KR20120098725A - 햅틱 피드백을 위한 굴곡 조립체 및 고정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 감각 피드백을 제공하기 위한 전기활성 중합체 트랜스듀서를 포함하지만 이에 제한되지 않는 액추에이터들에 의해 구동되는 컴포넌트들을 보조하기 위한 굴곡 조립체들의 이용에 관한 방법들 및 장치들을 제공한다. 본 발명은 컴퓨터, 전화, PDA, 비디오 게임 콘솔, GPS 시스템, 키오스크 응용 등을 위한 터치 패드, 터치 스크린 또는 키 패드 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 유형의 사용자 인터페이스 장치에서 이용될 수 있다.
Description
<관련출원>
본 출원은 그 전체가 참고로 통합된 "Flexure Assemblies and Fixtures for Haptic Feedback Devices"라는 표제의 2009년 10월 19일에 출원된 미국 가출원 번호 61/253,007의 정식 출원이다.
<발명의 분야>
본 발명은 감각 피드백을 제공하는 전기활성 중합체 트랜스듀서(electroactive polymer transducers)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 액추에이터들에 의해 구동되는 컴포넌트들을 보조하기 위한 굴곡 조립체의 사용에 관한 것이다.
현재 사용되는 막대한 각종 장치들은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위해 한 종류 또는 또 다른 종류의 액추에이터들에 의지한다. 반대로, 많은 전력 생성 응용들은 기계 액션을 전기 에너지로 변환하는 것에 의해 동작한다. 이러한 방식으로 기계 에너지를 얻기 위해 이용되는, 동일한 유형의 액추에이터를 제너레이터라고 지칭할 수 있다. 마찬가지로, 그 구조가 진동 또는 압력과 같은 물리적 자극을 측정을 위한 전기 신호로 변환하는 데 이용될 때, 그것은 센서로 간주될 수 있다. 그러나, 그 장치들 중 임의의 것을 일반적으로 지칭하기 위해 "트랜스듀서"라는 용어가 사용될 수 있다.
트랜스듀서의 제조를 위해, 다수의 디자인 고려 사항들이 "전기활성 중합체"(EAP)라고도 하는, 진보된 유전체 탄성체 재료(dielectric elastomer materials)의 선택 및 사용을 지지한다. 이들 고려 사항들은 포텐셜 포스(potential force), 전력 밀도, 전력 변환/소비, 사이즈, 중량, 비용, 응답 시간, 듀티 사이클, 서비스 요건, 환경 영향 등을 포함한다. 따라서, 많은 응용들에서, EAP 기술은 압전, 형상 기억 합금(SMA) 및 모터 및 솔레노이드와 같은 전자기 장치들에 대한 이상적인 대체물을 제공한다.
EAP 장치들 및 그 응용들의 예들은 미국 특허 번호 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; 및 미국 공개 특허 출원 번호 2009/0001855; 2009/0154053; 2008/0180875; 2008/0157631; 2008/0116764; 2008/0022517; 2007/0230222; 2007/0200468; 2007/0200467; 2007/0200466; 2007/0200457; 2007/0200454; 2007/0200453; 2007/0170822; 2006/0238079; 2006/0208610; 2006/0208609; 및 2005/0157893, 및 2009년 1월 22일에 출원된 미국 출원 번호 12/358,142; PCT 출원 번호 PCT/US10/26829; PCT 공개 번호 W0 2009/067708; W0 2010/054010; 및 W0 2010/085575에 기재되어 있고, 그 전체가 참고로 여기에 통합된다.
EAP 트랜스듀서는 변형 가능한 특성을 갖고 얇은 탄성체 유전체 재료에 의해 분리된 2개의 전극을 포함한다. 그 전극들에 전압 차이가 인가될 때, 정반대로 대전된 전극들은 서로를 끌어당겨 그들 사이의 중합체 유전체 층을 압축한다. 전극들이 서로 더 가까이 당겨질 때, 유전체 중합체 막은 평면 방향들로(x 및 y 축들을 따라) 확장하면서 더 얇아진다(z축 성분 수축)(즉, 막의 변위(displacement)는 면내(in-plane)이다). EAP 막은 또한 막 구조에 직각인 방향으로(z 축을 따라) 움직임을 생성하도록 구성될 수도 있다(즉, 막의 변위는 면외(out-of-plane)이다). 미국 공개 특허 출원 번호 2005/0157893은 면외 변위를 제공하고, 표면 변형 또는 두께 모드 편향(thickness mode deflection)이라고도 지칭되는, EAP 막 구조를 개시하고 있다.
EAP 막의 재료 및 물리적 특성은 트랜스듀서가 겪는 표면 변형에 맞도록(customize) 변경되고 제어될 수 있다. 더 구체적으로, 중합체 막과 전극 재료 사이의 상대 탄성, 중합체 막과 전극 재료 사이의 상대 두께 및/또는 중합체 막 및/또는 전극 재료의 변하는 두께, (국지화된 활성 및 비활성 영역들을 제공하기 위한) 중합체 막 및/또는 전극 재료의 물리적 패턴, 전체로서 EAP 막에 가해지는 장력(tension) 또는 프리스트레인(pre-strain), 및 막에 인가되는 전압의 양 또는 막에 유도된 커패시턴스와 같은 인자들이 막이 활성 모드에 있을 때 막의 표면 특징들에 맞도록 제어되고 변경될 수 있다.
그러한 EAP 막들에 의해 제공된 이점들로부터 이익을 얻을 다수의 트랜스듀서 기반 응용들이 존재한다. 하나의 그러한 응용은 사용자 인터페이스 장치들에서 햅틱 피드백(사용자의 신체에 가해지는 힘들을 통하여 사용자에게 정보를 전달하는 것)을 생성하기 위해 EAP 막들을 이용하는 것을 포함한다. 전형적으로 사용자에 의해 시작된 힘에 응답하여, 햅틱 피드백을 이용하는 다수의 알려진 사용자 인터페이스 장치들이 있다. 햅틱 피드백을 이용할 수 있는 사용자 인터페이스 장치들의 예들은 키보드, 키패드, 게임 컨트롤러, 리모트 컨트롤, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스 스틱, 조이스틱 등을 포함한다. 사용자 인터페이스 표면은 장치로부터의 피드백 또는 정보에 관하여 사용자가 조작하고, 관여하고, 및/또는 관찰하는 임의의 표면을 포함할 수 있다. 그러한 인터페이스 표면들의 예들은 키(예를 들어, 키보드 상의 키들), 게임 패드 또는 버튼들, 디스플레이 스크린 등을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
이들 유형의 인터페이스 장치들에 의해 제공되는 햅틱 피드백은 진동, 펄스, 스프링 힘 등과 같은 물리적 감각의 형태이고, 그것을 사용자는 직접(예를 들어, 스크린의 터치를 통해), 간접적으로(예를 들어, 휴대폰이 지갑 또는 가방 안에서 진동하는 경우와 같은 진동 효과를 통해) 또는 (예를 들어, 압력 교란을 일으키지만 전통적인 의미에서 오디오 신호를 생성하지는 않는 움직이는 신체의 액션을 통해) 감지되는 다른 방법으로 감지한다.
종종, 햅틱 피드백을 갖는 사용자 인터페이스 장치는 사용자에 의해 시작된 액션을 "수신하는" 입력 장치뿐만 아니라 액션이 시작된 것을 나타내는 햅틱 피드백을 제공하는 출력 장치일 수 있다. 실제로, 사용자 인터페이스 장치의 일부 접촉된 또는 터치된 부분 또는 표면, 예를 들어, 버튼의 위치는 사용자에 의해 가해진 힘에 의해 적어도 하나의 자유도(degree of freedom)를 따라 변경되고, 여기서 가해진 힘은 접촉된 부분이 위치를 변경하고 햅틱 피드백을 달성하기 위하여 어떤 최소의 임계값에 도달해야 한다. 접촉된 부분의 위치의 변경의 달성 또는 등록은 사용자가 작용하는 장치의 접촉된 부분에 또한 가해지는 응답하는 힘(예를 들어, 스프링-백, 진동, 펄싱)으로 귀결되는데, 그 힘은 사용자의 터치 감각을 통하여 사용자에게 전달된다.
스프링-백, "쌍안정(bi-stable)" 또는 "2-위상(bi-phase)" 유형의 햅틱 피드백을 이용하는 사용자 인터페이스 장치의 하나의 일반적인 예는 마우스 상의 버튼, 키보드, 터치스크린, 또는 다른 인터페이스 장치이다. 사용자 인터페이스 표면은 가해진 힘이 특정 임계치에 도달할 때까지는 움직이지 않고, 그 특정 임계치에 도달한 시점에 버튼은 비교적 용이하게 아래쪽으로 움직이고 그 후 멈춘다 - 그것의 집합적인 감각은 버튼을 "클릭하는" 것으로 정의된다. 대안적으로, 표면은 어떤 임계치에 도달할 때까지는 증가하는 저항력으로 움직이고 그 임계치에 도달한 시점에 그 힘 프로파일은 변화한다(예를 들어, 감소한다). 사용자에 의해 가해진 힘은, 사용자에 의해 느껴지는 응답하는(그러나 정반대의) 힘과 마찬가지로, 실질적으로 버튼 표면에 수직인 축을 따른다. 그러나, 변형들은 사용자가 버튼 표면에 횡으로 또는 면내에 힘을 가한 응용을 포함한다.
다른 예에서, 사용자가 터치 스크린 상에 입력을 입력할 때, 스크린은 청각 신호(auditory cue)와 함께, 또는 청각 신호 없이 전형적으로 스크린 상의 그래픽 변화에 의해 그 입력을 확인한다. 터치 스크린은 컬러 또는 형상 변화와 같은 스크린 상의 시각 신호(visual cues)로서 그래픽 피드백을 제공한다. 터치 패드는 스크린 상의 커서에 의하여 시각 피드백을 제공한다. 상기 신호들은 피드백을 제공하지만, 손가락 작동되는 입력 장치로부터의 가장 직관적이고 효과적인 피드백은 키보드 키의 멈춤쇠(detent) 또는 마우스 휠의 멈춤쇠와 같은 촉각의 피드백이다. 따라서, 터치 스크린 상에 햅틱 피드백을 통합하는 것이 바람직하다.
햅틱 피드백 능력은 특히 데이터 입력에 관련하여 사용자 생산성 및 효율을 개선하는 것으로 알려져 있다. 본 발명자들은 사용자에게 전달되는 햅틱 감각의 특성 및 품질에 대한 추가의 개선들은 그러한 생산성 및 효율을 더욱 증가시킬 수 있다고 생각한다. 그러한 개선들이 제조하기 쉽고 비용 효과적이고, 알려진 햅틱 피드백 장치들의 공간, 사이즈 및/또는 질량 요건을 추가하지 않고, 바람직하게는 감소시키는 감각 피드백 메커니즘에 의해 제공된다면 추가로 이로울 것이다.
EAP 기반 트랜스듀서들의 통합은 그러한 사용자 인터페이스 장치들에서의 햅틱 상호 작용을 개선할 수 있지만, 사용자 인터페이스 장치의 프로파일을 증가시키지 않고 그러한 EAP 트랜스듀서들을 이용할 필요가 남아 있다.
본 발명은 감각 응용들을 위한 전기활성 트랜스듀서들을 포함하는 장치들, 시스템들 및 방법들을 포함한다. 하나의 변형에서, 감각 패드백을 갖는 사용자 인터페이스 장치가 제공된다. 본 발명의 하나의 이점은 사용자 인터페이스 장치 또는 관련 컴포넌트들에 의해 생성된 소프트웨어 또는 다른 신호에 의해 입력이 트리거될 때마다 사용자 인터페이스 장치의 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 것이다.
여기에 설명된 방법들 및 장치들은 EAP 기반 트랜스듀서 시스템들의 구조 및 기능을 개선하려고 노력한다. 본 명세는 다양한 응용들에서 사용하기 위한 맞춤식(customized) 트랜스듀서 구조를 논의한다. 본 명세는 또한 EAP 트랜스듀서들을 구동하기 위한 다수의 장치들 및 방법들뿐만 아니라 기계 작동, 전력 생성 및/또는 감지를 위한 EAP 트랜스듀서 기반 장치들 및 시스템들을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 숙련된 당업자들이 아래에 더 충분히 설명된 본 발명의 상세들을 읽으면 명백해질 것이다.
이들 디자인들과 함께 사용될 수 있는 EPAM 카트리지들은 평면, 다이어프램(Diaphragm), 두께 모드, 및 패시브 결합 장치들(하이브리드들)을 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
본 명세는 사용자에 의해 조작되고 출력 신호에 응답하여 개선된 효과를 갖는 장치를 포함한다. 하나의 예에서, 이 장치는 베이스 프레임; 베이스 프레임에 연결된 적어도 하나의 전기활성 중합체 액추에이터 - 이 전기활성 중합체 액추에이터는 전기활성 중합체 트랜스듀서에 인가되는 활성화 신호에 응답하여 움직여 햅틱 피드백을 제공하도록 구성된 전기활성 중합체 막을 가짐 -; 전기활성 중합체 막에 연결된 액추에이션 프레임 - 전기활성 중합체 막의 움직임이 액추에이션 프레임의 움직임을 일으키도록 구성됨 -; 및 베이스 프레임의 일부를 액추에이션 프레임의 일부에 연결하는 적어도 하나의 기계 굴곡 부재(mechanical flexure member) - 이 굴곡 부재는 베이스 프레임에 대하여 액추에이션 프레임을 서스펜딩하고(suspend) 베이스 프레임과 액추에이션 프레임 사이의 상대적 움직임을 허용하도록 구성됨 - 를 포함한다. 기계 굴곡 부재는 그 2개의 컴포넌트들을 그들 사이에 움직임을 허용하는 임의의 각종 방법으로 서스펜딩할 수 있다. 예를 들면, 그 컴포넌트들은, 그 컴포넌트들이 서로에 관해 움직일 수 있는 한, 물리적으로 분리되거나 접촉할 수 있다.
