이언트 비활성 슬랩(slab)과 강성 기계적 구조 사이 작업의 연결과 액츄에이터의 작업 출력을 다이렉팅하기 쉽게 제공된다. 여기서, 상부 구조(20a)(플랫폼, 바, 레버, 로드, 등의 형성일 수 있는)는 하부 구조(20b)가 그라운드 등의 고정 또는 강성 구조(22)에 액츄에이터(10)를 연결하도록 제공되는 출력 부재로서 액팅한다. 이들 출력 구조는 분리된 요소일 필요는 없지만 액츄에이터가 구동되도록 의도된 구조로 통합되거나 모놀리식일 수 있다. 또한, 구조(20a, 20b)는 비활성 층(18a, 18b)에 의해 형성되는 표면 특징(26a-d)의 주변이나 형상을 규정하도록 제공된다. 예시된 실시형태에 있어서, 집합적 액츄에이터 스택이 도 15b에 도시된 바와 같이 액츄에이터의 비활성부의 두께를 증가를 발생시키는 반면에, 액츄에이션의 액츄에이터에 의한 높이 Δh에서 네트 변화는 네거티브이다.
본 발명의 EAP 트랜스듀서는 어떤 적절한 구조를 가질 수 있어 소망하는 두께 모드 액츄에이션을 제공한다. 예컨대, 다수의 EAP 필름 층은 추가 EAP 필름 층이 용량 센서로서 이용될 수 있는 통합된 센싱 능력을 갖는 키보드 키 등의 더 복잡한 응용에 사용을 위한 트랜스듀서를 조립하도록 사용될 수 있다.
도 16a는 본 발명에 의한 2배의 EAP 필름 층(34)을 갖는 스택된 트랜스듀서(32)를 이용하는 액츄에이터(30) 등을 예시한다. 2배의 층은, 각각 상부와 하부 전극(34b, 34c) 사이에 샌드위칭된 상부 필름(34a)과, 각각 상부와 하부 전극(36b, 36c) 사이에 샌드위칭된 하부 필름(36a)을 갖는 2개의 유전체 엘라스토머 필름을 포함한다. 한 쌍의 전도성 트레이스나 층(통상적으로 "버스 바"로서 언급됨)은 고전압으로 전극과 동력원(이후 도시 생략)의 그라운드 측면을 연결하기 위해 제공된다. 버스 바는 각각의 EAP 필름(즉, 상부와 하부 전극이 오버랩하지 않는 위치)의 "비활성" 부분에 위치된다. 상부와 하부 버스 바(42a, 42b)는, 각각 유전체 층(34a)의 상부와 하부 측면 상에 위치되고, 상부와 하부 버스 바(44a, 44b)는 각각 유전체 층(36a)의 상부와 하부 측면 상에 위치된다. 유전체(34a)의 상부 전극(34b)과 유전체(36a)의 하부 전극(36c), 즉 2개의 외부에 마주하는 전극은 통상적으로 도 17a-17d에 대해 아래에 더 상세하게 도시되는 형태로 전도성 엘라스토머 비아(68b)를 통해 버스 바(42a 및 44a)의 서로의 연결 방법으로 폴라라이징한다(도 16b에 도시된 바와 같이). 유전체(34a)의 하부 전극(34c)과 유전체(36a)의 상부 전극(36b), 즉 2개의 내부로 마주하는 전극도 통상적으로 전도성 엘라스토머 비아(68b)(도 16b에 도시된 바와 같이)를 통해 버스 바(42b 및 44b)의 서로의 연결의 방법에 의해 폴라라이징된다. 포팅 재료(66a, 66b)는 시일 비아(68a, 68b)에 사용된다. 액츄에이터가 동작할 때 각 전극 쌍의 반대의 전극은 전압이 어플라잉될 때 함께 드로잉된다. 안전을 위해 그라운드 전극이 스택의 외부 상에 배치되어 고전압 전극에 닿기 전에 어떤 피어싱되는 오브젝트에 그라운딩되어 감전 위험을 제거할 수 있다. 2개의 EAP 필름 층은 필름 대 필름 접착(40b)에 의해 함께 부착될 수 있다. 접착 층은 선택적으로 비활성이나 슬랩 층을 포함해서 실행을 향상시킬 수 있다. 상부 비활성 층이나 슬랩(50a)과 하부 비활성 층(52b)은 접착 층(40a)과 접착 층(40c)에 의해 트랜스듀서 구조에 부착된다. 출력 바(46a, 46b)는 각각 상부와 하부 비활성 층과, 각각 접착 층(48a, 48b)에 의해 연결될 수 있다.
본 발명의 액츄에이터는 어떤 적절한 수의 트랜스듀서 층을 이용할 수 있으며, 상기 층의 수는 짝수 또는 홀수일 수 있다. 후자의 구조에서 하나 이상 공통의 그라운드 전극과 버스 바가 사용될 수 있다. 추가적으로, 안전이 부족하거나 문제인 곳은 고전압 전극이 트랜스듀서 스택의 외부 상에 위치되어 특정한 응용을 더 우수하게 수용할 수 있다.
동작되도록 액츄에이터(30)는 동력원과 제어 전극(도시 생략)에 전기적으로 연결되어야 한다. 이것은 액츄에이터나 PCB 상에 또는 고전압과 그라운드 비아(68a, 68b)를 전원이나 중간 연결부에 연결하는 플렉스 커넥터(62)에 전기적인 트레이싱이나 와이어의 방법으로 달성될 수 있다. 액츄에이터(30)는 보호 배리어 재료로 패키징되어 습도와 환경 오염으로부터 시일링할 수 있다. 여기서, 보호 배리어는 PCB/플렉스 커넥터(62)에 대해 바람직하게 밀봉되는 상부와 하부 커버(60, 64)를 포함해서 외부 포스와 스트레인 및/또는 환경 노출로부터 액츄에이터를 보호한다. 일부 실시형태에서, 보호 배리어는 용접 밀봉을 제공하여 불침투성일 수 있다. 커버는 어딘가에 강성 폼을 가져서 물리적 손상에 대해 액츄에이터(30)를 보호할 수 있거나 룸이 액츄에이터(30)의 액츄에이션 변위에 대해 컴플라이언트일 수 있다. 하나의 특정 실시형태에서 상부 커버(60)는 형성된 포일로 이루어지고, 역으로 하부 커버(64)는 보드/커넥터(62)에 열접착된 2개의 커버를 갖는 컴플라이언트 포일로 이루어진다. 금속화된 폴리머 필름, PVDC, 아크랄(Aclar), 스티렌 또는 올레핀 코폴리머, 폴리에스테르, 및 폴리올레핀 등의 다수의 다른 패키징 재료가 사용될 수도 있다. 컴플라이언트 재료가 사용되어 액츄에이터 출력을 전달하는, 여기에서 바(46b)의 출력 구조나 구조를 커버링한다.
액츄에이터(30) 등이 기재되었지만 본 발명의 스택된 액츄에이터/트랜스듀서 구조의 전도성 요소/층은 통상적으로 스택된 구조를 통해 형성되는 전기적인 비아(도 16b에서는 68a 및 68b)의 방법으로 연결된다. 도 17a 내지 도 19는 비아를 형성하기 위한 본 발명의 다양한 방법을 예시한다.
도 16b의 액츄에이터(30)에 이용되는 형태의 전도성 비아의 형성은 도 17a 내지 도 17d를 참고해서 기재되어 있다. PCB/플렉스 커넥터(72)에 액츄에이터(70)[여기서, 비활성 층(78a, 78b) 사이의 집합적으로 샌드위칭된 유전체 층(74)의 비활성부 반대 측면에 정반대로 배치된 버스 바(76a, 76b)와 단일 필름 트랜스듀서로부터 구성됨]의 적층 전이나 후에 스택된 트랜스듀서/액츄에이터 구조(70)는 도 17b에 예시된 바와 같이 비아 구멍(82a, 82b)을 형성하기 위해 PCB(72)에 그 전체 두께를 통해 80 레이저 드릴된다. 기계적으로 드릴링, 펀칭, 몰딩, 피어싱, 및 코어링 등의 비아 구멍을 생성하기 위한 다른 방법이 사용될 수도 있다. 그 후, 비아 구멍은 도 17c에 도시된 바와 같이 전도성 재료, 예컨대 실리콘에서 탄소 입자의 주입 등의 어떤 적절한 디스펜싱 방법에 의해 필링된다. 그 후, 도 17d에 도시된 바와 같이, 전도성으로 채워진 비아(84a, 84b)가 비아의 노출 엔드에 전기적으로 절연되는 어떤 콤패터블 비전도성 재료, 예컨대 실리콘으로 86a, 86b를 선택적으로 포팅(pot)한다. 대안으로, 비전도성 테이프는 노출된 비아 상에 배치될 수 있다.
표준 전기 배선은 전원에 액츄에이터와 전자기기를 연결하는 PCB나 플렉스 커넥터의 장소에 사용될 수 있다. 그러한 실시형태로 전원에 전기적인 비아와 전기적인 연결을 형성하는 다양한 단계이 요소 등의 도 18a내지도 18d와 동일 참조 부호를 갖는 도 17a 내지 도 17d에 그러한 단계으로 예시된다. 여기서, 도 18a에 도시된 바와 같이, 비아 구멍(82a, 82b)은 오직 버스 바(84a, 84b)가 리칭되는 확대를 위해 액츄에이터 두께 깊이 내에 드릴링될 필요가 있다. 그 후, 비아 구멍은 와이어 리드(88a, 88b)가 도 18c에 도시된 바와 같이 증착된 전도성 재료 내에 삽입된 후 도 18b에 도시된 바와 같이 전도성 재료가 채워진다. 그 후, 전도성으로 채워진 비아와 와이어 리드가 도 18d에 도시된 바와 같이 오버 포팅될 수 있다.