대부분의 경우에, 본 명세에 따른 장치들은 다수의 굴곡부들 또는 서스펜션 조립체들을 가질 것이다. 이 굴곡부들 또는 서스펜션 조립체들은 특정한 응용에 따라서 분리되거나 함께 연결될 수 있다.
하나의 예에서 장치는 사용자 인터페이스 컴포넌트를 포함하고, 여기서 액추에이션 프레임은 사용자 인터페이스 컴포넌트에 연결되거나 또는 그의 일부를 형성한다. 사용자 인터페이스 컴포넌트들의 예들은 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드, 및 게임 컨트롤러를 포함한다. 그러나, 여기에 논의된 원리들은 움직이는 부분들을 요구하는 임의의 수의 장치들에서 이용될 수 있다.
여기에 설명된 장치들의 변형들은 굴곡 부재가 베이스 프레임과 액추에이션 프레임 사이의 상대적 움직임을 베이스 프레임에 평행인 평면에 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 굴곡부의 부분들은 베이스 프레임에 및 액추에이션 프레임에 단단하게 부착될 수 있고, 따라서 제1 및 제2 부분들 사이에 위치하는 굴곡부의 구속받지 않는 제3 부분은 베이스 프레임과 액추에이션 프레임 사이의 상대적 움직임에 응답하여 편향하도록 구성된다. 추가적인 변형들에서, 굴곡 부재는 결합된 컴포넌트들의 움직임을 제한하거나 다른 방법으로 영향을 미치는 구조적 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 굴곡 부재의 구속받지 않는 제3 부분은 부착된 컴포넌트의 움직임을 제한하고 따라서 그 컴포넌트를 구동하는 전기활성 중합체 막의 움직임을 전기활성 중합체 막의 최대 변위보다 작게 제한할 수 있다. 일부 변형들에서, 액추에이션 및/또는 베이스 프레임들은 각각의 프레임의 움직임 평면과 비평면인 부분들을 포함할 수 있고 그 부분들은 각각 하나 이상의 기계 굴곡 부재들에 부착된다.
여기에 설명된 장치들의 변형들은 컴포넌트들의 과도한 움직임을 방지하는 스톱 조립체들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 스톱 조립체는 메이팅(mating) 포켓 또는 리세스 내에서 움직이는 돌출부를 포함할 수 있다. 돌출부와 슬롯/리세스 사이의 사이즈 차이는 장치의 최대 변위를 결정할 수 있다. 스톱 조립체를 갖는 장치의 하나의 예에서, 스톱 조립체는 베이스 또는 액추에이션 프레임 상에 돌출부 및 액추에이션 또는 베이스 프레임 각각에 메이팅 슬롯을 포함할 수 있다. 슬롯은 돌출부를 수용하도록 구성되고 베이스 프레임의 움직임을 제한하기 위해 돌출부보다 사이즈가 더 크다.
본 명세는 또한 피드백 장치를 제조하는 방법들을 포함한다. 하나의 예에서, 방법은 전기활성 중합체 트랜스듀서를 제1 프레임에 부착하는 단계 - 전기활성 중합체 트랜스듀서는 전압이 인가되면 변위하여 피드백을 제공하도록 구성된 전기활성 중합체 막을 포함함 -; 전기활성 중합체 막을 제2 프레임에 연결하는 단계; 및 제1 프레임을 기계 굴곡 부재의 제1 부분에 부착하고 제2 프레임을 기계 굴곡 부재의 제2 부분에 부착하는 것에 의해 제2 프레임에 대하여 제1 프레임을 서스펜딩하는 단계 - 기계 굴곡 부재의 제3 부분은 구속받지 않고 제1 및 제2 부분들의 상대적 움직임을 허용하도록 편향함 - 를 포함한다. 제1 또는 제2 프레임은 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드, 및 게임 컨트롤러와 같은 사용자 인터페이스 컴포넌트 또는 표면을 포함하거나 그의 일부일 수 있다.
방법은 제1 및 제2 프레임들을 복수의 분리된 기계 굴곡부들에 부착하는 것에 의해 제2 프레임에 대하여 제1 프레임을 서스펜딩하는 단계를 포함할 수 있다.
본 명세는 또한 장치 내의 움직일 수 있는 컴포넌트들 사이의 변위를 제어하기 위한 방법들을 포함한다. 그러한 방법의 하나의 예는 기계 굴곡부에 의해 제2 프레임 컴포넌트에 대하여 서스펜딩된 제1 프레임 컴포넌트 - 기계 굴곡부는 제1 및 제2 프레임 컴포넌트들 사이의 상대적 움직임을 허용하고, 제1 프레임 컴포넌트 및 제2 프레임 컴포넌트는 안정 위치(rest position) 및 변위된 위치를 가짐 -; 전압이 인가되면 변위하도록 구성된 전기활성 중합체 막을 갖는 전기활성 중합체 트랜스듀서 - 전기활성 중합체 트랜스듀서는 제1 프레임 컴포넌트에 연결되고 전기활성 중합체 막은 제2 프레임 컴포넌트에 연결됨 - 를 갖는 장치를 제공하는 단계; 전기활성 중합체 막의 변위를 일으키도록 전기활성 트랜스듀서를 활성화하는 단계 - 전기활성 중합체 막의 변위는 제1 및 제2 프레임 컴포넌트들을 변위된 위치로 움직여 기계 굴곡부에서 기계 스트레스를 일으킴 -; 기계 굴곡부에서의 스트레스가 제1 및 제2 프레임들 사이의 서스펜션을 유지하면서 제1 프레임 컴포넌트 및 제2 프레임 컴포넌트를 안정 위치 쪽으로 복귀시키는 것을 돕게 하기 위해 전기활성 트랜스듀서에의 신호를 감소시키는 단계를 포함한다.
상기 방법은 제2 프레임 컴포넌트에 대하여 제1 프레임 컴포넌트를 서스펜딩하는 단계를 포함할 수 있고 그것은 제1 및 제2 프레임들을 복수의 분리된 기계 굴곡부들에 부착하는 단계를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 프레임 컴포넌트들은 사용자 인터페이스 컴포넌트를 포함하거나 또는 그의 일부일 수 있다. 사용자 인터페이스 컴포넌트의 예들은 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드, 및 게임 컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명은 컴퓨터, 전화, PDA, 비디오 게임 콘솔, GPS 시스템, 키오스크 응용 등을 위한 터치 패드, 터치 스크린 또는 키 패드 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 유형의 사용자 인터페이스 장치에서 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 상세들에 관한 한, 숙련된 당업자들의 수준 내에서 재료들 및 대안적인 관련 구성들이 이용될 수 있다. 공통적으로 또는 논리적으로 이용되는 추가적인 동작들의 점에서 본 발명의 방법 기반 양태들에 관하여 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 옵션으로 다양한 특징들을 포함하는, 몇몇 예들을 참조하여 본 발명이 설명되었더라도, 본 발명은 본 발명의 각각의 변형에 관하여 예상되는 것으로 설명되거나 지시되는 것에 제한되지 않을 것이다. 설명된 발명에 대해 다양한 변경들이 이루어질 수 있고 본 발명의 진정한 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 동등물들(여기에 기재되었든 얼마간의 간결함을 위해 포함되지 않았든)이 대용될 수 있다. 임의의 수의 도시된 개별 부품들 또는 서브어셈블리들이 그들의 디자인에 통합될 수 있다. 그러한 변경들 또는 다른 것들은 조립을 위한 디자인의 원리들에 의해 착수되거나 안내될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 숙련된 당업자들이 아래에 더 충분히 설명된 본 발명의 상세들을 읽으면 명백해질 것이다.
본 발명은 다음의 상세한 설명을 첨부 도면들과 관련하여 읽을 때 가장 잘 이해된다. 이해를 촉진하기 위해, 도면들에 공통인 유사한 요소들을 지시하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용되었다(실용적인 경우). 도면들에는 다음의 것들이 포함되어 있다.
도 1a 및 1b는 디스플레이 스크린 또는 센서 및 장치의 바디에 EAP 트랜스듀서가 연결되어 있을 때 햅틱 피드백을 이용할 수 있는 사용자 인터페이스의 일부 예들을 예시한다.
도 2a 및 2b는 사용자의 입력에 대해 햅틱 피드백으로 반응하는 표면을 갖는 디스플레이 스크린을 포함하는 사용자 인터페이스 장치의 단면도를 보여준다.
도 3a 및 3b는 활성 개스킷들 내에 활성 EAP가 형성된 가요성 멤브레인(flexible membrane)에 의해 커버된 디스플레이 스크린을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 다른 변형의 단면도를 예시한다.
도 4는 디스플레이 스크린의 에지 주위에 위치한 스프링 바이어싱된 EAP 멤브레인을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 추가적인 변형의 단면도를 예시한다.
도 5는 디스플레이 스크린이 다수의 컴플라이언트 개스킷들(compliant gaskets)을 이용하여 프레임에 연결되고 디스플레이를 위한 구동력은 다수의 EAP 액추에이터 다이어프램들인 사용자 인터페이스 장치의 단면도를 보여준다.
도 6a 및 6b는 디스플레이에 연결된 주름 잡힌 EAP 멤브레인 또는 막을 갖는 사용자 인터페이스(230)의 단면도들을 보여준다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압의 인가 전과 후의 트랜스듀서의 상부 사시도를 예시한다.
도 8a 및 8b는 사용자 인터페이스 장치에서 사용하기 위한 감각 피드백 장치의 분해된 상부 및 하부 사시도들을 각각 보여준다.
도 9a는 본 발명의 조립된 전기활성 중합체 액추에이터의 상부 평면도이고; 도 9b 및 9c는 각각 도 8a의 액추에이터의 막 부분의 상부 및 하부 평면도들이고, 특히, 액추에이터의 2-위상 구성을 예시한다.
도 9d 및 9e는 장치의 프레임으로부터 이격되어 있는 디스플레이 스크린의 표면을 가로질러 배치하기 위한 전기활성 중합체 트랜스듀서의 어레이들의 예를 예시한다.
도 9f 및 9g는 각각 여기에 개시된 사용자 인터페이스 장치에서 사용하기 위한 액추에이터들의 어레이의 분해도 및 조립도이다.
도 10은 인간의 손가락이 장치의 접촉 표면과 접촉하여 동작하는 사용자 인터페이스 장치들의 측면도를 예시한다.
도 11a 및 11b는 단일-위상 모드에서 동작할 때의 도 9a-9c의 액추에이터의 힘-스트로크 관계 및 전압 응답 곡선들을 각각 그래프로 예시한다.
도 11c 및 11d는 2-위상 모드에서 동작할 때의 도 9a-9c의 액추에이터의 힘-스트로크 관계 및 전압 응답 곡선들을 각각 그래프로 예시한다.
도 12a 내지 12c는 2 위상 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다.
도 12d는 도 12a 내지 12c의 2 위상 트랜스듀서에 대한 시간 대비 변위의 그래프를 예시한다.
도 13은 감각 피드백 장치를 동작시키기 위한, 전원 및 제어 일렉트로닉스를 포함하는, 전자 회로의 블록도이다.
도 14a 및 14b는 사용자 입력 장치에 연결된 EAP 액추에이터들의 평면 어레이의 예의 부분 단면도이다.
도 15의 (a) 및 (b)는 트랜스듀서가 활성화될 때 일 출력(work output)을 제공하기 위해 중합체 표면 특징들을 이용하는 액추에이터로서 이용되는 EAP 트랜스듀서를 개략적으로 예시한다.
도 16a 및 16b는 본 발명의 액추에이터의 예시적인 구조들의 단면도들이다.
도 17a-17d는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 플렉스 커넥터에 연결하기 위해 본 트랜스듀서들 내에 전기 접속들을 만들기 위한 프로세스의 다양한 단계들을 예시한다.
도 18a-18d는 전기 배선에 연결하기 위해 본 트랜스듀서들 내에 전기 접속들을 만들기 위한 프로세스의 다양한 단계들을 예시한다.
도 19는 피어싱 유형의 전기 콘택트를 갖는 본 트랜스듀서의 단면도이다.
도 20a 및 20b는 각각 버튼-유형 액추에이터에서 적용하기 위한 두께 모드 트랜스듀서 및 전극 패턴의 상면도들이다.
도 21은 도 6a 및 6b의 버튼-유형 액추에이터들의 어레이를 이용하는 키패드의 상부 절개도(cutaway view)를 예시한다.
도 22는 인간의 손의 형태의 신규 액추에이터에서 사용하기 위한 두께 모드 트랜스듀서의 상면도를 예시한다.
도 23은 연속적인 스트립 구성의 두께 모드 트랜스듀서의 상면도를 예시한다.
도 24는 개스킷-유형 액추에이터에서 적용하기 위한 두께 모드 트랜스듀서의 상면도를 예시한다.
도 25a-25d는 다양한 유형의 개스킷-유형 액추에이터들을 이용하는 터치 스크린들의 단면도들이다.
도 26의 (a) 및 (b)는 트랜스듀서의 활성 및 패시브 영역들의 상대 위치들이 상기 실시예들로부터 반대로 된 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서의 다른 실시예의 단면도들이다.
도 27a-27d는 전기활성 관성 트랜스듀서의 예를 예시한다.
도 28a는 전기활성 중합체 액추에이터들을 위한 최적의 햅틱 주파수들 내에서 동작하도록 오디오 신호를 튜닝하는 회로의 일례를 예시한다.
도 28b는 도 28a의 회로에 의해 필터링된 수정된 햅틱 신호의 예를 예시한다.
도 28c 및 28f는 단일 및 이중 위상 전기활성 트랜스듀서들을 위한 신호들을 생성하기 위한 추가적인 회로들을 예시한다.
도 28e 및 28f는 장치 바디 내에 하나 이상의 전기활성 중합체 액추에이터들을 갖고 관성 질량에 연결된 장치의 예를 보여준다.
도 29a 내지 29c는 트랜스듀서의 일부 및/또는 사용자 인터페이스 표면이 트랜스듀서에 전력을 제공하는 스위치를 완성하는 사용자 인터페이스 장치에서 사용될 때의 전기활성 중합체 트랜스듀서들의 예를 보여준다.
도 30a 및 30b는 트랜스듀서의 전력 공급을 위한 2개의 스위치를 형성하도록 구성된 전기활성 중합체 트랜스듀서들의 다른 예를 예시한다.
도 31a 및 31b는 기계 스위치 효과를 흉내내는 햅틱 효과를 생성하기 위해 전기활성 중합체 트랜스듀서의 활성화를 지연시키는 것의 다양한 그래프를 예시한다.
도 32는 원하는 햅틱 효과를 생성하도록 저장된 파형을 전달하기 위해 (오디오 신호와 같은) 트리거링 신호를 이용하여 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하는 회로의 예를 예시한다.
도 33a 및 33b는 단일 구동 회로로 2-위상 활성화를 제공하는 것에 의해 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하기 위한 다른 변형을 예시한다.
도 34a는 도 34b의 신호에 의해 트리거된 햅틱 효과 후의 잔여 움직임을 나타내는 변위 곡선의 예를 보여준다.
도 34c는 나타나는 잔여 움직임 효과를 감소시키기 위해 전자 감쇠를 이용하는 변위 곡선의 예를 보여주고, 그 햅틱 효과 및 감쇠 신호는 도 34d에 예시되어 있다.
도 35는 전기활성 중합체 트랜스듀서에 전력을 공급하기 위한 에너지 수확 회로의 예를 예시한다.
도 36a 및 36b는 오디오 신호로부터 제로-크로싱 구성을 이용하여 햅틱 신호를 구동하는 예를 예시한다.
도 36c는 햅틱 효과로부터 정보 신호 내의 데이터가 인지될 수 있도록 정보 신호에 기초하여 햅틱 신호를 구동하는 예를 예시한다.
도 37a 내지 37c는 사용자에 의한 조작을 위한 그리고 출력 신호에 응답하여 개선된 햅틱 효과를 갖는 다양한 사용자 인터페이스 장치들의 예를 예시한다.
도 37a 내지 38e는 액추에이터에 의해 생성된 햅틱 피드백 힘을 강화하도록 구성된 하우징의 변형을 보여준다.
도 39a 내지 39d는 전기활성 중합체 액추에이터에 의해 구동되는 장치의 움직이는 컴포넌트들을 연결하는 서스펜션 조립체를 예시한다.
도 40a 내지 40d는 피드백 장치의 움직일 수 있는 컴포넌트들에 의해 변위되는 굴곡 부재를 갖는 서스펜션 조립체의 개략 표현을 보여준다.
도 41은 여기에 설명된 다양한 실시예들에서 사용하기 위한 스톱 조립체의 일례를 보여준다.
도 42a 내지 42f는 결국 장치 내에 배치하기 위해 서스펜션 조립체와 움직이는 컴포넌트들을 조립하는 일례를 예시한다.
도 43a는 포토플래시 컨트롤러를 위한 전원의 예를 예시한다.
도 43b는 폐루프 피드백을 갖는 푸시풀 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)을 포함하는 제2 예시 회로를 예시한다.
도면들에 도시된 것으로부터 본 발명의 변형이 예상된다.
도 1a 및 1b는 디스플레이 스크린 또는 센서 및 장치의 바디에 EAP 트랜스듀서가 연결되어 있을 때 햅틱 피드백을 이용할 수 있는 사용자 인터페이스의 일부 예들을 예시한다.
도 2a 및 2b는 사용자의 입력에 대해 햅틱 피드백으로 반응하는 표면을 갖는 디스플레이 스크린을 포함하는 사용자 인터페이스 장치의 단면도를 보여준다.
도 3a 및 3b는 활성 개스킷들 내에 활성 EAP가 형성된 가요성 멤브레인(flexible membrane)에 의해 커버된 디스플레이 스크린을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 다른 변형의 단면도를 예시한다.
도 4는 디스플레이 스크린의 에지 주위에 위치한 스프링 바이어싱된 EAP 멤브레인을 갖는 사용자 인터페이스 장치의 추가적인 변형의 단면도를 예시한다.
도 5는 디스플레이 스크린이 다수의 컴플라이언트 개스킷들(compliant gaskets)을 이용하여 프레임에 연결되고 디스플레이를 위한 구동력은 다수의 EAP 액추에이터 다이어프램들인 사용자 인터페이스 장치의 단면도를 보여준다.
도 6a 및 6b는 디스플레이에 연결된 주름 잡힌 EAP 멤브레인 또는 막을 갖는 사용자 인터페이스(230)의 단면도들을 보여준다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압의 인가 전과 후의 트랜스듀서의 상부 사시도를 예시한다.
도 8a 및 8b는 사용자 인터페이스 장치에서 사용하기 위한 감각 피드백 장치의 분해된 상부 및 하부 사시도들을 각각 보여준다.
도 9a는 본 발명의 조립된 전기활성 중합체 액추에이터의 상부 평면도이고; 도 9b 및 9c는 각각 도 8a의 액추에이터의 막 부분의 상부 및 하부 평면도들이고, 특히, 액추에이터의 2-위상 구성을 예시한다.
도 9d 및 9e는 장치의 프레임으로부터 이격되어 있는 디스플레이 스크린의 표면을 가로질러 배치하기 위한 전기활성 중합체 트랜스듀서의 어레이들의 예를 예시한다.
도 9f 및 9g는 각각 여기에 개시된 사용자 인터페이스 장치에서 사용하기 위한 액추에이터들의 어레이의 분해도 및 조립도이다.
도 10은 인간의 손가락이 장치의 접촉 표면과 접촉하여 동작하는 사용자 인터페이스 장치들의 측면도를 예시한다.
도 11a 및 11b는 단일-위상 모드에서 동작할 때의 도 9a-9c의 액추에이터의 힘-스트로크 관계 및 전압 응답 곡선들을 각각 그래프로 예시한다.
도 11c 및 11d는 2-위상 모드에서 동작할 때의 도 9a-9c의 액추에이터의 힘-스트로크 관계 및 전압 응답 곡선들을 각각 그래프로 예시한다.
도 12a 내지 12c는 2 위상 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다.
도 12d는 도 12a 내지 12c의 2 위상 트랜스듀서에 대한 시간 대비 변위의 그래프를 예시한다.
도 13은 감각 피드백 장치를 동작시키기 위한, 전원 및 제어 일렉트로닉스를 포함하는, 전자 회로의 블록도이다.
도 14a 및 14b는 사용자 입력 장치에 연결된 EAP 액추에이터들의 평면 어레이의 예의 부분 단면도이다.
도 15의 (a) 및 (b)는 트랜스듀서가 활성화될 때 일 출력(work output)을 제공하기 위해 중합체 표면 특징들을 이용하는 액추에이터로서 이용되는 EAP 트랜스듀서를 개략적으로 예시한다.
도 16a 및 16b는 본 발명의 액추에이터의 예시적인 구조들의 단면도들이다.
도 17a-17d는 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 플렉스 커넥터에 연결하기 위해 본 트랜스듀서들 내에 전기 접속들을 만들기 위한 프로세스의 다양한 단계들을 예시한다.
도 18a-18d는 전기 배선에 연결하기 위해 본 트랜스듀서들 내에 전기 접속들을 만들기 위한 프로세스의 다양한 단계들을 예시한다.
도 19는 피어싱 유형의 전기 콘택트를 갖는 본 트랜스듀서의 단면도이다.
도 20a 및 20b는 각각 버튼-유형 액추에이터에서 적용하기 위한 두께 모드 트랜스듀서 및 전극 패턴의 상면도들이다.
도 21은 도 6a 및 6b의 버튼-유형 액추에이터들의 어레이를 이용하는 키패드의 상부 절개도(cutaway view)를 예시한다.
도 22는 인간의 손의 형태의 신규 액추에이터에서 사용하기 위한 두께 모드 트랜스듀서의 상면도를 예시한다.
도 23은 연속적인 스트립 구성의 두께 모드 트랜스듀서의 상면도를 예시한다.
도 24는 개스킷-유형 액추에이터에서 적용하기 위한 두께 모드 트랜스듀서의 상면도를 예시한다.
도 25a-25d는 다양한 유형의 개스킷-유형 액추에이터들을 이용하는 터치 스크린들의 단면도들이다.
도 26의 (a) 및 (b)는 트랜스듀서의 활성 및 패시브 영역들의 상대 위치들이 상기 실시예들로부터 반대로 된 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서의 다른 실시예의 단면도들이다.
도 27a-27d는 전기활성 관성 트랜스듀서의 예를 예시한다.
도 28a는 전기활성 중합체 액추에이터들을 위한 최적의 햅틱 주파수들 내에서 동작하도록 오디오 신호를 튜닝하는 회로의 일례를 예시한다.
도 28b는 도 28a의 회로에 의해 필터링된 수정된 햅틱 신호의 예를 예시한다.
도 28c 및 28f는 단일 및 이중 위상 전기활성 트랜스듀서들을 위한 신호들을 생성하기 위한 추가적인 회로들을 예시한다.
도 28e 및 28f는 장치 바디 내에 하나 이상의 전기활성 중합체 액추에이터들을 갖고 관성 질량에 연결된 장치의 예를 보여준다.
도 29a 내지 29c는 트랜스듀서의 일부 및/또는 사용자 인터페이스 표면이 트랜스듀서에 전력을 제공하는 스위치를 완성하는 사용자 인터페이스 장치에서 사용될 때의 전기활성 중합체 트랜스듀서들의 예를 보여준다.
도 30a 및 30b는 트랜스듀서의 전력 공급을 위한 2개의 스위치를 형성하도록 구성된 전기활성 중합체 트랜스듀서들의 다른 예를 예시한다.
도 31a 및 31b는 기계 스위치 효과를 흉내내는 햅틱 효과를 생성하기 위해 전기활성 중합체 트랜스듀서의 활성화를 지연시키는 것의 다양한 그래프를 예시한다.
도 32는 원하는 햅틱 효과를 생성하도록 저장된 파형을 전달하기 위해 (오디오 신호와 같은) 트리거링 신호를 이용하여 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하는 회로의 예를 예시한다.
도 33a 및 33b는 단일 구동 회로로 2-위상 활성화를 제공하는 것에 의해 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하기 위한 다른 변형을 예시한다.
도 34a는 도 34b의 신호에 의해 트리거된 햅틱 효과 후의 잔여 움직임을 나타내는 변위 곡선의 예를 보여준다.
도 34c는 나타나는 잔여 움직임 효과를 감소시키기 위해 전자 감쇠를 이용하는 변위 곡선의 예를 보여주고, 그 햅틱 효과 및 감쇠 신호는 도 34d에 예시되어 있다.
도 35는 전기활성 중합체 트랜스듀서에 전력을 공급하기 위한 에너지 수확 회로의 예를 예시한다.
도 36a 및 36b는 오디오 신호로부터 제로-크로싱 구성을 이용하여 햅틱 신호를 구동하는 예를 예시한다.
도 36c는 햅틱 효과로부터 정보 신호 내의 데이터가 인지될 수 있도록 정보 신호에 기초하여 햅틱 신호를 구동하는 예를 예시한다.
도 37a 내지 37c는 사용자에 의한 조작을 위한 그리고 출력 신호에 응답하여 개선된 햅틱 효과를 갖는 다양한 사용자 인터페이스 장치들의 예를 예시한다.
도 37a 내지 38e는 액추에이터에 의해 생성된 햅틱 피드백 힘을 강화하도록 구성된 하우징의 변형을 보여준다.
도 39a 내지 39d는 전기활성 중합체 액추에이터에 의해 구동되는 장치의 움직이는 컴포넌트들을 연결하는 서스펜션 조립체를 예시한다.