도 19는 본 발명의 트랜스듀서 내에 전도성 비아를 제공하는 다른 방법을 예시한다. 트랜스듀서(100)는 비활성 폴리머 층(110a, 110b) 사이에 순서대로 샌드위칭된 전극(106a, 106b) 사이에 샌드위칭된 부분을 갖는 유전체 층(104)을 포함하는 유전체 필름을 갖는다. 전도성 버스 바(108)는 EAP 필름의 비활성 영역에 제공될 수 있다. 피어싱 구성을 갖는 전도성 콘택트(114)는 수동적으로 또는 다른 버스 바 재료(108)를 관통하는 깊이로 트랜스듀서의 일측면을 통해서 구동된다. 전도성 트레이스(116)는 피어싱 콘택트(114)의 노출 엔드로부터 PCB 플렉스 커넥터(112)를 따라 연장된다. 특히, 비아를 형성하는 이 방법은 비아 구멍을 드릴링하고, 비아 구멍을 채우고, 비아 구멍에 전도성 와이어를 배치하고, 비아 구멍을 포팅하는 단계를 제거하여 특히 효과적이다.
본 발명의 EAP 트랜스듀서는 어떤 적절한 구조와 표면 특징 표현으로 액츄에이터 응용의 다양성에 사용될 수 있다. 도 20a 내지 도 24는 예시적인 두께 모드 트랜스듀서/액츄에이터 응용을 예시한다.
도 20a는 사용자가 장치, 예컨대 키보드, 터치 스크린, 폰 등과 물리적으로 접촉하는 촉각적인이나 햅틱 피드백 응용에 사용되는 버튼 액츄에이터에 이상적인 라운드 구조를 갖는 두께 모드 트랜스듀서(120)를 예시한다. 트랜스듀서(120)는 도 20b에 분리된 도면으로 가장 좋게 도시된 얇은 탄성중합체성 유전체 폴리머 층(122)과 상부와 하부 전극 패턴(124a, 124b)(하부 전극 패턴이 가상으로 도시됨)으로부터 형성된다. 각각의 전극 패턴(124)은 동심원 패턴을 형성하는 복수의 반대로 연장되는 손가락부(127)와 함께 스템부(125)를 제공한다. 2개의 전극의 스템은 그들 각각의 손가락 부분이 도 20a에 도시된 패턴을 제공하기 위해 서로 병렬 배치되는 라운드 유전체 층(122)의 반대 측면에 서로 정반대로 위치된다. 이 실시형태에서 반대의 전극 패턴이 서로 이상적이고 대칭적인 반면에 다른 실시형태는 그들이 차지하는 표면 영역의 형상 및/또는 양에서 반대의 전극 패턴은 불균형적인 것으로 고려된다. 2개의 전극 재료가 오버랩되지 않은 트랜스듀서 재료 부분은 트랜스듀서의 비활성부(128a, 128b)를 규정한다. 전기적인 접촉(126a, 126b)은 트랜스듀서를 동력원과 제어 전극(도시 생략)에 전기적으로 연결하기 위해 2개의 전극 스템부의 각각에 베이스로 제공된다. 트랜스듀서가 작동될 때 반대의 전극 핑거가 함께 드로잉되어 소망하는 바와 같이 버튼 및/또는 버튼에 내부로 주변에 대해 표면 특징을 형성하기 위해 트랜스듀서 버징의 비활성부(128a, 128b)와 함께 그들 사이에 유전체 재료(122)를 압축한다.
버튼 액츄에이터는 단일 인풋이나 접촉 표면을 형성하는 형태일 수 있거나 복수의 접촉 표면을 갖는 어레이 형식으로 제공될 수 있다. 어레이의 형태로 구성될 때 도 20a의 버튼 트랜스듀서는 사용자 인터페이스 장치, 예컨대 컴퓨터 키보드, 폰, 계산기 등의 다양함을 위해 도 21에 예시된 바와 같이 키패드 액츄에이터(130)의 사용에 이상적이다. 트랜스듀서 어레이(132)는 서로 반대되는 2개의 어레이와 함께 상호 연결된 전극 패턴의 상부 어레이(136a)와 전극 패턴의 하부 어레이(136b)(가상으로 도시)를 포함하여 기재된 바와 같이 활성부 및 비활성부를 갖는 도 20a의 동심원 트랜스듀서 패턴을 생성한다. 키보드 구조는 트랜스듀서 어레이(132)의 정상의 비활성 층(134)에 형성될 수 있다. 비활성 층(134)은 키 경계(138) 등의 고유한 표면 특징을 가질 수 있고, 비활성 상태에서 상승되어 사용자가 개개의 키 패드로 그/그녀 손가락을 촉각적으로 배치할 수 있고, 및/또는 활성화를 위해 각각의 버튼의 주변의 버징을 더 증폭한다. 키가 눌러질 때 레이(lay)가 액티베이팅되면 개개의 트랜스듀서는 상술된 바와 같이 두께 모드 버징에 의해 사용자에게 촉각적인 감각을 다시 제공한다. 임의 수의 트랜스듀서는 사용되는 키패드(134)의 형태와 사이즈를 수용하는 방법으로 제공되어 공간적으로 분리될 수 있다. 그러한 트랜스듀서 어레이에 대해 제작 기술의 실시예는 감각 피드백 응용을 위한 전기활성 폴리머 트랜스듀서로서 명칭된 2008년 6월 27일에 출원된 미국 특허 출원 12/163,554에 개시되어 있고, 그 전체 내용은 참조 문헌으로 여기에 통합되어 있다.
통상의 기술자는 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서가 대칭일 필요가 없고 어떤 구조와 형상에도 사용될 수 있는 것을 알 것이다. 서브젝트 트랜스듀서는 도 22에 예시된 새로운 핸드 장치(140) 등의 어떤 상상할 수 있는 새로운 응용에 사용될 수 있다. 사람 손의 형태로 유전체 재료(142)는 유사한 손 형상으로 상부와 하부 전극 패턴(144a, 144b)(가상으로 도시된 아래쪽 패턴)을 갖는 것으로 제공된다. 각각의 전극 패턴은 각각 버스 바(146a, 146b)에 전기적으로 연결되고, 순서대로 동력원과 제어 전극(도시 생략)에 전기적으로 연결된다. 여기서, 반대의 전극 패턴은 삽입되기보다는 서로 함께 또는 정상으로 배치됨으로써 다른 활성 및 비활성 영역를 생성한다. 그러한 바와 같이, 오직 전체로서 패턴의 내부와 외부 에지 상에 높아진 표면 특징의 생성 대신에 핸드 프로파일, 즉 비활성 영역 상을 통해 높아진 표면 특징이 제공된다. 이 예시적인 응용에서 표면 특징은 촉각 피드백보다 비주얼 피드백을 제공할 수 있는 것에 주목한다. 비주얼 피드백은 컬러링, 반사성 재료 등에 의해 향상될 수 있는 것이 고려된다.
본 발명의 트랜스듀서 필름은, 특히 트랜스듀서 전극 패턴이 웹 기반 제조 기술에 통상적으로 사용됨으로써 균일하거나 반복적인 곳에 매스가 효과적으로 생성될 수 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 필름(150)은 유전체 재료(152)의 스트립에 증착되거나 형성되는 연속적인 상부와 하부 전기 버스(156, 156b)에 연속적인 스트립 포맷에 제공될 수 있다. 가장 통상적으로, 두께 모드 특성은 불연속(즉, 비연속적인)으로 규정되지만 반복적인 활성 영역(158)는 각각의 버스 바(156a, 156b)에 전기적으로 연결되는 상부와 하부 전극 패턴(154a, 154b)에 의해 형성되고: 사이즈, 길이, 형상, 및 패턴은 특정한 응용에 대해 커스터마이즈될 수 있다. 그러나, 활성 영역가 연속적인 패턴으로 제공될 수 있는 것이 고려된다. 그 후 전극과 버스 패턴은 선택된 싱귤러레이션 라인(155)을 따라 커팅 스트립(150) 등에 의해 공지된 기술로도 싱귤러레이팅된 개개의 트랜스듀서를 갖는 공지된 웹 기반 제조 기술에 의해 형성될 수 있다. 활성 영역는 스트립을 따라 연속적으로 제공되고 스트립이 정밀도의 고등급으로 커팅되는 것이 요구되어 전극의 쇼팅을 회피하는 것에 주의한다. 이들 전극의 커트 엔드는 포팅을 요구할 수 있거나 다른 뒤에 에칭되어 트랙킹 문제를 회피할 수 있다. 그 후, 버스(156a, 156b)의 커트 터미널은 초래된 액츄에이터의 액츄에이션을 가능하게 된다.
싱귤러레이션 전이나 후에 스트립이나 싱귤러레이팅된 스트립부가 임의 수의 다른 트랜스듀서 필름 스트립/스트립부로 스택되어 다층 구조를 제공할 수 있다. 그 후, 스택된 구조는 소망한다면 출력 바 등의 액츄에이터의 강성 기계적 요소에 라미네이팅되고 기계적으로 연결될 수 있다.