도 40a 내지 40d는 피드백 장치의 움직일 수 있는 컴포넌트들에 의해 변위되는 굴곡 부재를 갖는 서스펜션 조립체의 개략 표현을 보여준다.
도 41은 여기에 설명된 다양한 실시예들에서 사용하기 위한 스톱 조립체의 일례를 보여준다.
도 42a 내지 42f는 결국 장치 내에 배치하기 위해 서스펜션 조립체와 움직이는 컴포넌트들을 조립하는 일례를 예시한다.
도 43a는 포토플래시 컨트롤러를 위한 전원의 예를 예시한다.
도 43b는 폐루프 피드백을 갖는 푸시풀 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)을 포함하는 제2 예시 회로를 예시한다.
도면들에 도시된 것으로부터 본 발명의 변형이 예상된다.
이제 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 장치들, 시스템들 및 방법들이 상세히 설명된다.
전술한 바와 같이, 사용자 인터페이스를 요구하는 장치들은 그 장치의 사용자 스크린 상에 햅틱 피드백의 사용함으로써 개선될 수 있다. 도 1a 및 1b는 그러한 장치들(190)의 간단한 예들을 예시한다. 각 장치는 사용자가 데이터를 입력하거나 보는 디스플레이 스크린(232)을 포함한다. 디스플레이 스크린은 장치의 바디 또는 프레임(234)에 연결된다. 명백히, 휴대용이거나(예를 들어, 셀폰, 컴퓨터, 제조 장비 등) 다른 비휴대용 구조들에 부착되거나(예를 들어, 정보 디스플레이 패널의 스크린, 자동 입출금기 스크린 등) 관계없이 이 명세의 범위 내에 임의의 수의 장치들이 포함된다. 이 명세의 목적을 위해, 디스플레이 스크린은 또한 실제 터치패드(예를 들어, 랩톱 컴퓨터 터치패드)로부터 떨어진 모니터 또는 위치에서 사용자 입력 또는 상호 작용이 일어나는 터치패드 유형 장치를 포함할 수 있다.
특히 디스플레이 스크린(232)의 햅틱 피드백이 추구되는 경우 트랜스듀서의 제조를 위해, 다수의 디자인 고려 사항들이 "전기활성 중합체"(EAP)라고도 하는, 진보된 유전체 탄성체 재료의 선택 및 사용을 지지한다. 이들 고려 사항들은 포텐셜 포스, 전력 밀도, 전력 변환/소비, 사이즈, 중량, 비용, 응답 시간, 듀티 사이클, 서비스 요건, 환경 영향 등을 포함한다. 따라서, 많은 응용들에서, EAP 기술은 압전, 형상 기억 합금(SMA) 및 모터 및 솔레노이드와 같은 전자기 장치들에 대한 이상적인 대체물을 제공한다.
EAP 트랜스듀서는 탄성 특성을 갖고 얇은 탄성체 유전체 재료에 의해 분리된 2개의 박막 전극을 포함한다. 일부 변형들에서, EAP 트랜스듀서는 비탄성 유전체 재료를 포함할 수 있다. 어쨌든, 전극들에 전압 차이가 인가될 때, 정반대로 대전된 전극들은 서로를 끌어당겨 그들 사이의 중합체 유전체 층을 압축한다. 전극들이 서로 더 가까이 당겨질 때, 유전체 중합체 막은 평면 방향들로 확장(x 및 y 축 성분들이 확장)하면서 더 얇아진다(z 축 성분이 수축한다).
도 2a 및 2b는 디스플레이 스크린 상의 정보, 컨트롤, 또는 자극에 응답하여 사용자에 의해 물리적으로 터치되는 표면을 갖는 디스플레이 스크린(232)을 갖는 사용자 인터페이스 장치(230)의 부분을 보여준다. 디스플레이 스크린(234)은 액정 디스플레이(LCD), 유기 발광 다이오드(OLED) 등과 같은 임의의 유형의 터치 패드 또는 스크린 패널일 수 있다. 또한, 인터페이스 장치들(230)의 변형들은 "더미" 스크린과 같은 디스플레이 스크린들(232)을 포함할 수 있고, 그 스크린 위에 이미지가 전치된다(transposed)(예를 들어, 프로젝터 또는 그래픽 커버링). 스크린은 종래의 모니터들 또는 심지어 공통 부호 또는 디스플레이와 같은 고정된 정보를 갖는 스크린을 포함할 수 있다.
어쨌든, 디스플레이 스크린(232)은 프레임(234)(또는 직접 접속 또는 하나 이상의 접지 요소들을 통해 스크린을 장치에 기계적으로 접속시키는 하우징 또는 임의의 다른 구조), 및 스크린(232)을 프레임 또는 하우징(234)에 연결하는 전기활성 중합체(EAP) 트랜스듀서(236)를 포함한다. 여기에 기술한 바와 같이, EAP 트랜스듀서들은 스크린(232)의 에지를 따라 있을 수 있고 또는 프레임 또는 하우징(234)으로부터 이격되어 있는 EAP 트랜스듀서들의 어레이가 스크린(232)의 부분과 접촉하여 배치될 수 있다.
도 2a 및 2b는 캡슐화된 EAP 트랜스듀서(236)가 활성 개스킷을 형성하는 기본적인 사용자 인터페이스 장치를 예시한다. 터치 스크린(232)과 프레임(234) 사이에 임의의 수의 활성 개스킷 EAP들(236)이 연결될 수 있다. 전형적으로, 원하는 햅틱 감각을 생성하기 위해 충분한 활성 개스킷 EAP들(236)이 제공된다. 그러나, 그 수는 특정한 응용에 따라 종종 변할 것이다. 장치의 변형에서, 터치 스크린(232)은 디스플레이 스크린 또는 센서 플레이트를 포함할 수 있다(여기서 디스플레이 스크린은 센서 플레이트의 뒤에 있을 것이다).
이 도면들은 비활성 상태와 활성 상태 사이에 터치 스크린(232)을 순환시키는 사용자 인터페이스 장치(230)를 보여준다. 도 2a는 터치 스크린(232)이 비활성 상태에 있는 사용자 인터페이스 장치(230)를 보여준다. 그러한 상태에서는, EAP 트랜스듀서들(236)에 어떤 전계도 인가되지 않아 트랜스듀서들이 안정 상태(resting state)에 있게 한다. 도 2b는 어떤 사용자 입력이 EAP 트랜스듀서(236)를 그 트랜스듀서들(236)이 디스플레이 스크린(232)을 화살표(238)에 의해 도시된 방향으로 움직이게 하는 활성 상태로 트리거한 후의 사용자 인터페이스 장치(230)를 보여준다. 대안적으로, 하나 이상의 EAP 트랜스듀서들(236)의 변위는 디스플레이 스크린(232)의 방향성 움직임을 생성하도록 변할 수 있다(예를 들어, 전체 디스플레이 스크린(232)이 균일하게 움직이기보다 스크린(232)의 한 영역이 다른 영역보다 더 큰 정도로 변위할 수 있다). 명백히, 사용자 인터페이스 장치(230)에 연결된 제어 시스템은 EAP들(236)을 원하는 주파수로 순환시키고 및/또는 EAP(236)의 편향의 양을 변경하도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 3b는 디스플레이 스크린(232)을 보호하도록 기능하는 가요성 멤브레인(flexible membrane)(240)에 의해 커버된 디스플레이 스크린(232)을 갖는 사용자 인터페이스 장치(230)의 다른 변형을 예시한다. 다시, 장치는 디스플레이 스크린(232)을 베이스 또는 프레임(234)에 연결하는 다수의 활성 개스킷 EAP들(236)을 포함할 수 있다. 사용자 입력에 응답하여, 전계가 EAP들(236)에 인가될 때 스크린(232)은 멤브레인(240)과 함께 변위하여 장치(230)가 활성 상태에 들어가도록 변위를 일으킨다.
도 4는 디스플레이 스크린(232)의 에지 주위에 위치한 스프링 바이어싱된 EAP 멤브레인(244)을 갖는 사용자 인터페이스 장치(230)의 추가적인 변형을 예시한다. EAP 멤브레인(244)은 스크린의 주변 주위에 또는 스크린이 사용자에게 햅틱 피드백을 생성하도록 허용하는 위치들에만 배치될 수 있다. 이 변형에서는, 패시브 컴플라이언트 개스킷 또는 스프링(244)이 스크린(232)에 대해 힘을 제공하여 EAP 멤브레인(242)을 장력의 상태에 있게 한다. 멤브레인에 전계(242)가 제공되면(다시, 사용자 입력에 의해 생성된 신호에 따라), EAP 멤브레인(242)은 이완하여 스크린(232)의 변위를 일으킨다. 화살표(246)에 의해 지시된 바와 같이, 사용자 입력 장치(230)는 개스킷(244)에 의해 제공된 바이어스에 대하여 임의의 방향으로 스크린(232)의 움직임을 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 전부 미만의 EAP 멤브레인들(242)의 액추에이션은 스크린(232)의 불균일한 움직임을 생성한다.
도 5는 사용자 인터페이스 장치(230)의 또 다른 변형을 예시한다. 이 예에서, 디스플레이 스크린(232)은 다수의 컴플라이언트 개스킷들(244)을 이용하여 프레임(234)에 연결되고 디스플레이(232)를 위한 구동력은 다수의 EAP 액추에이터 다이어프램들(248)이다. EAP 액추에이터 다이어프램들(248)은 스프링 바이어싱되어 있고 전계가 인가되면 디스플레이 스크린을 구동할 수 있다. 도시된 바와 같이, EAP 액추에이터 다이어프램들(248)은 스프링의 양쪽에 대향하는 EAP 멤브레인들을 갖는다. 그러한 구성에서, EAP 액추에이터 다이어프램들(248)의 대향하는 측면들을 활성화하는 것은 조립체를 중립 지점에서 단단하게 만든다. EAP 액추에이터 다이어프램들(248)은 인간의 팔의 움직임들을 제어하는 대향하는 이두근 또는 삼두근처럼 작용한다. 도시되지는 않았지만, 미국 출원 번호 11/085,798 및 11/085,804에서 논의된 바와 같이, 액추에이터 다이어프램들(248)은 2-위상 출력 액션을 제공하고 및/또는 보다 강건한 응용들에서 이용하기 위해 출력을 증폭하도록 스택(stack)될 수 있다.
도 6a 및 6b는 EAP 막(242)에 물결 주름들(corrugations) 또는 주름들(folds)을 수용하도록 다수의 지점들 또는 접지 요소들(252)에서 디스플레이(232)와 프레임(234) 사이에 연결된 EAP 멤브레인 또는 막(242)을 갖는 사용자 인터페이스(230)의 다른 변형을 보여준다. 도 6b에 도시된 바와 같이, EAP 막(242)에 전계를 인가하면 물결 주름들의 방향으로 변위가 일어나고 프레임(234)에 대하여 디스플레이 스크린(232)이 편향된다. 사용자 인터페이스(232)는 옵션으로 디스플레이(232)와 프레임(234) 사이에 또한 연결된 바이어스 스프링(250) 및/또는 디스플레이 스크린(232)의 일부(또는 전부)를 커버하는 가요성 보호 멤브레인(240)을 포함할 수 있다.
위에 논의된 도면들은 EAP 막들 또는 트랜스듀서들을 이용하는 그러한 촉각 피드백 장치들의 예시적인 구성들을 개략적으로 예시한다는 것에 유의한다. 많은 변형들이 이 명세의 범위 내에 있고, 예를 들면, 장치의 변형들에서, EAP 트랜스듀서들은 전체 스크린 또는 패드 어셈블리가 아니라 센서 플레이트 또는 요소(예를 들어, 사용자 입력에 따라 트리거되고 EAP 트랜스듀서에 신호를 제공하는 것)만을 움직이도록 구현될 수 있다.
임의의 응용에서, EAP 부재에 의한 디스플레이 스크린 또는 센서 플레이트의 피드백 변위는 배타적으로 횡방향 움직임으로서 감지되는 면내일 수 있고, 또는 (수직 변위로서 감지되는) 면외일 수 있다. 대안적으로, EAP 트랜스듀서 재료는 플레이트 요소의 각도 변위 또는 다른 유형의 변위의 조합들을 제공하기 위해 독립적으로 어드레싱될 수 있는/움직일 수 있는 섹션들을 제공하도록 분할될 수 있다. 또한, (위에 열거된 출원들 및 특허에 개시된 바와 같이) 임의의 수의 EAP 트랜스듀서들 또는 막들이 여기에 설명된 사용자 인터페이스 장치에 통합될 수 있다.