도 24는 트랜스듀서(160)가 오픈 영역(165)를 프래밍(framing)하는 직사각형 패턴으로 배치되는 스트립의 반대 측면에 상부와 하부 전극(164a, 164b)과 함께 유전체 재료(162)의 스트립에 의해 형성된 서브젝트 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다. 각각의 전극은 동력원과 제어 전극(도시 생략)에 연결을 위해 전기적인 접촉 포인트(168a, 168b)를 갖는 각각의 전기 버스(166a, 166b)에서 터미네이팅된다. 둘러싸인 영역(165)에 걸쳐 연장되는 비활성 층(도시 생략)은 출력 바(또한 도시 생략) 양쪽의 환경적인 보호와 기계적 연결을 위한 개스킷 구성을 형성함으로써 트랜스듀서 필름의 다른 측면에 이용될 수 있다. 구성된 바와 같이, 트랜스듀서의 활성화는 트랜스듀서 스트립의 내부와 외부 주변(169)에 따른 표면 특징과 활성 영역(164a, 164b)의 두께의 감소를 발생한다. 개스킷 액츄에이터는 연속적이며 단일 액츄에이터일 필요가 없는 것에 주목해야 한다. 하나 이상 분리된 액츄에이터는 비활성 컴플라이언트 개스킷 재료로 선택적으로 시일링될 수 있는 영역의 주변 라인에 사용될 수도 있다.
다른 개스킷 형태 액츄에이터는 상기 참조된 미국 특허 출원 12/163,554에 개시되어 있다. 액츄에이터의 이들 형태는 휴대용 멀티미디어 장치, 의료 기구, 키오스크, 또는 자동차 시험 패널, 장난감 및 다른 새로운 제품 등의 응용에 대해 터치 센서 플레이트, 터치 패드, 및 터치 스크린 등의 지각(예컨대, 햅틱이나 진동)의 피드백 응용에 대해 적절하다.
도 25a 내지 도 25d는 4개의 도면 중 유사한 요소를 참조하는 동일 참조 부호를 갖는 본 발명의 두께 모드 액츄에이터의 변형을 이용하는 터치 스크린의 횡단면도이다. 도 25a를 참조하면, 터치 스크린 장치(170)는 통상적으로 유리 또는 플라스틱 재료로 이루어지는 터치 센서 플레이트(174), 및 선택적으로 액정 디스플레이(LCD)(172)를 포함할 수 있다. 2개는 그들 사이에 개방 공간(176)을 규정하는 EAP 두께 모드 액츄에이터(180)에 의해 함께 스택되고 공간적으로 분리된다. 집합적으로 스택된 구조는 프레임(178)에 의해 함께 유지된다. 액츄에이터(180)는 전극 쌍(184a, 184b)에 의해 중앙에 샌드위칭된 유전체 필름 층(182)에 의해 형성되는 트랜스듀서 필름을 포함한다. 트랜스듀서 필름은 상부와 하부 비활성 층(186a, 186b) 사이에 순서대로 샌드위칭되고 또한 각각 터치 플레이트(174) 및 LCD(172)에 기계적으로 연결되는 한 쌍의 출력 구조(188a, 188b) 사이에 유지된다. 도 25a의 우측은 액츄에이터가 비활성될 때 LCD와 터치 플레이트가 비교 위치를 도시하고, 도 25a의 좌측은 액츄에이터가 액티베이팅, 즉 화살표(175)의 방향으로 사용자 디프레싱 터치 플레이트(174)에 액티베이팅될 때 요소의 비교 위치를 도시한다. 드로잉의 좌측으로부터 명백한 바와 같이, 액츄에이터(180)가 액티베이팅되고, 전극(184a, 184b)은 활성 영역 외부의 유전체 재료와 비활성 층(186a, 186b)에서 표면 특징을 생성하는 동안에 그들 사이에 유전체 필름(182) 부분을 압축하면서 함께 드로잉되고, 표면 특징은 출력 블록(188a, 188b)의 원인으로 압축력에 의해 더 향상된다. 그러한 바와 같이, 표면 특징은 사용자가 터치 플레이트의 디프레싱에 응답하여 촉각적인 감각을 주는 화살표(175) 반대 방향으로 터치 플레이트(174)에 약간의 힘을 제공한다.
도 25b의 터치 스크린 장치(190)는 LCD(172)가 두께 모드 액츄에이터(180)의 형상의 직사각형(또는 사각형 등.)에 의해 내부 영역 프레임 내에 전부 존재하게 되는 차이로 도 25a의 그것과 유사한 구조를 갖는다. 그러한 바와 같이, LCD(172)와 터치 플레이트(174) 사이의 스페이싱(176)은 장치가 비활성 상태(도면의 우측에 설명됨)일 때 도 25a의 실시형태에서 현저하게 적은 낮은 프로파일 디자인을 제공한다. 또한, 액츄에이터의 하부 출력 구조(188b)는 프레임(178)의 뒷벽에 직접 레스팅(rest)된다. 2개의 실시형태 사이의 구조적인 차이에 관계없이, 장치(190)는 액츄에이터 표면 특징이 터치 플레이트를 디프레싱에 응답해서 방향 반대 화살표(185)로 적은 촉각적인 포스를 제공하는 점에서 장치(170)와 유사하게 기능한다.
단지 기재된 2개의 터치 스크린 장치는 단일 방향에서 기능하므로 단일 위상 장치이다. 서브젝트 개스킷-형태 액츄에이터의 2개(또는 이상)는 도 25c에서 2개의 페이즈 터치 스크린 장치(200)에 직렬로 사용될 수 있다. 장치(200)의 구조는 정상의 터치 플레이트(174)가 시팅되는 제 2 두께 모드 액츄에이터(180')가 추가되지만 도 25b의 장치의 그것과 유사하다. 2개의 액츄에이터와 터치 플레이트(174)는 내부로 연장되는 상부 숄더(shoulder)(178")에 더해진 프레임(178)을 거쳐 스택된 관계로 유지된다. 그러한 바와 같이, 터치 플레이트(174)는, 각각 액츄에이터(180, 180')의 가장 깊숙한 내부 출력 블록(188a, 188b') 사이에 직접 샌드위칭되고, 액츄에이터(180')의 가장 바깥쪽 출력 블록(188b, 188a')은 각각 프레임 부재(178' 및 178")를 지지한다. 이것은 둘러싸인 개스킷 배치가 스페이스(176) 내에 광학 패스 외부의 먼지와 조각을 방지한다. 여기서, 도면의 좌측은 센서 활성 상태에서 하부 액츄에이터(180)와 플레이트(174)가 화살표(185)의 방향으로 LCD(172)를 향해 이동하게 되는 비활성 상태의 상부 액츄에이터(180')를 예시한다. 역으로, 도면의 우측은 센서 플레이트(174)가 화살표(195')의 방향으로 LCD(172)로부터 이동하게 되는 비활성 상태에서 하부 액츄에이터(180)와 활성 상태에서 상부 액츄에이터(180')를 예시한다.
도 25d는 다른 2개의 페이즈 터치 센서 장치(210)를 예시하지만 한 쌍의 두께 모드 스트립 액츄에이터(180)가 터치 센서 플레이트에 직각의 전극으로 오리엔팅된다. 여기서, 터치 플레이트(174)의 2개의 위상이나 쌍지향성 이동은 화살표(205)에 의해 지시되는 평면이다. 그러한 평면 이동을 가능하게 하는 것은 액츄에이터(180)가 위치되어 그것의 EAP 필름의 평면이 LCD(172)와 터치 플레이트(174)의 그것에 직각이다. 그러한 위치를 유지하기 위해 액츄에이터(180)는 터치 플레이트(174)가 레스팅되는 프레임(178)의 측벽(202)과 내부 프레임 부재(206) 사이에 유지된다. 내부 프레임 부재(206)가 액츄에이터(180)의 출력 블록(188a)에 추가되는 반면에 외부 프레임(178)과 관련된 "플로팅"은 평면이나 횡운동을 감안한다. 이 구조는 터치 플레이트(174)에 의해 2개의 페이즈 플레인 외부 동작에 필요하지 않으면 더해진 틈을 제거함으로써 비교적 컴팩트 로우 프로파일 디자인을 제공한다. 2개의 액츄에이터는 2상 동작에 대해 반대로 작동한다. 플레이트(174)와 브라켓(206)의 결합된 어셈블리는 액츄에이터 스트립(180)을 프레임(178)의 측벽(202)에 대해 작은 압축으로 유지한다. 하나의 액츄에이터가 활성일 때 다른 액츄에이터는 저장된 압축력 때문에 확장되는 동안 압축하거나 얇게 한다. 이것은 플레이트 어셈블리를 활성 액츄에이터를 향해 이동시킨다. 플레이트는 제 1 액츄에이터를 비액티베이팅하고, 제 2 액츄에이터를 액티베이팅함으로써 반대 방향으로 이동한다.
도 26a 및 도 26b는 트랜스듀서의 비활성 영역가 활성 영역에서 내부나 중앙에, 즉 EAP 필름의 중앙 위치가 오버랩핑 전극이 없는 곳으로 위치되는 변형을 예시한다. 두께 모드 액츄에이터(360)는 필름의 중앙 위치(365)가 비활성이고 전극 재료가 없는 전극 층(364a, 354b) 사이의 샌드위칭된 유전체 층(362)을 포함하는 EAP 트랜스듀서 필름을 포함한다. EAP 필름은 집합적으로 카트리지 구성을 제공하는 하나 이상의 상부와 하부 프레임 부재(366a, 366b)에 의해 팽팽하거나 스트레칭 조건으로 유지된다. 필름의 비활성부(365)의 하나 이상의 상부와 하부 측면을 커버링하는 것은 각각 선택적인 강성 제약의 비활성 층(368a. 368b)과 그 위에 장착되는 출력 부재(370a, 370b)이다. 액티베이팅될 때(도 26b 참조) 카트리지 프레임(366)에 의해 그 주변에서 압축되는 EAP 필름과 함께 EAP 필름의 압축은 필름 재료를 화살표(367a, 367b)에 의해 도시된 바와 같이 상기 기재된 액츄에이터 실시형태와 함께 외부보다는 내부로 들어가게 한다. 압축된 EAP 필름은 그 직경을 감소시키고 그 높이를 증가시키는 비활성 재료(368a, 368b)에 영향을 준다. 구성에서 이 변화는 외부 힘을 각각 출력 부재(370a, 370b)에 가한다. 상기 기재된 액츄에이터 실시형태와 함께 비활성으로 연결된 필름 액츄에이터는 스택되거나 평면 관계에 제공되어 다수-페이즈 액츄에이션을 제공하거나 및/또는 액츄에이터의 출력 및/또는 스트로크를 증가시킬 것이다.