여기에 설명된 장치들의 변형들은 장치의 전체 센서 플레이트(또는 디스플레이 스크린)가 촉각 피드백 요소로서 작용할 수 있게 한다. 이것은 광범위한 융통성을 허용한다. 예를 들면, 스크린은 가상 키 스트로크에 응답하여 한 번 바운스할 수 있고, 또는 그것은 스크린 상의 슬라이드 바와 같은 스크롤링 요소에 응답하여 연속적인 바운스들을 출력할 수 있어, 스크롤 휠의 기계 멈춤쇠를 효과적으로 흉내낼 수 있다. 제어 시스템의 사용에 의해, 스크린 상의 사용자의 손가락의 정확한 위치를 판독하고 그에 따라서 3D 구조를 흉내내도록 스크린 패널을 움직이는 것에 의해 3차원 윤곽이 합성될 수 있다. 스크린 변위가 충분하고, 스크린의 질량이 상당하다면, 스크린의 반복된 발진은 휴대폰의 진동 기능을 대체할 수도 있다. 그러한 기능은 텍스트의 한 줄의 (수직) 스크롤링이 촉각 "범프(bump)"로 표현되고, 그에 의해 멈춤쇠를 흉내내는, 텍스트의 브라우징에 적용될 수 있다. 비디오 게임에 관련하여, 본 발명은 종래 기술의 비디오 게임 시스템들에서 이용되는 발진하는 진동 모터들에 대한 증가된 상호 작용성 및 손가락 움직임 제어를 제공한다. 터치패드의 경우에는, 물리적 신호를 제공하는 것에 의해, 특히 시각 장애인에 대해, 사용자 상호 작용성 및 접근성이 개선될 수 있다.
EAP 트랜스듀서는 인가된 전압에 대해 변위하도록 구성될 수 있고, 이는 본 촉각 피드백 장치들과 함께 사용되는 제어 시스템의 프로그래밍을 용이하게 한다. 예를 들면, 소프트웨어 알고리즘이 픽셀 그레이스케일을 EAP 트랜스듀서 변위로 변환할 수 있고, 그에 의해 스크린 커서의 끝 아래의 픽셀 그레이스케일 값이 연속적으로 측정되고 EAP 트랜스듀서에 의한 비례하는 변위로 변환된다. 터치패드를 가로질러 손가락을 움직이는 것에 의해, 거친 3D 질감을 느끼거나 감지할 수 있다. 유사한 알고리즘이 웹 페이지 상에서 적용될 수 있고, 여기서 아이콘의 경계는 그 아이콘 위에 손가락을 움직일 때 페이지 질감에서의 범프 또는 윙윙거리는 버튼(buzzing button)으로서 사용자에게 피드백된다. 정상 사용자에게, 이것은 웹을 서핑하는 동안에 완전히 새로운 감각 경험을 제공할 것이고, 시각 장애인에게는 이것은 없어서는 안 될 피드백을 추가할 것이다.
EAP 트랜스듀서들은 다수의 이유 때문에 그러한 응용들에 대해 이상적이다. 예를 들면, 그것들의 가벼운 중량 및 최소의 컴포넌트들 때문에, EAP 트랜스듀서들은 매우 낮은 프로파일을 제공하고, 따라서, 감각/햅틱 피드백 응용들에서 사용하기에 이상적이다.
도 7a 및 7b는 EAP 막 또는 멤브레인(10) 구조의 예를 예시한다. 얇은 탄성체 유전체 막 또는 층(12)이 컴플라이언트 또는 신축성 있는 전극 플레이트들 또는 층들(14 및 16) 사이에 샌드위칭되어, 용량성 구조 또는 막을 형성한다. 유전체 층의 길이 "l" 및 폭 "w"뿐만 아니라, 그 복합 구조의 그것은 그것의 두께 "t"보다 훨씬 더 크다. 전형적으로, 유전체 층은 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위의 두께를 갖고, 그 구조의 총 두께는 약 15 ㎛ 내지 약 10 cm의 범위이다. 또한, 전극들(14, 16)이 액추에이터에 기여하는 추가적인 강성(stiffness)이 유전체 층(12)의 강성보다 일반적으로 작도록 전극들의 탄성 계수, 두께, 및/또는 마이크로지오메트리(microgeometry)를 선택하는 것이 바람직한데, 유전체 층(12)은 비교적 낮은 탄성 계수, 즉, 약 100 MPa보다 작고 더 전형적으로는 약 10 MPa보다 작은 탄성 계수를 갖지만, 아마 각각의 전극들보다 더 두껍다. 이들 컴플라이언트 용량성 구조들과 함께 사용하기에 적합한 전극들은 기계적 피로로 인한 고장 없이 약 1%보다 더 큰 주기적 스트레인(cyclic strains)을 견딜 수 있는 것들이다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 전극들을 가로질러 전압이 인가될 때, 2개의 전극들(14, 16)의 같지 않은 전하들은 서로에 끌어당겨지고 이들 정전기 인력들은 (Z 축을 따라) 유전체 막(12)을 압축한다. 그에 의해 유전체 막(12)은 전계의 변화에 따라 편향하게 된다. 전극들(14, 16)은 컴플라이언트이므로, 그것들은 유전체(12)와 함께 형상을 변경한다. 일반적으로 말해서, 편향은 유전체 막(12)의 일부의 임의의 변위, 팽창, 수축, 비틀림, 선형 또는 면적 변형, 또는 임의의 다른 변형을 지칭한다. 용량성 구조(10)가 이용되는 아키텍처, 예를 들어, 프레임(집합적으로 "트랜스듀서"라고 지칭됨)에 따라서, 이 편향은 기계적 일을 생성하기 위해 이용될 수 있다. 전술한 특허 참고 문헌들에서는 다양한 상이한 트랜스듀서 아키텍처들이 개시되고 설명되어 있다.
전압이 인가되면, 트랜스듀서 막(10)은 기계적 힘들이 편향을 구동하는 정전기 힘들과 균형이 잡힐 때까지 계속해서 편향한다. 기계적 힘들은 유전체 층(12)의 탄성 복원력, 전극들(14, 16)의 컴플라이언스 또는 신축성 및 트랜스듀서(10)에 연결된 장치 및/또는 부하에 의해 제공되는 임의의 외부 저항력을 포함한다. 인가된 전압의 결과로서 트랜스듀서(10)의 결과적인 편향은 또한 탄성체 재료의 유전 상수 및 그것의 사이즈 및 강성과 같은 다수의 다른 요인들에 의존할 수 있다. 전압 차이 및 유도된 전하의 제거는 반대 효과를 일으킨다.
일부 경우에, 전극들(14 및 16)은 막의 총 면적에 대하여 유전체 막(12)의 제한된 부분을 커버할 수 있다. 이것은 유전체의 에지 주위에 절연 파괴(electrical breakdown)를 방지하고 또는 그것의 특정 부분들에서 맞춤식 편향들을 달성하기 위해 행해질 수 있다. 활성 영역 외부의 유전체 재료(활성 영역은 그 부분의 편향을 가능하게 하기에 충분한 정전기 힘을 가진 유전체 재료의 부분임)는 편향 동안에 활성 영역에 대해 외부 스프링 힘으로서 작용하게 될 수 있다. 더 구체적으로, 활성 영역 외부의 재료는 그것의 수축 또는 팽창에 의해 활성 영역 편향에 저항하거나 그것을 강화할 수 있다.
유전체 막(12)은 프리스트레이닝될 수 있다(pre-strained). 프리스트레인은 전기 및 기계 에너지 사이의 변환을 개선한다(즉, 프리스트레인은 유전체 막(12)이 더 많이 편향하고 더 큰 기계적 일을 제공할 수 있게 한다). 막의 프리스트레인은 프리스트레이닝 전의 한 방향에서의 치수에 대한 프리스트레이닝 후의 그 방향에서의 치수의 변화로 칭해질 수 있다. 프리스트레인은 유전체 막의 탄성 변형을 포함할 수 있고, 예를 들면, 장력으로 막을 신장시키고 신장되는 동안 에지들 중 하나 이상을 고정하는 것에 의해 형성될 수 있다. 프리스트레인은 막의 경계들에서 또는 막의 일부에 대해서만 부과될 수 있고 강성 프레임을 이용하는 것에 의해 또는 막의 일부를 강화하는 것에 의해 구현될 수 있다.
도 7a 및 7b의 트랜스듀서 구조 및 다른 유사한 컴플라이언트 구조들 및 그들의 구조의 상세는 여기에 개시된 참조되는 특허들 및 공개들 중 다수에서 더 충분히 기재되어 있다.
전술한 EAP 막들 외에도, 감각 또는 햅틱 피드백 사용자 인터페이스 장치들은 횡방향 움직임을 생성하도록 디자인된 EAP 트랜스듀서들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 8a 및 8b에 예시된 바와 같이 위로부터 아래로, (전술한 바와 같이) 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 탄성 막의 형태의 전기활성 중합체(EAP) 트랜스듀서(10)를 갖는 액추에이터(30)를 포함하는 다양한 컴포넌트들. 결과적인 기계 에너지는 여기서 디스크(28) 형태의, 출력 부재의 물리적 "변위"의 형태이다.
도 9a-9c를 참조하면, EAP 트랜스듀서 막(10)은 얇은 탄성 전극들(32a, 32b 및 34a, 34b)의 2개의 일 쌍들(working pairs)을 포함하고, 각각의 일 쌍은 탄성체 유전체 중합체(26)의 얇은 층(예를 들어, 아크릴레이트, 실리콘, 우레탄, 열가소성 탄성체, 탄화수소 고무, 불소탄성체 등으로 이루어짐)에 의해 분리된다. 각각의 일 쌍의 정반대로 대전된 전극들을 가로질러(즉, 전극들(32a 및 32b)을 가로질러, 및 전극들(34a 및 34b)을 가로질러) 전압 차이가 인가되면, 대향 전극들은 서로를 끌어당겨 그들 사이의 유전체 중합체 층(26)을 압축한다. 전극들이 서로 더 가까이 당겨질 때, 유전체 중합체(26)는 평면 방향들로 확장(즉, x 및 y 축 성분들이 확장)하면서 더 얇아진다(즉, z 축 성분이 수축한다)(축 참조를 위해 도 9b 및 9c를 참조). 또한, 각각의 전극을 가로질러 분포된 같은 전하들은 그 전극 내에 포함된 전도성 입자들이 서로를 밀치게 하여, 탄성 전극들 및 유전체 막들의 팽창에 기여한다. 그에 의해 유전체 층(26)은 전계의 변화에 따라 편향하게 된다. 전극 재료는 또한 컴플라이언트이므로, 전극 층들은 유전체 층(26)과 함께 형상을 변경한다. 일반적으로 말해서, 편향은 유전체 층(26)의 일부의 임의의 변위, 팽창, 수축, 비틀림, 선형 또는 면적 변형, 또는 임의의 다른 변형을 지칭한다. 이 편향은 기계적 일을 생성하기 위해 이용될 수 있다.
트랜스듀서(20)를 제조할 때, 탄성 막은 신장되고 둘 이상의 대향하는 강성 프레임 측면들(8a, 8b)에 의해 프리스트레이닝된 상태로 유지된다. 4면 프레임을 이용하는 변형들에서, 막은 2축으로(bi-axially) 신장된다. 프리스트레인은 중합체 층(26)의 유전 강도를 개선하고, 그에 의해 전기 에너지와 기계 에너지 사이의 변환을 개선한다는 것이 관찰되었다(즉, 프리스트레인은 막이 더 많이 편향하고 더 큰 기계적 일을 제공할 수 있게 한다). 전형적으로, 전극 재료는 중합체 층을 프리스트레이닝한 후에 적용되지만, 사전에 적용될 수도 있다. 여기서 동일 측 전극 쌍들이라고도 지칭되는, 층(26)의 동일 측면 상에 제공된 2개의 전극들, 즉, 유전체 층(26)의 상부 측면(26a) 상의 전극들(32a 및 34a)(도 9b 참조) 및 유전체 층(26)의 하부 측면(26b) 상의 전극들(32b 및 34b)(도 9c 참조)은 비활성 영역들 또는 간극들(25)에 의해 서로로부터 전기적으로 분리된다. 중합체 층의 대향 측면들 상의 대향 전극들은 일 전극 쌍들의 2개의 세트들, 즉, 하나의 일 전극 쌍에 대한 전극들(32a 및 32b) 및 다른 일 전극 쌍에 대한 전극들(34a 및 34b)을 형성한다. 각각의 동일 측 전극 쌍은 바람직하게는 동일한 극성을 갖지만, 각각의 일 전극 쌍의 전극들의 극성은 서로 정반대이다(즉, 전극들(32a 및 32b)은 정반대로 대전되고 전극들(34a 및 34b)은 정반대로 대전된다). 각 전극은 전압원(도시되지 않음)에의 전기 접속을 위해 구성된 전기 콘택트 부분(35)을 갖는다.
예시된 실시예에서, 전극들 각각은 반원형 구성을 갖고 동일 측 전극 쌍들은 유전체 층(26)의 각 측면 상에 중앙에 배치된 강성 출력 디스크(20a, 20b)를 수용하기 위한 실질적으로 원형의 패턴을 정의한다. 아래에 그 기능들이 설명되는 디스크들(20a, 20b)이 중합체 층(26)의 중앙에 노출된 출력 표면들(26a, 26b)에 고정되고, 그에 의해 그들 사이에 층(26)을 샌드위칭한다. 디스크들과 막 사이의 연결은 기계적일 수 있고 또는 접착 본드에 의해 제공될 수 있다. 일반적으로, 디스크들(20a, 20b)은 트랜스듀서 프레임(22a, 22b)에 대하여 사이즈가 정해질 것이다. 더 구체적으로, 디스크 직경 대 프레임의 내부 환상 직경의 비율은 트랜스듀서 막(10)에 가해진 스트레스를 적절히 분산시키는 정도일 것이다. 디스크 직경 대 프레임 직경의 비율이 더 클수록, 피드백 신호 또는 움직임의 힘은 더 커지지만 디스크의 선형 변위는 더 낮아진다. 대안적으로, 그 비율이 낮을수록, 출력 힘은 더 낮아지고 선형 변위는 더 커진다.
전극 구성에 따라서, 트랜스듀서(10)는 단일-위상 모드에서 기능하거나 또는 2-위상 모드에서 기능할 수 있다. 구성된 방식으로, 출력 컴포넌트, 즉, 위에 설명된 본 감각 피드백 장치의 2개의 연결된 디스크들(20a 및 20b)의 기계적 변위는 수직이 아니라 횡방향이다. 즉, 감각 피드백 신호가 사용자 인터페이스의 디스플레이 표면(232)에 수직이고 사용자의 손가락(38)에 의해 가해진 입력 힘(도 10에서 화살표(60a)에 의해 지시됨)에 평행인 방향의 (그러나 정반대 또는 위쪽 방향의) 힘인 대신에, 본 발명의 감각/햅틱 피드백 장치들의 감지된 피드백 또는 출력 힘(도 10에서 양방향 화살표(double-head arrow)(60b)에 의해 지시됨)은 디스플레이 표면(232)에 평행이고 입력 힘(60a)에 수직인 방향이다. 트랜스듀서(10)의 평면에 수직인 축의 주위의 전극 쌍들의 회전 정렬에 따라서 및 트랜스듀서가 동작하는 디스플레이 표면(232) 모드의 위치(즉, 단일 위상 또는 2 위상)에 대하여, 이 횡방향 움직임은 360°내의 임의의 방향 또는 방향들일 수 있다. 예를 들면, 횡방향 피드백 움직임은 사용자의 손가락(또는 손바닥 또는 그립(grip) 등)의 전방 방향에 대하여 좌우로 또는 위로 아래로일 수 있다(둘 다 2-위상 액추에이션임). 숙련된 당업자는 햅틱 피드백 장치의 접촉 표면에 대해 가로 또는 수직인 피드백 변위를 제공하는 어떤 다른 액추에이터 구성들을 인지하겠지만, 그렇게 구성된 장치의 전체 프로파일은 전술한 디자인보다 더 클 수 있다.
도 9d-9g는 장치의 디스플레이 스크린을 가로질러 배치될 수 있는 전기활성 중합체들의 어레이의 예를 예시한다. 이 예에서, EAP 막 어레이(200)(도 9f 참조)의 전압 및 접지 측면들(200a 및 200b) 각각은 본 발명의 촉각 피드백 장치들에서 사용하기 위한 EAP 액추에이터들의 어레이에서 사용된다. 막 어레이(200)는 공간 및 전력 효율을 증가시키고 제어 회로를 단순화하도록 행렬 구성으로 제공된 전극 어레이를 포함한다. EAP 막 어레이의 고전압 측면(200a)은 유전체 막(208) 재료 상에 수직으로 이어지는(도 9d에 예시된 관점에 따라) 전극 패턴들(202)을 제공한다. 각 패턴(202)은 고전압 라인들(202a, 202b)의 쌍을 포함한다. EAP 막 어레이의 대향 또는 접지 측면(200b)은 고전압 전극들에 대하여 가로로, 즉, 수평으로 이어지는 전극 패턴들(206)을 제공한다.
각 패턴(206)은 접지 라인들(206a, 206b)의 쌍을 포함한다. 대향하는 고전압 및 접지 라인들(202a, 206a 및 202b, 206b)의 각 쌍은 대향 전극 쌍들의 활성화가 화살표들(212)로 예시된 방향들로 2-위상 출력 움직임을 제공하도록 개별적으로 활성화 가능한 전극 쌍을 제공한다. 조립된 EAP 막 어레이(200)(유전체 막(208)의 상부 및 하부 측면들 상의 전극들의 교차 패턴을 예시함)는 도 9f에서 EAP 트랜스듀서들(222)의 어레이(204)의 분해도 내에 제공되고, 그 후자는 도 9g에서 그것의 조립된 형태로 예시되어 있다. EAP 막 어레이(200)는 대향하는 프레임 어레이들(214a, 214b) 사이에 샌드위칭되고, 2개의 어레이들 각각 내의 각 개별 프레임 세그먼트(216)는 개방 영역 내의 중앙에 배치된 출력 디스크(218)에 의해 정의된다. 프레임/디스크 세그먼트들(216) 및 전극 구성들의 각각의 조합은 EAP 트랜스듀서(222)를 형성한다. 원하는 액추에이터의 응용 및 유형에 따라서, 트랜스듀서 어레이(204)에 컴포넌트들의 추가적인 층들이 추가될 수 있다. 트랜스듀서 어레이(220)는 예를 들면 디스플레이 스크린, 센서 표면, 또는 터치 패드와 같은 사용자 인터페이스 어레이에 전부 통합될 수 있다.
감각/햅틱 피드백 장치(2)를 단일-위상 모드에서 동작시킬 때, 액추에이터(30)의 하나의 일 전극 쌍만이 임의의 한 시점에 활성화될 것이다. 액추에이터(30)의 단일-위상 동작은 단일 고전압 전원을 이용하여 제어될 수 있다. 단일-선택된 일 전극 쌍에 인가되는 전압이 증가될 때, 트랜스듀서 막의 활성화된 부분(절반)은 확장될 것이고, 그에 의해 출력 디스크(20)를 면내에서 트랜스듀서 막의 비활성 부분의 방향으로 움직인다. 도 11a는 2개의 일 전극 쌍들을 단일-위상 모드에서 교대로 활성화할 때 중립 위치에 대하여 액추에이터(30)의 감각 피드백 신호의 힘-스크로크 관계(즉, 출력 디스크 변위)를 예시한다. 예시된 바와 같이, 출력 디스크의 각각의 힘들 및 변위들은 서로 같지만 정반대 방향들이다. 도 11b는 이 단일-위상 모드에서 동작할 때의 액추에이터의 출력 변위에 대한 인가된 전압의 결과적인 비선형 관계를 예시한다. 공유된 유전체 막을 경유한 2개의 전극 쌍들의 "기계적" 연결은 출력 디스크를 정반대 방향들로 움직이도록 하는 것일 수 있다. 따라서, 양쪽 전극 쌍들이 동작할 때, 비록 서로 관계없기는 하지만, 제1 일 전극 쌍에의 전압의 인가(위상 1)는 출력 디스크(20)를 한 방향으로 움직일 것이고, 제2 일 전극 쌍에의 전압의 인가(위상 2)는 출력 디스크(20)를 정반대 방향으로 움직일 것이다. 도 11b의 다양한 그래프들이 반영하는 바와 같이, 전압이 선형으로 변경될 때, 액추에이터의 변위는 비선형이다. 변위 동안의 출력 디스크의 가속 역시 2개의 위상의 동기화된 동작을 통하여 제어되어 햅틱 피드백 효과를 강화할 수 있다. 액추에이터는 또한 출력 디스크의 더 복잡한 움직임을 가능하게 하도록 독립적으로 활성화될 수 있는 둘보다 많은 위상들로 분할될 수 있다.
출력 부재 또는 컴포넌트의 더 큰 변위를 달성하고, 따라서 사용자에게 더 큰 감각 피드백 신호를 제공하기 위해, 액추에이터(30)는 2-위상 모드에서 동작한다(즉, 액추에이터의 양쪽 부분들을 동시에 활성화한다). 도 11c는 액추에이터가 2-위상 모드에서 동작할 때의 출력 디스크의 감각 피드백 신호의 힘-스트로크 관계를 예시한다. 예시된 바와 같이, 이 모드에서 액추에이터의 2개의 부분들(32, 34)의 힘 및 스트로크는 둘 다 동일한 방향이지만 단일-위상 모드에서 동작할 때의 액추에이터의 힘 및 스트로크보다 2배의 크기를 갖는다. 도 11d는 이 2-위상 모드에서 동작할 때의 액추에이터의 출력 변위에 대한 인가된 전압의 결과적인 선형 관계를 예시한다. 도 13의 블록도(40)에서 예시된 방식과 같이, 액추에이터의 기계적으로 연결된 부분들(32, 34)을 전기적으로 직렬로 접속시키고 그것들의 공통 노드(55)를 제어하는 것에 의해, 공통 노드(55)의 전압과 출력 부재(어떤 구성이든지)의 변위(또는 블로킹된 힘) 사이의 관계는 선형 상관 관계에 접근한다. 이 동작 모드에서, 액추에이터(30)의 2개의 부분들(32, 34)의 비선형 전압 응답들은 사실상 서로를 상쇄하여 선형 전압 응답을 생성한다. 액추에이터의 각 부분에 대해 하나씩, 제어 회로(44) 및 스위칭 조립체들(46a, 46b)의 사용으로, 이 선형 관계는 제어 회로에 의해 스위치 조립체들에 공급되는 다양한 유형의 파형들의 이용에 의해 액추에이터의 성능이 미조정되고 변조될 수 있게 한다. 회로(40)를 사용하는 것의 다른 이점은 감각 피드백 장치를 동작시키는 데 필요한 스위칭 회로들 및 전원들의 수를 감소시킬 수 있다는 것이다. 회로(40)의 사용이 없으면, 2개의 독립적인 전원들 및 4개의 스위칭 조립체들이 필요할 것이다. 따라서, 회로의 복잡성 및 비용이 감소되는 한편 제어 전압과 액추에이터 변위 사이의 관계가 개선된다(즉, 더욱 선형으로 된다). 또 다른 이점은 2-위상 동작 동안에, 액추에이터는, 성능을 감소시킬 수 있는 지연들을 제거하는, 동시성(synchronicity)을 얻는다는 것이다.
도 12a 내지 12c는 2-위상 전기활성 중합체 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다. 이 변형에서, 트랜스듀서(10)는 유전체 막(96) 주위의 제1 전극 쌍(90) 및 유전체 막(96) 주위의 제2 전극 쌍(92)을 포함하고 이 2개의 전극 쌍들(90 및 92)은 움직임을 전달하는 다른 구조에의 연결을 촉진하는 바(bar) 또는 기계 부재(94)의 대향 측면들에 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 양쪽 전극들(90 및 92)은 동일한 전압에 있다(예를 들어, 양쪽은 제로 전압에 있다). 도 12b에 예시된 바와 같이, 제1 위상에서는, 하나의 전극 쌍(92)이 에너지를 받아 막을 확장하고 바(94)를 거리 D만큼 움직인다. 제2 전극 쌍(90)은 막에 접속되어 있는 특징에 의해 압축되지만 제로 전압에 있다. 도 12c는 제1 전극 쌍(92)의 전압이 감소되거나 오프되는 동안 제2 전극 쌍(90)에 전압이 인가되고 에너지를 받는 제2 위상을 도시한다. 이 제2 위상은 변위가 2 곱하기 D가 되도록 제1 위상과 동기화된다. 도 12d는 시간에 걸친 도 12a 내지 12c의 트랜스듀서(10)의 변위를 예시한다. 도시된 바와 같이, 위상 1은 제1 전극(92)이 위상 1 동안 에너지를 받을 때 양 D만큼 바(94)가 변위될 때 일어난다. 시간 T1에서 위상 2의 시작이 일어나고 대향 전극(90)은 제1 전극(92)의 전압의 감소와 동시에 에너지를 받는다. 2개의 위상에 걸친 바(94)의 최종 변위는 2 × D이다.
원하는 감각 피드백(60b)을 달성하기 위해 사용자로부터의 입력 힘(60a)을 전달하기 위해 다양한 유형의 메커니즘들이 이용될 수 있다(도 10 참조). 예를 들면, 사용자에 의해 입력된 사용자 접촉 표면에 가해진 기계적 힘을 감지하기 위해 사용자 인터페이스 패드(4) 내에 용량성 또는 저항성 센서(50)(도 13 참조)가 수용될 수 있다. 센서(50)로부터의 전기 출력(52)은 제어 회로(44)에 공급되고 제어 회로(44)는 제어 회로에 의해 제공된 모드 및 파형에 따라 스위치 조립체들(46a, 46b)을 트리거하여 전원(42)으로부터의 전압을 감각 피드백 장치의 각각의 트랜스듀서 부분들(32, 34)에 인가한다.
본 발명의 다른 변형은 EAP 막에 발생할 수 있는 습기 또는 수분 응결의 효과를 최소화하기 위해 EAP 액추에이터들의 기밀 실링(hermetic sealing)을 수반한다. 아래에 설명된 다양한 실시예들에서, EAP 액추에이터는 촉각 피드백 장치의 다른 컴포넌트들과는 실질적으로 개별적으로 장벽 막으로 실링된다. 장벽 막 또는 케이스는 습기가 실링된 막 내부로 누출되는 것을 최소화하기 위해 바람직하게는 열 실링되거나(heat sealed) 하는 포일과 같은 것으로 만들어질 수 있다. 장벽 막 또는 케이스의 부분들은 케이스 내의 액추에이터와 케이스 외부의 지점과의 개선된 기계적 연결을 허용하는 컴플라이언트 재료로 만들어질 수 있다. 이들 장치 실시예들 각각은 액추에이터의 출력 부재의 피드백 움직임과 사용자 입력 표면, 예를 들어, 키패드의 접촉 표면과의 연결을 가능하게 함과 동시에, 기밀 실링된 액추에이터 패키지의 임의의 손상을 최소화한다.