성능은 유전체 필름 및/또는 비활성 재료를 변형함으로써 향상될 것이다. 액츄에이터는 키나 버튼 장치로서 사용될 수 있거나 멤브레인 스위치 등의 센서 장치와 스택되거나 통합될 것이다. 하부 출력 부재나 하부 전극은 멤브레인 스위치에 충분한 압력을 제공하여 사용될 수 있어 회로를 완성하거나 하부 출력 부재가 전도성 층을 가지면 직접 회로를 완성할 수 있다. 다수의 액츄에이터는 키패드나 키보드 등의 응용에 대한 어레이로 사용될 수 있다.
미국 특허 출원 공개 2005/0157893에 개시된 다양한 유전체 엘라스토머와 전극 재료는 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서를 사용하기에 적절하다. 일반적으로, 유전체 엘라스토머는 어떤 대체로 절연을 위한 실리콘 고무와 아크릴 등의 컴플라이언트 폴리머를 포함하고 정전기력에 응답하여 변형시키고 그 변형은 전기장의 변화의 결과이다. 적절한 폴리머를 디자인하거나 선택함에 있어서 하나는 최선의 재료, 물리적, 및 화학적인 성질을 고려할 수 있다. 그러한 성질은 단위체(어떤 사이드 체인을 포함하는), 첨가제, 교차 결합의 정도, 결정도, 분자 중량 등의 신중한 선택에 의해 맞추어질 수 있다.
기재되고 사용에 적절한 전극은 메탈 트레이스 및 차지 분포 층, 텍스쳐링된 전극, 탄소 그리스나 실버 그리스 등의 전도성 그리스, 콜로이드 서스펜션, 전도성 카본 블랙 등의 높은 종횡비 전도성 재료, 탄소 소섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 및 금속 나노와이어, 및 이온 전도성 재료의 혼합물을 포함하는 구조화된 전극을 포함한다. 전극은 탄소나 다른 전도성 입자를 포함하는 엘라스토머 매트릭스 등의 컴플라이언트 재료로 이루어질 수 있다. 본 발명은 금속과 세미 플렉서블 전극도 이용할 수 있다.
서브젝트 트랜스듀서에 사용되는 예시적인 비활성 층 재료는, 예컨대 실리콘, 스티렌 또는 올레핀 코폴리머, 폴리우레탄, 아크릴산염, 고무, 소프트 폴리머, 소프트 엘라스토머(겔), 소프트 폴리머 거품, 또는 폴리머/겔 하이브리드를 포함하지만 한정되지 않는다. 비활성 층과 유전체 층의 상대 탄성 및 두께는 소망하는 출력(예컨대, 네트 두께 또는 의도된 표면 특징의 두께)을 달성하기 위해 선택되고, 그 출력 응답은 선형(예컨대, 비활성 층 두께는 액티베이팅될 때 유전체 층의 그것에 비례해서 증폭됨) 또는 비선형(예컨대, 비활성과 유전체 층은 다양한 속도로 더 얇거나 두꺼워짐)로 디자인될 수 있다.
방법론에 대해, 서브젝트 방법은 기재된 장치의 사용과 관련된 각각의 기계적 및/또는 활성을 포함할 수 있다. 그러한 바와 같이, 장치의 사용에 포함된 방법론은 본 발명의 형태 부분을 기재했다. 다른 방법은 그러한 장치의 제작에 포커싱될 수 있다.
본 발명의 다른 상세한 설명을 위해 구성과 관련된 재료와 대안이 통상의 기술자의 수준 내에서 이용될 수 있다. 마찬가지로 통상적으로나 논리적으로 이용됨으로써 추가 액트에 관해서 본 발명의 방법에 의거한 실시형태에 대해 진실일 수 있다. 또한, 본 발명은 몇몇 실시예를 참조해서 기재되지만 선택적으로 다양한 특성을 통합하면 본 발명은 본 발명의 각각의 변형에 대해 고려되는 바와 같이 기재되거나 지시되는 것에 한정되지 않는다. 다양한 변화가 기재된 본 발명으로 이루어질 수 있고 등가물(일부 간결성의 목적을 위해 여기에 설명되거나 포함되지 않음)이 본 발명의 진정한 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 대체될 수 있다. 도시된 임의 수의 개개의 부분이나 서브어셈블리가 그 디자인에 대해 통합될 수 있다. 그러한 변화나 다른 것이 어셈블리에 대한 디자인의 원리에 의해 착수되거나 가이딩될 수 있다.
또 다른 변형에서, 카트리지 어셈블리나 액츄에이터(360)는 진동 버튼, 키, 터치 패드, 마우스, 또는 다른 인터페이스에 햅틱 응답을 제공하여 사용되기 위해 대체될 수 있다. 그러한 실시예에서, 액츄에이터(360)의 연결은 비압축성 출력 기하학적 구조를 이용한다. 이 변형은 출력 기하학적 구조로 몰딩된 비압축성 재료를 사용함으로써 전기활성 폴리머 다이아프램 카트리지의 본딩된 센터 압축으로부터 대안으로 제공된다.
센터 디스크를 갖지 않는 전기활성 폴리머 액츄에이터에서, 액츄에이션은 스트레스와 스트레인(변위) 양쪽을 감소시키는 전극 기하학적 구조의 중앙에서 비활성 필름의 조건을 변화시킨다. 이 감소는 필름의 평면의 모든 방향에서 발생하고 단지 단일 방향은 아니다. 전기활성 폴리머의 디스차지된 후 비활성 필름은 오리지날 스트레스와 스트레인 에너지 상태로 리턴한다. 전기활성 폴리머 액츄에이터는 비압축성 재료(압력 아래의 대체로 일정 볼륨을 갖는 것)로 구성될 수 있다. 액츄에이터(360)는 센터 디스크를 대체하는 비활성부(365)에서 액츄에이터(360)의 중앙에 비활성 필름 영역에 본딩된 비압축성 출력 패드(368a, 368b)로 어셈블링된다. 이 구성은 비활성부(365)를 갖는 그것의 인터페이스에 출력 패드를 압축함으로써 에너지를 전달하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 출력 패드(368a 및 368b)를 팽창하여 플랫 필름에 직각의 방향으로 액츄에이션을 생성한다. 비압축성 기하학적 구조는 다양한 표면에 제약을 더함으로써 더 향상되어 액츄에이션 동안 그 변화의 방향을 제어한다. 상기 실시예에 대해 비컴플라이언트 보강재를 더하는 것은 출력 패드의 상면을 압축해서 출력 패드의 소망하는 디멘션에 기하학적 구조 변화를 포커싱하는 그것의 디멘션을 변경함으로부터 상부 표면을 방지한다.
상기 기재된 변형은 액츄에이션의 전기활성 폴리머 유전체 엘라스토머의 2축 스트레스와 스트레인 상태 변화를 연결; 직각의 액츄에이션을 액츄에이션의 방향에 전송하고; 실행을 최적화하기 위해 비압축성 기하학적 구조로 디자인할 수도 있다. 상기 기재된 변형은 어떤 햅틱 피드백(마우스, 제어러, 스크린, 패드, 버튼, 키보드, 등)을 위해 다이아프램, 평면, 관성 구동, 두께 모드, 하이브리드(부착된 디스클로져에 기재된 평면과 두께 모드의 결합), 롤까지를 포함하는 다양한 트랜스듀서 플랫폼을 포함할 수 있다. 이들 변형은 사용자 접촉 표면, 예컨대 터치 스크린, 키패드, 버튼 또는 키 캡, 또는 전체 장치의 이동의 특정한 부위로 이동할 수 있다.
장치 이행 차이는 다른 EAP 플랫폼을 요구할 수 있다. 예컨대, 일실시예에서, 두께 모드 액츄에이터의 스트립은 터치 스크린에 대해 플레인 외부의 동작을 제공하거나, 키보드 상에 버튼에 대한 키 클릭 감각을 제공하기 위한 하이브리드나 평면의 액츄에이터, 마우스와 제어러에 럼블러 피드백을 제공하기 위한 관성 구동 디자인일 수 있다.
도 27a는 다양한 사용자 인터페이스 장치와 햅틱 피드백을 제공하기 위해 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다. 이 변형에서, 매스나 중량(262)은 전기활성 폴리머 액츄에이터(30)에 연결된다. 예시된 폴리머 액츄에이터는 필름 카트리지 액츄에이터를 포함하지만 장치의 대안의 변형은 상기 기재된 EAP 특허와 응용에 기재된 바와 같이 스프링 편향된 액츄에이터를 이용할 수 있다.