액추에이터의 움직임을 사용자 인터페이스 접촉 표면에 연결하기 위한 다양한 예시적인 수단들이 또한 제공된다. 방법에 관하여, 본 방법들은 설명된 장치들의 사용과 관련된 기계 구조 및/또는 활동들 각각을 포함할 수 있다. 따라서, 설명된 장치들의 사용에 내재하는 방법은 본 발명의 부분을 형성한다. 다른 방법들은 그러한 장치들의 제조에 집중할 수 있다.
도 14a는 사용자 입력 장치(190)에 연결된 EAP 액추에이터들(204)의 평면 어레이의 예를 보여준다. 도시된 바와 같이, EAP 액추에이터들(204)의 어레이는 스크린(232)의 일부를 커버하고 스탠드 오프(256)를 통해 장치(190)의 프레임(234)에 연결된다. 이 변형에서, 스탠드 오프(256)는 액추에이터들(204) 및 스크린(232)의 움직임을 위한 틈(clearance)을 허용한다. 장치(190)의 일 변형에서 액추에이터들(204)의 어레이는 원하는 응용에 따라 사용자 인터페이스 표면 또는 스크린(232)의 배후에 있는 다수의 개별 액추에이터들 또는 액추에이터들의 어레이일 수 있다. 도 14b는 도 14a의 장치(190)의 저면도를 보여준다. 화살표(254)에 의해 도시된 바와 같이 EAP 액추에이터들(204)은 스크린(232)에 수직인 방향으로의 움직임의 대안으로서, 또는 그와 조합하여 축을 따른 스크린(232)의 움직임을 허용할 수 있다.
지금까지 설명한 트랜스듀서/액추에이터 실시예들은 EAP 트랜스듀서 막의 활성 영역(즉, 겹친 전극들을 포함하는 영역들) 및 비활성 영역 양쪽 모두에 연결된 패시브 층(들)을 갖는다. 트랜스듀서/액추에이터가 또한 강성 출력 구조를 이용한 경우, 그 구조는 활성 영역들 위에 있는 패시브 층들의 영역들 위에 배치되었다. 또한, 이들 실시예들의 활성/활성화 가능한 영역들은 비활성 영역들에 대하여 중심에 배치되었다. 본 발명은 또한 다른 트랜스듀서/액추에이터 구성들을 포함한다. 예를 들면, 패시브 층(들)은 활성 영역들만을 또는 비활성 영역들만을 커버할 수 있다. 또한, EAP 막의 비활성 영역들은 활성 영역들에 대하여 중심에 배치될 수 있다.
도 15의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 표면 변형 EAP 액추에이터(10)의 개략도가 제공되어 있다. 액추에이터(10)는 얇은 탄성 유전체 중합체 층(14) 및 그것의 상부 표면 및 하부 표면의 부분들 상에 각각 유전체(14)에 부착된 상부 및 하부 전극들(16a, 16b)을 갖는 EAP 트랜스듀서(12)를 포함한다. 유전체 및 적어도 2개의 전극을 포함하는 트랜스듀서(12)의 부분을 여기서는 활성 영역이라고 한다. 본 발명의 트랜스듀서들 중 어떤 것이라도 하나 이상의 활성 영역들을 가질 수 있다.
겹치고 정반대로 대전된 전극들(16a, 16b)(활성 영역)을 가로질러 전압 차이가 인가될 때, 대향 전극들은 서로를 끌어당겨 그들 사이의 유전체 중합체 층(14)의 부분을 압축한다. 전극들(16a, 16b)이 서로 더 가까이 당겨질 때(z 축을 따라), 그들 사이의 유전체 층(14)의 부분은 평면 방향들로(x 및 y 축들을 따라) 확장하면서 더 얇아진다. 비압축성 중합체들, 즉, 스트레스 하에 실질적으로 일정한 부피를 갖는 것들의 경우, 또는 프레임 내의 다른 비압축성 중합체들 등의 경우, 이 액션은 활성 영역(즉, 전극들에 의해 커버된 영역) 밖의, 특히 활성 영역의 에지들 주변 상의 주위로, 즉, 그 에지들의 바로 주위의 컴플라이언트 유전체 재료가 두께 방향으로(트랜스듀서 막에 의해 정의된 평면에 직각으로) 면외로 변위되거나 부풀게 한다. 이 부풀림은 유전체 표면 특징부들(24a-d)을 생성한다. 면외 표면 특징부들(24)은 활성 영역에 대해 비교적 국지적인 것으로 도시되어 있지만, 그 면외는 반드시 도시된 바와 같이 국지화되어 있는 것은 아니다. 일부 경우에, 중합체가 프리-스트레이닝되면, 표면 특징부들(24a-b)은 유전체 재료의 비활성 부분의 표면 영역에 걸쳐 분포된다.
본 트랜스듀서들의 표면 특징부들의 수직 프로파일 및/또는 가시성을 증대하기 위해, 트랜스듀서 막 구조의 일 측면 또는 양 측면에 옵션의 패시브 층이 추가될 수 있고 그 패시브 층은 EAP 막 표면 영역의 전부 또는 일부를 커버한다. 도 15의 (a) 및 (b)의 액추에이터 실시예에서는, EAP 막(12)의 상부 측면 및 하부 측면에 각각 상부 및 하부 패시브 층들(18a, 18b)이 부착되어 있다. 액추에이터의 활성화 및 그 결과로 생기는 유전체 층(12)의 표면 특징부들(17a-d)은, 도 15의 (b)의 참조 번호들 26a-d로 표시된 바와 같이, 패시브 층들(18a, 18b)의 추가된 두께에 의해 증대된다.
융기된 중합체/패시브 층 표면 특징부들(26a-d) 외에도, EAP 막(12)은 하나 또는 양쪽 전극들(16a, 16b)이 유전체 층의 두께 아래로 함몰되도록 구성될 수 있다. 따라서, 함몰된 전극 또는 그것의 부분은 EAP 막(12)의 작동시에 전극 표면 특징부 및 그 결과로 생기는 유전체 재료(14)의 편향을 제공한다. 전극들(16a, 16b)은 맞춤식(customized) 트랜스듀서 막 표면 특징부들을 생성하도록 패터닝되거나 설계될 수 있고, 그 표면 특징부들은 중합체 표면 특징부들, 전극 표면 특징부들 및/또는 패시브 층 표면 특징부들을 포함할 수 있다.
도 15의 (a) 및 (b)의 액추에이터 실시예(10)에서는, 컴플라이언트 패시브 슬래브와 강성 기계 구조 사이에 일을 연결하는 것과 액추에이터의 일 출력을 지시하는 것을 용이하게 하는 하나 이상의 구조들(20a, 20b)이 제공된다. 여기서, 상부 구조(20a)(플랫폼, 바, 지레, 막대 등의 형태일 수 있음)는 출력 부재로서 작용하는 반면 하부 구조(20b)는 액추에이터(10)를 접지와 같은 고정된 또는 강성 구조(22)에 연결하는 역할을 한다. 이들 출력 구조들은 개별 컴포넌트들일 필요는 없고, 액추에이터가 구동하게 되어 있는 구조와 통합되거나 단일체일 수 있다. 구조들(20a, 20b)은 또한 패시브 층들(18a, 18b)에 의해 형성된 표면 특징부들(26a-26d)의 주변 또는 형상을 정의하는 역할을 한다. 예시된 실시예에서, 집합적인 액추에이터 스택은, 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이, 액추에이터의 비활성 부분들의 두께의 증가를 생성하지만, 작동시에 액추에이터가 겪는 높이의 최종 변화 Δh는 네거티브이다.
본 발명의 EAP 트랜스듀서들은 원하는 두께 모드 작동을 제공하기 위해 임의의 적합한 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 추가적인 EAP 막 층이 용량성 센서로서 이용될 수 있는 통합된 감지 능력들을 갖는 키보드 키들과 같은 보다 복잡한 응용들에서 사용되는 트랜스듀서들을 제조하기 위해 하나보다 많은 EAP 막 층이 이용될 수 있다.
도 16a는 본 발명에 따른 이중 EAP 막 층(34)을 갖는 스택 트랜스듀서(32)를 이용하는 그러한 액추에이터(30)를 예시한다. 이중 층은 2개의 유전체 탄성체 막들을 포함하고 여기서 상부 막(34a)은 상부 전극과 하부 전극(각각, 34b, 34c) 사이에 샌드위칭되어 있고, 하부 막(36a)은 상부 전극과 하부 전극(각각, 36b, 36c) 사이에 샌드위칭되어 있다. 전극들을 전원(도시되지 않음)의 고전압 측 및 접지 측에 연결하기 위해 전도성 트레이스들 또는 층들(일반적으로 "버스 바들"이라고 함)의 쌍들이 제공된다. 버스 바들은 각각의 EAP 막들의 "비활성" 부분들(즉, 상부 전극과 하부 전극이 겹치지 않는 부분들) 상에 배치된다. 상부 및 하부 버스 바들(42a, 42b)은 각각 유전체 층(34a)의 상부 및 하부 측면들 상에 배치되고, 상부 및 하부 버스 바들(44a, 44b)은 각각 유전체 층(36a)의 상부 및 하부 측면들 상에 배치된다. 유전체(34a)의 상부 전극(34b) 및 유전체(36a)의 하부 전극(36c), 즉, 2개의 바깥쪽을 향하는 전극들은 전도성 탄성체 비아(68a)(도 16b에 도시됨) - 이것의 형성에 대해서는 도 17a-17d를 참조하여 아래에 더 상세히 설명됨 - 를 통하여 버스 바들(42a 및 44a)의 상호 연결에 의하여 공통으로 분극된다. 유전체(34a)의 하부 전극(34c) 및 유전체(36a)의 상부 전극(36b), 즉, 2개의 안쪽을 향하는 전극들은 전도성 탄성체 비아(68b)(도 16b에 도시됨)를 통하여 버스 바들(42b 및 44b)의 상호 연결에 의하여 공통으로 분극된다. 포팅(potting) 재료(66a, 66b)는 비아(68a, 68b)를 실링하기 위해 이용된다. 액추에이터를 동작시킬 때, 각각의 전극 쌍의 대향 전극들은 전압이 인가될 때 서로 당겨진다. 안전을 위해, 접지 전극들은 임의의 관통 물체가 고전압 전극들에 도달하기 전에 그것을 접지시키기 위해 스택의 외면에 배치되어, 감전 위험을 제거할 수 있다. 2개의 EAP 막 층들은 막간(film-to-film) 접착제(40b)에 의해 서로 접착될 수 있다. 접착제 층은 옵션으로 성능을 강화하기 위해 패시브 또는 슬래브 층을 포함할 수 있다. 상부 패시브 층 또는 슬래브(50a) 및 하부 패시브 층(52b)은 접착제 층(40a)에 의해 및 접착제 층(40c)에 의해 트랜스듀서 구조에 접착된다. 출력 바들(46a, 46b)은 각각 접착제 층들(48a, 48b)에 의해 각각 상부 및 하부 패시브 층들에 연결될 수 있다.
본 발명의 액추에이터들은 임의의 적합한 수의 트랜스듀서 층들을 이용할 수 있고, 그 층들의 수는 짝수 또는 홀수일 수 있다. 후자의 구조에서는, 하나 이상의 공통 접지 전극 및 버스 바가 이용될 수 있다. 또한, 안전이 덜 문제가 되는 경우, 고전압 전극들은 특정한 응용을 더 잘 수용하기 위해 트랜스듀서 스택의 외면에 배치될 수 있다.
동작하기 위해, 액추에이터(30)는 전원 및 제어 일렉트로닉스(어느 쪽도 도시되지 않음)에 전기적으로 연결되어야 한다. 이것은 고전압 및 접지 비아들(68a, 68b)을 전원 또는 중간 접속부에 연결하는, 액추에이터 상의 또는 PCB 또는 플렉스 커넥터(62) 상의 전기 트레이싱 또는 와이어들에 의하여 달성될 수 있다. 액추에이터(30)는 습기 및 환경 오염물질로부터 그것을 실링하기 위해 보호 장벽 재료 내에 패키징될 수 있다. 여기서, 보호 장벽은 상부 및 하부 커버들(60, 64)을 포함하고 그것들은 바람직하게는 외부 힘들 및 스트레인들 및/또는 환경 노출로부터 액추에이터를 보호하기 위해 PCB/플렉스 커넥터(62)의 주위에 실링된다. 일부 실시예들에서, 보호 장벽은 기밀 실링을 제공하기 위해 불투수성(impermeable)일 수 있다. 커버들은 물리적 손상으로부터 액추에이터(30)를 보호하기 위해 다소 단단한 형태를 가질 수 있고 또는 액추에이터(30)의 작동 변위를 위한 여유를 허용하도록 컴플라이언트할 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 상부 커버(60)는 형성된 포일로 만들어지고 하부 커버(64)는 컴플라이언트 포일로 만들어지거나, 또는 그 반대이고, 2개의 커버들은 그 후 보드/커넥터(62)에 열 실링된다. 금속화된 중합체 막들, PVDC, Aclar, 스티렌계 또는 올레핀계 공중합체, 폴리에스테르 및 폴리올레핀 등의 다수의 다른 패키징 재료가 또한 이용될 수 있다. 액추에이터 출력을 변환하는, 출력 구조 또는 구조들(여기서 바(46b))을 커버하기 위해 컴플라이언트 재료가 이용된다.