도 27b는 도 27a의 트랜스듀서 어셈블리의 분해도를 예시한다. 예시된 바와 같이 내부 트랜스듀서 어셈블리(260)는 2개의 액츄에이터(30) 사이에 샌드위칭된 매스(262)를 포함한다. 그러나, 장치의 변형은 매스의 한 측면에 의도된 응용에 의존되는 하나 이상의 액츄에이터를 포함한다. 예시된 바와 같이, 액츄에이터는 관성 질량(262)에 연결되고 베이스플레이트나 플랜지를 통해 확보된다. 액츄에이터(30)의 액츄에이션은 액츄에이터에 비교되는 x-y 방향으로 매스의 이동의 원인이다. 추가 변형에서, 액츄에이터는 매스(262)의 정상이나 z축 이동을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 27c는 도 27a의 관성 트랜스듀서 어셈블리(260)의 측면도를 예시한다. 이 예시에서, 어셈블리는 액츄에이터(30)와 관성 질량(262)을 둘러싸는 센터 하우징(266)과 상부 하우징(268)과 함께 도시된다. 또한, 어셈블리(260)는 하우징과 액츄에이터 내에 개구부나 바이어스(24)를 통해 연장가능한 고정 수단이나 파스너(270)와 함께 도시된다. 바이어스(24)는 다수 기능을 제공할 수 있다. 예컨대, 바이어스는 마운팅 목적만일 수 있다. 대안으로 또는 조합으로 바이어스 액츄에이터를 회로 보드, 플렉스 회로나 기계적 그라운드에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 27d는 관성 질량(도시 생략)이 하우징 어셈블리(264, 266, 및 268) 내에 위치되는 도 27c의 관성 트랜스듀서 어셈블리(260)의 사시도를 예시한다. 하우징 어셈블리의 부분은 다수 기능을 제공할 수 있다. 예컨대, 기계적 서포트와 마운팅과 부착 특성을 제공함에 더해서, 그들은 기계적 하드 스톱으로서 제공되는 특성을 통합하여 액츄에이터 카트리지를 손상시킬 수 있는 x, y, 및/또는 z방향으로 관성 질량의 과도한 동작을 방지할 수 있다. 예컨대, 하우징은 상승면을 포함하여 관성 질량의 과도한 이동을 제한할 수 있다. 예시된 실시예에서, 상승면은 바이어스(24)를 포함하는 하우징의 부분을 포함할 수 있다. 대안으로, 바이어스(24)는 선택적으로 대체되어 어떤 파스너(270)가 효과적인 스톱으로서의 기능을 통해 위치되어 관성 질량의 이동을 제한할 수 있다
하우징 어셈블리는 264와 266일 수 있고, 액츄에이터의 에지를 커버하는 통합된 립이나 연장되어 디자인되어 핸들링에 전기적인 쇼크를 방지할 수도 있다. 이들의 어떤 그리고 모든 부분은 소비자 전자 기기 장치의 하우징으로서 더 큰 어셈블리의 하우징 부분으로서도 통합될 수 있다. 예컨대, 예시된 하우징이 사용자 인터페이스 장치 내에 안전하게 되는 분리된 요소로서 도시되지만 트랜스듀서의 다른 변형은 실제 사용자 인터페이스 장치의 하우징의 전체 또는 부분인 하우징 어셈블리를 포함한다. 예를 들면, 컴퓨터 마우스의 바디는 관성 트랜스듀서 어셈블리에 대한 하우징으로서 제공되도록 구성될 수 있다.
관성 질량(262)은 다수 기능을 제공할 수도 있다. 도 27a 및 도 27b에 원형으로서 도시되는 반면에 관성 질량의 변형은 더 복잡한 형상을 갖도록 조립되어 그 동작을 x, y, 및/또는 z 방향으로 제한하여 기계적 하드 스톱으로서 제공되는 통합된 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 도 27e는 하우징(264)의 스톱이나 다른 특성을 인게이징(engage)하는 성형면(263)을 갖는 관성 질량(262)을 갖는 관성 트랜스듀서 어셈블리의 변형을 예시한다. 예시된 변형에서, 관성 질량(262)의 표면(263)은 파스너(270)를 인게이징한다. 따라서, 관성 질량(262)의 변위는 성형면(263)과 스톱 또는 파스너(270) 사이의 갭에 한정된다. 질량의 매스는 전체 어셈블리의 공명 주파수와 맞도록 선택될 수 있고 구성의 재료는 어떤 무거운 재료일 수 있지만 요구된 볼륨과 비용을 최소화하도록 선택되는 것이 바람직하다. 적절한 재료는 구리, 철, 텅스텐, 알루미늄, 니켈, 크롬, 및 황동 등의 금속과 금속 합금을 포함하고, 폴리머/금속 복합재 재료, 수지, 용액, 겔, 또는 다른 재료가 사용될 수 있다.
전기활성 폴리머 햅틱을 위한 필터 사운드 구동 파형
여기에 기재된 본 발명의 방법과 장치의 다른 변형은 피드백을 향상시키는 방법으로 액츄에이터 드라이빙을 관련시킨다. 하나의 그러한 실시예에서 햅틱 액츄에이터는 사운드 신호에 의해 드라이빙된다. 그러한 구성은 분리된 프로세서에 대한 필요를 제거하여 햅틱 감각의 다른 형태를 생성하는 파형을 발생한다. 대신, 햅틱 장치는 하나 이상의 회로를 이용하여 기존의 오디오 신호를 수정된 햅틱 신호, 예컨대 주파수 스펙트럼의 다른 부분을 필터링하거나 증폭하여 수정할 수 있다. 그러므로, 수정된 햅틱 신호는 액츄에이터를 드라이빙한다. 일실시예에서, 수정된 햅틱 신호는 전원을 드라이빙하여 액츄에이터를 트리거링하고 다른 지각 효과를 달성한다. 이 접근은 피드백을 게이밍 제어러나 휴대용 게이밍 콘솔 등의 햅틱 장치에 뮤직이나 사운드 효과로부터 강화할 수 있는 어떤 오디오 신호와 어떤 오디오 신호에 자동적으로 관련되고 동기화되는 이점을 갖는다.
도 28a는 오디오 신호를 튜닝해서 전기활성 폴리머 액츄에이터에 대해 최선의 햅틱 주파수 내에서 작업하는 회로의 하나의 실시예를 예시한다. 예시된 회로는 진폭 컷오프에 의해 오디오 신호, DC 오프셋 수정, 및 AC 파형 피크 투 피크 규모 수정을 수정하여 도 28b에 도시된 유사한 신호를 발생한다. 특정 변형에서, 전기활성 폴리머 액츄에이터는 2개의 페이즈 전기활성 폴리머 액츄에이터를 포함하고, 다른 오디오 신호는 오디오 신호의 오디오 파형의 포지티브부 필터링을 포함하여 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 제 1 페이즈를 드라이빙하고, 오디오 신호의 오디오 파형의 네거티브부를 인버팅하여 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 제 2 페이즈를 드라이빙한다. 예컨대, 사인파의 형태에서 소스 오디오 신호는 구형파(예컨대, 클리핑을 통해)로 컨버팅될 수 있어 햅틱 신호는 최대 액츄에이터 힘 출력을 발생하는 구형파이다.
다른 실시예에 있어서, 회로는 하나 이상의 정류기를 포함하여 오디오 신호의 오디오 파형의 전부 또는 일부를 사용하여 오디오 신호의 주파수를 필터링해서 햅틱 효과를 드라이빙할 수 있다. 도 28c는 오디오 신호의 오디오 파형의 포지티브부를 필터링하기 위해 디자인된 회로의 하나의 변형을 예시한다. 이 회로는 2개의 페이즈를 갖는 액츄에이터에 대한 도 28d에 도시된 회로를 갖는 또 다른 변형으로 조합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 28c의 회로는 도 28d에 도시된 회로가 오디오 파형의 네거티브부를 인버팅하여 2-페이즈 햅틱 액츄에이터의 다른 페이즈를 드라이빙할 수 있는 반면에 오디오 파형의 포지티브부를 필터링할 수 있어 액츄에이터의 하나의 페이즈를 드라이빙한다. 결과는 2개의 페이즈 액츄에이터가 더 큰 액츄에이터 실행을 갖는 것이다.
다른 실시에 있어서, 오디오 신호에서 역값이 사용되어 액츄에이터를 드라이빙하는 제 2 회로의 동작을 트리거링할 수 있다. 역값은 오디오 신호에서 진폭, 주파수, 또는 특정한 패턴에 의해 규정될 수 있다. 제 2 회로는 오실레이터 회로 세트 등의 고정된 응답을 가져서 특정한 주파수를 출력할 수 있거나 다수 규정된 트리거에 의거한 다수의 응답을 가질 수 있다. 일부 변형에서, 응답은 특정한 트리거에 의거하여 미리 결정될 수 있다. 그러한 경우에, 저장된 응답 신호는 특정한 트리거에 제공될 수 있다. 이 방법에서, 소스 신호를 수정하는 대신에 회로는 소스 신호의 하나 이상의 특성에 의거한 미리 결정된 응답을 트리거링한다. 제 2 회로는 타이머를 포함해서 제한된 지속 응답을 출력할 수 있다.
다수 시스템은 사운드(예컨대 컴퓨터, 스마트폰, PDA, 전자 게임)에 대한 능력을 갖는 햅틱의 실시로부터의 이익일 수 있다. 이 변형에서, 필터링된 사운드는 전기활성 폴리머 햅틱에 대한 드라이빙 파형으로서 제공된다. 이들 시스템에 사용되는 사운드 파일은 정상적으로 필터링되어 햅틱 피드백 액츄에이터 디자인에 대해 최선의 주파수 범위만 포함할 수 있다. 도 28e 및 28f는 마우스 바디(400) 내에 하나 이상의 전기활성 폴리머 액츄에이터(402)를 갖는 컴퓨터 마우스의 경우에 관성 질량(404)에 연결되는 장치(400)의 하나의 그러한 실시예를 예시한다.
현재 시스템은 <200㎐의 최선의 주파수에서 동작한다. 샷 건 폭발의 사운드나 문 폐쇄 사운드 등의 사운드 파형은 로우 패스 필터링되어 <200㎐인 이들 사운드로부터의 주파수만 사용되게 한다. 그 후, 이 필터링된 파형은 햅틱 피드백 액츄에이터를 드라이빙하는 EPAM 전원에 인풋 파형으로서 제공된다. 이들 실시예가 게이밍 제어러에 사용되면 샷 건 폭발과 문 폐쇄 사운드가 게임 플레이어에 강화된 경험을 제공하는 햅틱 피드백 액츄에이터와 동시일 수 있다.
기존의 사운드 신호의 하나의 변형에서 동시에 사운드를 갖는 햅틱 효과를 발생하는 방법으로서 분리되어 생성된 오디오 신호에 의해 생성되게 한다. 예컨대, 방법은 오디오 신호를 필터링 회로에 라우팅하고; 오디오 신호를 변경하여 기결정된의 주파수 아래의 주파수 범위를 필터링하여 햅틱 구동 신호를 생성하고; 햅틱 구동 신호를 전원에 제공하여 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 연결하여 전원이 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 액추에이팅하여 오디오 신호에 의해 생성된 사운드에 동시에 햅틱 효과를 구동하는 것을 포함할 수 있다.
방법은 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 구동하여 사운드 효과와 햅틱 응답 양쪽을 동시에 생성되게 하는 것을 더 포함할 수 있다.
도 29a내지30b는 트랜스듀서의 구조를 사용함으로써 트랜스듀서에 전력을 공급해서 정상(프리액티베이팅) 상태에서 트랜스듀서 언파워로 남아있는 하나 이상의 트랜스듀서를 구동하는 다른 변형을 예시한다. 아래의 기재는 여기에 기재된 어떤 디자인으로 통합될 수 있다. 트랜스듀서를 구동하기 위한 장치 및 방법은 사용자 인터페이스 장치의 바디나 섀시의 프로파일을 줄이기 위해 시도할 때 특히 유용하다.
제 1 실시예에서, 사용자 인터페이스 장치(400)는 복잡한 스위칭 메커니즘을 요구하는 것 없이 사용자 인터페이스 면(402)에 햅틱 효과를 생성하기 위해 구동될 수 있는 하나 이상의 전기활성 폴리머 트랜스듀서나 액츄에이터(360)를 포함한다. 대신, 다수 트랜스듀서(360)는 하나 이상의 전력 공급기(380)에 의해 작동된다. 예시된 실시예에서, 트랜스듀서(360)는 상술된 바와 같이 두께 모드 트랜스듀서뿐만 아니라 참조 문헌에 의해 사전 통합되는 응용이다. 그러나, 이 변형에 대해 나타내는 개념은 다수의 다른 트랜스듀서 디자인에 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 액츄에이터(360)는 각 트랜스듀서(360)에 연결로서 제공되는 하나 이상의 그라운드 버스 라인(382)을 갖는 고전압 전원(380)을 포함하는 오픈 회로를 포함하는 층에 스택될 수 있다. 그러나, 장치(400)가 구성되어 스탠바이 상태에서 각 액츄에이터(360)는 전원(380)을 형성하는 회로가 오픈되어 있기 때문에 언파워 상태로 남아있다.
도 29b는 도 29a에 도시된 바와 같이 트랜스듀서(360)와 함께 단일 사용자 인터페이스 면(420)을 도시한다. 버스 라인(382)과 전원(380) 사이의 연결을 완료하기 위해 사용자 인터페이스 면(402)은 하나 이상의 전도성 표면(404)을 포함한다. 이 변형에서, 전도성 표면(404)은 사용자 인터페이스(402)의 바닥면을 포함한다. 트랜스듀서(360)는 출력 부재(370)의 도전면이나 트랜스듀서(360)의 다른 부분도 포함할 것이다.
도 29c에 도시된 바와 같이 트랜스듀서(360)를 가동시키기 위해 사용자 인터페이스 면(402)이 트랜스듀서(360)에 반사될 때 2개의 전도성부는 전기적으로 연결되어 회로를 닫는다. 이 동작은 전원(380)의 회로를 완료한다. 또한, 사용자 인터페이스 면(402)을 디프레싱하는 것은 트랜스듀서(360)를 갖는 갭을 폐쇄하지 않고, 또한 장치(400)를 갖는 스위치를 폐쇄하기 위해 사용되어 표면(402)이 가동되는 것을 알 수 있다.
이 구성의 한가지 이점은 모든 트랜스듀서(360)가 작동되는 것은 아니다. 대신, 오직 회로가 완료된 각각의 사용자 인터페이스 면의 그들의 트랜스듀서만 작동된다. 이 구성은 전력 소비를 최소화하고 어레이에서 액츄에이터(360) 사이의 누화를 제거할 수 있다. 이 구성은 매우 얇은 키패드와 키보드를 위해 그러한 장치에 대해 통상적으로 사용되는 금속성이나 탄성 돔(dome) 형태 스위치의 필요를 제거하게 한다.
도 30a 및 30b는 임베딩된 스위치로서 구성된 전기활성 폴리머 트랜스듀서(360)를 갖는 사용자 인터페이스 장치(400)의 다른 변형을 예시한다. 도 30a에 도시된 변화에서 트랜스듀서(360)와 사용자 인터페이스 면(402) 사이의 제 1 갭(406)과 트랜스듀서(360)와 섀시(404) 사이의 제 2 갭(408)이 있다. 이 변형에서, 도 30b에 도시된 바와 같이 사용자 인터페이스 면(402)을 디프레싱하는 것은 제 1 스위치를 닫거나 사용자 인터페이스 면(402)과 트랜스듀서(360) 사이의 닫힌 회로를 확립한다. 이 회로를 닫는 것은 고전압 전원(도 30a에 도시 생략)으로부터 전기활성 폴리머 트랜스듀서(360)에 전력의 라우팅을 한다. 사용자 인터페이스 면(402)의 지속된 압박은 장치(400)의 섀시(404)에 위치되는 추가 스위치와 함께 접촉하는 트랜스듀서(360)를 드라이빙한다. 후자의 연결은 고전압 전원을 가능하게 하는 장치(400)에 인풋을 가능하게 해서 트랜스듀서(360)를 가동시켜 사용자 인터페이스 면(402)에 햅틱 감각이나 촉각 피드백을 생성한다. 트랜스듀서(350)와 섀시(404) 사이의 연결을 릴리징하면 개방된다[갭(408)을 확림합]. 이 동작은 장치(400)에 신호를 컷오프해서 고전압 전원을 효과적으로 터닝 오프하고 액츄에이터에 어떤 햅틱 효과를 생성하는 것으로부터 방지한다. 사용자 인터페이스 면(402)의 지속적인 릴리징은 사용자 인터페이스 면(402)을 트랜스듀서(360)로부터 분리하여 갭(406)을 확립한다. 이 후자의 스위치의 오프닝은 트랜스듀서(360)를 전원으로부터 효과적으로 분리한다.
상술되는 변형에서, 사용자 인터페이스 면은 키보드(예컨대, QWERTY 키보드, 또는 인풋 키보드나 패드의 다른 형태)의 하나 이상의 키를 포함할 수 있다. EPAM의 액츄에이션은 버튼 클릭 촉각 피드백을 제공하여 현재 돔 키의 키 압박을 대체한다. 그러나, 구성은 키보드, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스, 제어 패널, 또는 햅틱 피드백 감각으로부터 이익이 있는 어떤 다른 장치를 포함하지만 한정되지 않는 어떤 사용자 인터페이스 장치에서 이용될 수 있다.
상기 기재된 구성의 또 다른 변형에서, 하나 이상 갭의 닫힘은 오픈 저전압 회로를 닫을 수 있다. 그 후, 저전압 회로는 스위치를 트리거링하여 고전압 회로에 전력을 제공한다. 이러한 방법으로, 고전압 전력은 트랜스듀서가 회로를 완료하기 위해 사용될 때 오직 고전압 회로와 트랜스듀서에 걸쳐 제공된다. 저전압 회로가 오픈되어 있기 때문에 고전압 전원은 연결되어 있고 트랜스듀서는 언파워되어 있다.
카트리지의 사용은 전기적인 스위치의 임베딩을 위해 사용자 인터페이스 면의 전체 디자인으로 할 수 있고, 전통적인 돔 스위치를 사용할 필요를 제거하여 인터페이스 장치에 대해 인풋 신호를 액티베이팅(즉, 장치가 키의 인풋을 알게 됨)할뿐만 아니라 키에 대한 햅틱 신호를 액티베이팅한다(즉, 키의 선택으로 결합된 햅틱 감각을 생성함). 임의 수의 스위치는 그러한 구성이 디자인의 제약 내에서 커스터마이즈가능한 각 키 압박으로 닫힐 수 있다.
임베딩된 액츄에이터 스위치는 키를 구성함으로써 각 햅틱 이벤트를 라우팅할 수 있어 각 압박은 액츄에이터가 전력을 공급하는 전원으로 회로를 완료한다. 이 구성은 키보드에 대한 전기 요구를 단순화한다. 각 키에 대한 햅틱을 드라이빙하도록 요구되는 고전압 전력은 전체 키보드에 대한 고전압 전원에 의해 공급될 수 있다. 그러나, 임의 수의 전원은 디자인으로 통합될 수 있다.
이들 디자인에 사용될 수 있는 EPAM 카트리지는 평면, 다이아프램, 두께 모드, 및 비활성 연결되는 장치(하이브리드)를 포함한다.
또 다른 변형에서, 임베딩된 스위치 디자인은 전통적인 돔 형태 스위치(예컨대, 고무 돔이나 금속 플렉서블 스위치) 등의 쌍안정 스위치의 모방킹(mimicking)도 고려한다. 하나의 변형에서, 사용자 인터페이스 면은 상술된 바와 같이 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 반사한다. 그러나, 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성화는 딜레잉된다. 그러므로, 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 지속적인 편향은 사용자 인터페이스 면에서 사용자에 의해 느껴지는 저항력을 증가시킨다. 저항은 트랜스듀서 내에서 전기활성 폴리머 필름의 변형에 의한 것이다. 그 후, 트랜스듀서가 디플렉팅된 후 미리 결정된 편향이나 시간의 지속은 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 액티베이팅되어 사용자 인터페이스 면에서 사용자에 의해 느껴지는 저항이 변화된다(통상적으로 감소됨). 그러나, 사용자 인터페이스 면의 변위는 지속될 수 있다. 그러한 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성화의 딜레이는 쌍안정 실행 전통적인 돔이나 플렉서블 스위치를 모방한다.
도 31a는 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성화를 딜레잉하여 쌍안정 효과를 생성하는 그래프를 예시한다. 예시된 바와 같이, 라인(101)은 디플렉팅되지만 트랜스듀서의 활성화가 딜레잉되는 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 비활성 강성 곡선을 도시한다. 라인(102)은 액티베이팅되면 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성 강성 곡선을 도시한다. 라인(103)은 비활성 강성 곡선을 따라 이동한 후 가동된 때 강성이 활성 강성 곡선(192)을 따라 드롭되는 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 포스 프로파일을 도시한다. 일실시예에서, 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 스트로크의 중앙의 어딘가에 작동된다.
라인(103)의 프로파일은 고무 돔이나 금속 플렉서블 쌍안정 메커니즘의 유사한 프로파일 트랙킹 강성에 매우 인접하다. 도시된 바와 같이, EAP 액츄에이터는 고무 돔의 포스 프로파일을 시뮬레이팅하기에 적절하다. 비활성과 활성 곡선 사이의 차이는 더 큰 갭을 의미하는 느낌에 주로 공헌할 것이고, 더 큰 기회와 더 강한 감각일 것이다.
소망하는 곡선이나 응답을 달성하기 위해 곡선과 메커니즘의 형상은 액츄에이터 형태의 독립일 수 있다. 추가적으로, 액츄에이터의 어떤 형태의 활성화 응답(예컨대, 다이아프램 액츄에이터, 두께 모드, 하이브리드, 등.)은 소망하는 햅틱 효과를 제공하도록 채용될 수 있다. 그러한 경우에, 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 어플라잉 전압에 의해 출력 재활성 포스를 변경하는 다양한 스프링으로서 기능한다. 도 31b는 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 액티베이팅에 딜레이를 사용하는 상기 기재된 액츄에이터의 변형에 의거한 추가 그래프를 예시한다.
전기활성 폴리머 트랜스듀서를 드라이빙하기 위한 다른 변형은 역값 인풋 신호가 정해진 저장된 파형의 사용을 포함한다. 인풋 신호는 오디오나 다른 트리거링 신호를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 32에 도시된 회로는 저장된 파형을 트리거로서 제공하는 오디오 신호를 예시한다. 다시, 시스템은 오디오 신호를 대신하여 트리거링이나 다른 신호를 사용할 수 있다. 이 방법은 오디오 신호로부터 직접 액츄에이터를 단순히 드라이빙하여 사용하기보다는 하나 이상의 미리 결정된 파형으로 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 드라이빙한다. 액츄에이터를 드라이빙하는 이 모드의 한가지 이점은 최소의 메모리와 복잡성으로 복합 파형의 생성과 액츄에이터 실행을 가능하게 하는 것이다. 액츄에이터 실행은 아날로그 오디오 신호를 사용하기 보다는 액츄에이터에 대해 최적화된 구동 펄스를 사용함으로써 향상될 수 있다(예컨대 바람직한 전압이나 펄스 폭이나 저항을 러닝함). 액츄에이터 응답은 인풋 신호와 동기화될 수 있거나 딜레잉될 수 있다. 일실시예에서, a.25v 트리거 역값은 트리거로서 사용될 수 있다. 그 후, 이 로우 레벨 신호는 하나 이상의 펄스 파형을 생성할 수 있다. 또 다른 변형에서, 이 드라이빙 기술은 동일 인풋이나 트리거링 신호의 사용을 잠재적으로 가능하게 하여 임의 수의 조건에 의거한 다른 출력 신호를 갖게 할 수 있다(예컨대, 사용자 인터페이스 장치의 위치 등 사용자 인터페이스 장치의 상태, 장치에 러닝되는 프로그램 등).
도 33a 및 33b는 동일 구동 회로를 갖는 2개의 페이즈 활성화를 제공함으로써 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 드라이빙하기 위한 또 다른 변형을 예시한다. 도시된 바와 같이, 2개의 페이즈 트랜스듀서로 리딩되는 3개 전력 중 페이즈의 하나에 리드 온되는 하나는 고전압으로 일정하게 유지되고, 다른 페이즈의 리드 온되는 하나는 그라운딩되고, 양 페이즈에 공통으로 리딩되는 세 번째는 고전압에 그라운딩으로부터 전압에서 변화하도록 드라이빙된다. 이것은 하나의 페이즈의 활성화가 액츄에이터의 스냅 스루(snap-through) 실행을 향상시키기 위해 2개의 페이즈의 탈활성으로 동시에 발생하게 한다.
또 다른 변형에서, 여기에 기재된 바와 같이 사용자 인터페이스 면 상에 햅틱 효과는 사용자 인터페이스 면의 기계적 행동에 대해 조절됨으로써 향상될 수 있다. 예컨대, 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 햅틱 신호를 터치스크린으로 드라이빙하는 변형에서 햅틱 효과 후에 사용자 인터페이스 면의 소망하는 이동을 제거할 수 있다. 장치가 터치 스크린을 포함할 때, 통상적으로 스크린(즉, 사용자 인터페이스 면)의 이동은 터치스크린의 플레인이나 플레인 외부의(예컨대, z-방향)에 발생한다. 어느 경우에나, 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 임펄스(502)에 의해 드라이빙되어 도 34b에 개략적으로 예시된 바와 같이 햅틱 응답을 발생한다. 그러나, 결과로서 이동은 사용자 인터페이스 면(예컨대, 터치스크린)의 변위를 예시하는 사용자 인터페이스 면(예컨대, 터치스크린)의 변위를 예시하는 도 34b의 그래프에 도시된 바와 같이 느린 기계적 링잉(ringing)이나 움직임(500)에 의해 팔로잉될 수 있다. 햅틱 효과를 향상시키기 위해 햅틱 효과의 드라이빙 방법은 복합 파형의 사용을 포함해서 전자 댐프닝을 발생하여 사실적인 햅틱 효과를 발생한다. 그러한 파형은 햅틱 드라이빙부(502)뿐만 아니라 댐프닝부(504)를 포함한다. 햅틱 효과가 상술된 바와 같이 "키 클릭"을 포함하는 경우에, 전자 댐프닝 파형은 느린 효과를 제거하거나 감소시켜 더 사실적인 감각을 생성할 수 있다. 예컨대, 도 34a 및 34c의 변위 커브는 키 클릭을 에뮬레이팅하려할 때 변위 커브를 예시한다. 그러나, 임의 수의 햅틱 감각은 감각의 전자 댐핑을 사용해서 향상될 수 있다.
도 35는 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 동작하기 위한 에너지 생성의 실시예를 예시한다. 다수 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 고전압 전자 기기를 요구하여 전기를 발생한다. 간단히, 고전압 전자 기기는 기능과 보호를 제공하는 필요이다. 기본 트랜스듀서 회로는 저전압 프라이밍 서플라이, 연결 다이오드, 전기활성 폴리머 트랜스듀서, 제 2 연결 다이오드, 및 고전압 콜렉터 서플라이로 구성된다. 그러나, 그러한 회로는 소망하는 더 큰 에너지당 사이클만큼 캡춰링에 효과적이지 않을 것이고, 비교적 높은 전압 프라이밍 서플라이를 요구한다.
도 35는 간단한 전력 생성 회로 디자인을 예시한다. 이 회로의 한가지 이점은 디자인의 간단함에 있다. 오직 작은 스타팅 전압(대략 9볼트)이 제너레이터 작동(기계력 힘이 어플라잉되는 것으로 가정됨)에 필요하다. 어떤 관리 수준 전자 기기도 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 내외부에 고전압의 전송을 제어할 필요가 없다. 비활성 전압 조절은 회로의 출력에 대해 제너 다이오드에 의해 달성된다. 이 회로는 고전압 DC 전력을 생성할 수 있고, 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 그램 당 대략 0.04-0.06 줄의 에너지 밀도 레벨에서 동작할 수 있다. 이 회로는 보통의 전력을 생성하고 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 가능성을 설명함에 대해서 적절하다. 예시된 회로는 전하 전송 기술을 사용해서 지속적으로 간단함을 유지하면서 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 기계적 사이클 당 에너지 전송을 최대화한다. 추가 이익은 초저전압("예컨대, 9 볼트)을 갖는 셀프 프라이밍을 얼로잉하고; 양쪽의 다양한 주파수와 다양한 스트로크 동작하고; 간단한 전자(즉 제어 시퀀스를 요구하지 않는 전자)의 사이클 당 에너지 전송을 최대화하고; 다양한 주파수와 다양한 스트로크 응용에서 양쪽을 동작하고; 트랜스듀서에 과전압 보호를 제공하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 상세한 설명을 위해, 재료, 및 대안의 관련된 구성이 통상의 기술자 수준 내에서 이용될 수 있다. 마찬가지로 통상적으로나 논리적으로 이용되는 바와 같은 추가에 대해서 본 발명의 실시형태에 의거한 방법에 대해 사실일 수 있다. 또한, 본 발명은 선택적으로 다양한 특성을 통합하는 몇몇 실시예를 참조해서 기재되었지만 본 발명은 본 발명의 각 변형에 대해 고려되므로 기재되거나 지시되는 것에 한정되지 않는다. 다양한 변경이 기재된 본 발명으로 이루어지거나 등가물(일부 간결성을 위해 여기에 나열되거나 포함되지 않은)이 본 발명의 진정한 사상과 범위로부터 벗어남이 없이 대체될 것이다. 도시된 임의 수의 개별 부분이나 서브어셈블리가 그들의 디자인에 통합될 수 있다. 그러한 변화나 다른 것이 어셈블리를 위한 디자인의 원칙에 의해 동의되거나 가이딩될 수 있다.
또한, 기재된 본 발명의 변형의 어떤 선택적인 특성이 독립적으로 또는 여기에 기재된 특성의 어떤 하나 이상과 결합하여 설명하고 주장될 수 있는 것이 고려된다. 단일 항목을 참조하면 복수의 현재의 동일한 항목이 있는 가능성을 포함한다. 보다 구체적으로, 여기에 사용되고 추가로 주장된 바와 같이, 단수의 표현은 특별히 설명되지 않으면 복수의 관계를 포함한다. 다시 말하면, 항목의 사용은 상기 명세서에서 서브젝트 항목뿐만 아니라 또한 아래 청구범위의 기재에서 "하나 이상"을 고려한다. 청구범위는 어떤 선택적인 요소를 포함하는 초안일 수 있는 것에 더 주목한다. 그러한 바와 같이, 이 명세서는 "오로지," "오직" 등의 그러한 독점적인 용어, 및 주장 요소의 설명과 함께 연결 등 또는 사용 "부정적인" 제한의 사용에 대한 선행 조건의 기초로서 제공하도록 의도된다. 그러한 독점적인 용어의 사용없이 청구 범위에서 "포함하는" 용어는 정해진 수의 요소가 청구범위에서 열거되는지에 관계없이 어떤 추가 요소의 포함을 고려하고, 추가 특성은 청구 범위에서 설명되는 요소의 특성을 전달함으로써 참조될 수 있다. 달리 설명하면, 특히 여기에 기재되어 있지 않으면 여기에 사용된 모든 기술 및 과학적 용어는 가능한 타당성 주장을 유지함으로써 광범위하게 통상적으로 이해하는 방법으로서 주어질 것이다.

Claims (24)

  1. 섀시;
    사용자 인터페이스 면;
    제 1 전원; 및
    상기 사용자 인터페이스 면에 인접하고, 도전면을 더 포함하는 적어도 하나의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하고,
    상기 도전면 및 상기 사용자 인터페이스 면의 일부는 상기 제 1 전원을 갖는 회로를 형성하며, 정상 상태에서 상기 도전면은 상기 사용자 인터페이스 면의 일부로부터 전기 절연되어 상기 회로를 개방시킴으로써, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 전력을 공급받지 않는 상태로 유지되도록 하고,
    상기 사용자 인터페이스 면은 상기 섀시에 유연하게 연결되어, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서로의 상기 사용자 인터페이스 면의 편향이 상기 회로를 닫아서 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 에너지를 공급하고, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 제공된 신호가 상기 사용자 인터페이스 면에서 햅틱 감각을 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전원은 고전압 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 복수의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하고,
    각각의 전기활성 폴리머 트랜스듀서는, 상기 도전면으로의 하나의 사용자 인터페이스 면의 편향에 의해 각각의 전기활성 폴리머 트랜스듀서 및 도전면이 닫힌 회로를 형성하고 나머지 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 전력을 공급받지 않는 상태로 유지되도록, 사용자 인터페이스 면에 인접하고 각각의 도전면을 갖는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 장치는 키보드, 키패드, 게임 제어러, 리모트 제어, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스, 제어 패널 및 조이스틱으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 면은 버튼, 키, 게임 패드 및 디스플레이 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전원은 저전압 전원을 포함하고,
    상기 사용자 인터페이스 장치는 스위치에 연결된 고전압 전원을 더 포함하여, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서 및 상기 도전면의 편향은 상기 스위치를 닫음으로써 상기 고전압 전원이 상기 전기활성 폴리머 액츄에이터에 에너지를 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 면의 편향은 상기 사용자 인터페이스 면에 대하여 수직 방향으로 발생되는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 면의 편향은 상기 사용자 인터페이스 면에 대하여 평면 방향으로 발생되는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  9. 섀시;
    제 1 전원;
    사용자 인터페이스 면; 및
    상기 사용자 인터페이스 면에 연결되고, 상기 제 1 전원을 갖는 회로를 형성하는 도전면을 더 포함하며, 정상 상태에서 상기 도전면은 상기 회로로부터 전기 절연되어 상기 회로를 개방시킴으로써, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 전력을 공급받지 않는 상태로 유지되도록 하는 적어도 하나의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하고,
    상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 섀시에 유연하게 연결되어, 상기 사용자 인터페이스 면의 편향은 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 편향시켜 상기 제 1 전원의 회로와 접촉시킴으로써, 상기 회로를 닫고 상기 전기활성 폴리머 액츄에이터에 에너지를 공급하여, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 제공된 신호가 상기 사용자 인터페이스 면에서 햅틱 감각을 생성하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 전원은 고전압 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 복수의 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 포함하고,
    각각의 전기활성 폴리머 트랜스듀서는, 상기 도전면으로의 하나의 사용자 인터페이스 면의 편향에 의해 각각의 전기활성 폴리머 트랜스듀서 및 도전면이 닫힌 회로를 형성하고 나머지 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 전력을 공급받지 않는 상태로 유지되도록, 사용자 인터페이스 면에 인접하고 각각의 도전면을 갖는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 장치는 키보드, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스, 제어 패널 및 조이스틱으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 면의 편향은 상기 사용자 인터페이스 면에 대하여 수직 방향으로 발생되는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 면의 편향은 상기 사용자 인터페이스 면에 대하여 평면 방향으로 발생되는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 장치.
  15. 쌍안정 스위치 효과를 모방하는 햅틱 효과를 사용자 인터페이스 장치에서 생성하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 전기활성 폴리머 필름을 포함하는 전기활성 폴리머 트랜스듀서가 연결된 사용자 인터페이스 면을 제공하는 단계;
    상기 전기활성 폴리머 필름을 이동시키고 상기 전기활성 폴리머 필름에 의해 상기 사용자 인터페이스 면에 작용되는 저항력을 증가시키는 변위 양만큼 상기 사용자 인터페이스 면을 이동시키는 단계;
    상기 전기활성 폴리머 필름의 이동 도중, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서의 활성화를 지연시키는 단계; 및
    상기 쌍안정 스위치 효과를 모방하는 햅틱 효과를 생성하기 위해, 변위 양을 감소시키지 않으면서 상기 저항력을 변화시키도록 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 활성화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 효과 발생 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머의 활성화를 지연시키는 단계는 기결정된 시간 후에 발생되는 것을 특징으로 하는 햅틱 효과 발생 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기활성 폴리머의 활성화를 지연시키는 단계는 상기 전기활성 폴리머 필름의 기결정된 이동 후에 발생되는 것을 특징으로 하는 햅틱 효과 발생 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 장치는 돔 작동 장치를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 햅틱 효과 발생 방법.
  19. 사용자 인터페이스 장치에서 기결정된 햅틱 효과를 생성하는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 기결정된 햅틱 파형 신호를 생성하도록 구성된 파형 회로를 제공하는 단계;
    상기 파형 회로에 신호를 라우팅하여, 상기 신호가 트리거링 값과 같을 때, 상기 파형 회로가 상기 햅틱 파형 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 햅틱 파형 신호에 의해 제어되는 복합 햅틱 효과를 발생시키도록 전원이 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 구동하기 위해, 상기 햅틱 파형 신호를 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 연결된 전원에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 효과 생성 방법.
  20. 사용자 인터페이스 면을 갖는 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 피드백 감각을 생성하는 방법에 있어서,
    구동 회로로부터 전기활성 폴리머 트랜스듀서로 입력 신호를 송신하는 단계로서, 상기 입력 신호는, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서를 활성화시키고 상기 사용자 인터페이스 면에 상기 햅틱 피드백 감각을 제공하는 단계; 및
    요구되는 햅틱 피드백 감각 후, 상기 사용자 인터페이스 면의 기계적인 이동을 감소시키기 위해 감쇠 신호를 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 감각 생성 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 햅틱 효과 감각은 쌍안정 키-클릭 효과를 모방하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 감각 생성 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 장치는 키보드, 키패드, 게임 제어러, 리모트 제어, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스, 제어 패널 및 조이스틱으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 감각 생성 방법.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 면은 버튼, 키. 게임 패드 및 디스플레이 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 감각 생성 방법.
  24. 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 피드백을 생성하는 방법에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스 장치를 전기활성 폴리머 트랜스듀서에 제공하는 단계로서, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 제 1 위상 및 제 2 위상을 갖고, 상기 전기활성 폴리머 트랜스듀서는 상기 제 1 위상에 공통된 제 1 리드, 상기 제 2 위상에 공통된 제 2 리드 및 상기 제 1 위상과 제 2 위상에 공통된 제 3 리드를 포함하는 단계;
    상기 제 2 리드를 접지 상태로 유지하면서, 제 1 리드를 고전압으로 유지하는 단계; 및
    각각의 다른 위상이 비활성화되는 경우, 상기 제 1 위상 또는 상기 제 2 위상이 활성화될 수 있도록 하기 위해, 상기 접지 상태로부터 상기 고전압으로 변화되도록 상기 제 3 리드를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 피드백 생성 방법.
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