방금 설명한 액추에이터(30)와 같은, 본 발명의 스택용 액추에이터/트랜스듀서 구조들의 전도성 컴포넌트들/층들은 스택 구조를 통하여 형성된 전기 비아들(도 16b의 68a 및 68b)에 의하여 공통으로 연결된다. 도 17a-19는 비아를 형성하기 위한 본 발명의 다양한 방법들을 예시한다.
도 16b의 액추에이터(30)에서 이용되는 유형의 전도성 비아들의 형성에 대하여 도 17a-17d를 참조하여 설명한다. (여기서, 패시브 층들(78a, 78b) 사이에 집합적으로 샌드위칭된, 유전체 층(74)의 비활성 부분들의 대향 측면들 상에 배치된 정반대로 배치된(diametrically positioned) 버스 바들(76a, 76b)을 갖는 단일 막 트랜스듀서로부터 구성된) 액추에이터(70)를 PCB/플렉스 커넥터(72)에 적층하기 전 또는 후에, 스택 트랜스듀서/액추에이터 구조(70)는, 도 17b에 예시된 바와 같이, 비아 홀들(82a, 82b)을 형성하기 위해 그 전체 두께를 통하여 PCB(72)까지 레이저 천공된다(80). 비아 홀들을 생성하기 위한 다른 방법들, 예를 들어, 기계적 천공, 펀칭, 몰딩, 피어싱, 및 코어링(coring) 등이 이용될 수도 있다. 비아 홀들은 그 후, 도 17c에 도시된 바와 같이, 주입과 같은 임의의 적합한 분배 방법에 의해, 전도성 재료, 예를 들어, 실리콘 내의 카본 입자들로 채워진다. 그 후, 도 17d에 도시된 바와 같이, 전도성으로 채워진 비아들(84a, 84b)은 옵션으로 임의의 양립할 수 있는 비전도성 재료, 예를 들어, 실리콘으로 포팅되어(86a, 86b) 비아들의 노출된 단부를 전기적으로 분리시킨다. 대안적으로, 노출된 비아들 위에 비전도성 테이프가 배치될 수 있다.
액추에이터를 전원 및 일렉트로닉스에 연결하기 위해 PCB 또는 플렉스 커넥터 대신에 표준 전기 배선이 이용될 수 있다. 그러한 실시예들에서 전원으로 전기 비아들 및 전기 연결들을 형성하는 다양한 단계들이 도 18a-18d에 예시되어 있고 도 17a-17d의 컴포넌트들 및 단계들과 유사한 컴포넌트들 및 단계들은 동일한 참조 번호들을 갖는다. 여기서, 도 18a에 도시된 바와 같이, 비아 홀들(82a, 82b)은 액추에이터 두께 내에서 버스 바들(84a, 84b)이 도달되는 정도까지의 깊이까지만 천공될 필요가 있다. 비아 홀들은 그 후 도 18b에 도시된 바와 같이, 전도성 재료로 채워지고, 그 후 도 18c에 도시된 바와 같이, 퇴적된 전도성 재료 내에 와이어 도선들(88a, 88b)이 삽입된다. 전도성 있게 채워진 비아들 및 와이어 도선들은 그 후 도 18d에 도시된 바와 같이, 위에 포팅된다.
도 19는 본 발명의 트랜스듀서들 내에 전도성 비아들을 제공하는 다른 방법을 예시한다. 트랜스듀서(100)는 전극들(106a, 106b) 사이에 샌드위칭된 부분들을 갖는 유전체 층(104)을 포함하고, 전극들(106a, 106b)은 패시브 중합체 층들(110a, 110b) 사이에 샌드위칭된다. EAP 막의 비활성 영역 상에 전도성 버스 바(108)가 제공된다. 피어싱 구성을 갖는 전도성 콘택트(114)가, 버스 바 재료(108)를 관통하는 깊이까지 트랜스듀서의 한 측면을 통하여, 수동으로 또는 다른 방법으로 구동된다. 피어싱 콘택트(114)의 노출된 단부로부터 PCB/플렉스 커넥터(112)를 따라 전도성 트레이스(116)가 연장한다. 비아들을 형성하는 이 방법은 비아 홀들을 천공하는 단계, 비아 홀들을 채우는 단계, 비어 홀들 내에 전도성 와이어를 배치하는 단계 및 비아 홀들을 포팅하는 단계를 제거하기 때문에 특히 효율적이다.
본 발명의 EAP 트랜스듀서들은 임의의 적합한 구조 및 표면 특징부 외양을 갖는 각종 액추에이터 응용들에서 사용 가능하다. 도 20a-24는 예시적인 두께 모드 트랜스듀서/액추에이터 응용들을 예시한다.
도 20a는 사용자가 장치, 예를 들어, 키보드, 터치 스크린, 전화기 등과 물리적으로 접촉하는 촉각 또는 햅틱 피드백 응용들에서 사용되는 버튼 액추에이터에 이상적인 원형 구조를 갖는 두께 모드 트랜스듀서(120)를 예시한다. 트랜스듀서(120)는 얇은 탄성 유전체 중합체 층(122) 및 상부 및 하부 전극 패턴들(124a, 124b)(하부 전극 패턴은 환영으로 도시됨) - 도 20b의 분리도에 가장 잘 도시됨 - 로 형성된다. 전극 패턴들(124) 각각은 동심 패턴을 형성하는 복수의 반대로 연장하는 손가락 부분들(127)을 갖는 줄기 부분(125)을 제공한다. 2개의 전극들의 줄기들은 원형 유전체 층(122)의 대향 측면들 상에 서로 정반대로 배치되고 그들 각각의 손가락 부분들은 서로 병렬로 정렬되어(in appositional alignment) 도 20a에 도시된 패턴을 생성한다. 이 실시예에서 대향하는 전극 패턴들은 서로 동일하고 대칭하지만, 대향하는 전극 패턴들이 형상 및/또는 그것들이 차지하는 표면 면적의 양에서 비대칭인 다른 실시예들이 예상된다. 2개의 전극 재료들이 겹치지 않는 트랜스듀서 재료의 부분들은 트랜스듀서의 비활성 부분들(128a, 128b)을 정의한다. 2개의 전극 줄기 부분들 각각의 베이스에 트랜스듀서를 전원 및 제어 일렉트로닉스(어느 쪽도 도시되지 않음)에 전기적으로 연결하기 위한 전기 콘택트(126a, 126b)가 제공된다. 트랜스듀서가 활성화될 때, 대향하는 전극 손가락들은 서로 당겨져서, 그들 사이의 유전체 재료(122)를 압축하고 트랜스듀서의 비활성 부분들(128a, 128b)은 부풀어서 원하는 대로 버튼의 주변 주위에 및/또는 버튼의 내부에 표면 특징부들을 형성한다.
버튼 액추에이터는 단일 입력 또는 접촉 표면의 형태일 수 있고 또는 복수의 접촉 표면들을 갖는 어레이 포맷으로 제공될 수 있다. 어레이들의 형태로 구성될 때, 도 20a의 버튼 트랜스듀서들은, 각종의 사용자 인터페이스 장치들, 예를 들어, 컴퓨터 키보드, 전화, 계산기 등을 위한, 도 21에 예시된 바와 같은, 키패드 액추에이터들(130)에서 사용하기에 이상적이다. 트랜스듀서 어레이(132)는 상호 연결된 전극 패턴들의 상부 어레이(136a) 및 전극 패턴들의 하부 어레이(136b)(환영으로 도시됨)를 포함하고 이 2개의 어레이들은 서로 대향하여 설명된 활성 및 비활성 부분들을 갖는 도 20a의 동심 트랜스듀서 패턴을 생성한다. 키보드 구조는 트랜스듀서 어레이(132)의 위에 패시브 층(134)의 형태일 수 있다. 패시브 층(134)은 키 테두리(key border)(138)와 같은 그 자신의 표면 특징부들을 가질 수 있고, 그것들은 패시브 상태에서 융기되어 사용자가 그의 손가락들을 개별 키 패드들과 촉각으로 정렬시킬 수 있게 하고, 및/또는 활성화시에 각각의 버튼들의 주변의 부풀림을 더욱 증대할 수 있다. 키가 눌릴 때, 그것이 놓인 개별 트랜스듀서가 활성화되어, 전술한 바와 같이 두께 모드 부풀림을 일으켜, 사용자에게 촉각 감각을 제공한다. 임의의 수의 트랜스듀서들이 이런 식으로 제공되고 사용되고 있는 키패드(134)의 유형 및 사이즈를 수용하도록 떨어져 배치될 수 있다. 그러한 트랜스듀서 어레이들에 대한 제조 기법들의 예들은 발명의 명칭이 ELECTROACTIVE POLYMER TRANSDUCERS FOR SENSORY FEEDBACK APPLICATIONS인 2008년 6월 27일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/163,554에 개시되어 있고, 그 출원의 전체 내용이 참고로 통합된다.
숙련된 당업자들은 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서들이 대칭일 필요가 없고 임의의 구조 및 형상을 가질 수 있다는 것을 알 것이다. 본 트랜스듀서들은 도 22에 예시된 신규 손 장치(140)와 같은 상상할 수 있는 임의의 응용에서 사용될 수 있다. 인간의 손 형태의 유전체 재료(142)가 유사한 손 형상의 상부 및 하부 전극 패턴들(144a, 144b)(아래쪽 패턴은 환영으로 도시됨)을 가지고 제공된다. 이 전극 패턴들 각각은 버스 바(146a, 146b)에 각각 전기적으로 연결되고, 버스 바는 전원 및 제어 회로(어느 쪽도 도시되지 않음)에 전기적으로 연결된다. 여기서, 대향하는 전극 패턴들은 개재되기보다는 서로 또는 서로의 위에 정렬되어, 교호의 활성 및 비활성 영역들을 생성한다. 따라서, 전체로서 패턴의 내부 및 외부 에지들에서만 융기된 표면 특징부들을 생성하는 대신에, 손 프로파일의 전체에 걸쳐서, 즉, 비활성 영역들 상에 융기된 표면 특징부들이 제공된다. 이 예시적인 응용에서의 표면 특징부들은 촉각 피드백보다는 시각적 피드백을 제공할 수 있다는 것에 유의한다. 시각적 피드백은 채색, 반사 재료 등에 의해 강화될 수 있는 것이 예상된다.
본 발명의 트랜스듀서 막은, 특히 트랜스듀서 전극 패턴이 균일하거나 반복적인 경우, 일반적으로 이용되는 웹 기반 제조 기법들에 의해, 효율적으로 대량 생산될 수 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 막(150)은 유전체 재료(152)의 스트립 상에 퇴적되거나 형성된 연속적인 상부 및 하부 전기 버스들(156a, 156b)을 갖는 연속적인 스트립 포맷으로 제공될 수 있다. 가장 전형적으로, 두께 모드 특징부들은 각각의 버스 바들(156a, 156b)에 전기적으로 연결된 상부 및 하부 전극 패턴들(154a, 154b)에 의해 형성된 불연속(즉, 연속적이지 않음)이지만 반복적인 활성 영역들(158)에 의해 정의되고; 그것의 사이즈, 길이, 형상 및 패턴은 특정한 응용에 맞추어질 수 있다. 그러나, 활성 영역(들)은 연속적인 패턴으로 제공될 수 있는 것이 예상된다. 전극 및 버스 패턴들은 공지된 웹 기반 제조 기법들에 의해 형성될 수 있고, 개별 트랜스듀서들은 그 후, 또한 선택된 싱귤레이션 라인들(155)을 따라 스트립(150)을 절단하는 것 등의 공지된 기법들에 의해 싱귤레이션된다. 활성 영역들이 스트립을 따라 연속적으로 제공되는 경우, 스트립은 전극들의 단락을 피하기 위해 높은 정밀도로 절단될 필요가 있다는 것에 유의한다. 이들 전극들의 절단된 단부들은 트래킹 문제들을 피하기 위해 포팅을 필요로 할 수 있고 또는 다르게는 에치 백될 수 있다. 그 후 버스들(156a, 156b)의 절단된 단자들은 결과로 생긴 액추에이터들의 작동을 가능하게 하기 위해 전원/제어에 연결된다.
싱귤레이션의 전에 또는 후에, 스트립 또는 싱귤레이션된 스트립 부분들은 임의의 수의 다른 트랜스듀서 막 스트립들/스트립 부분들과 스택되어 다층 구조를 제공할 수 있다. 스택 구조는 그 후, 원한다면, 출력 바 등과 같은 액추에이터의 강성 기계 컴포넌트들에 적층되고 기계적으로 연결될 수 있다.
도 24는 본 트랜스듀서들의 다른 변형을 예시하는 것으로, 유전체 재료의 스트립(162)으로 형성된 트랜스듀서(160)이고, 스트립의 대향하는 측면들 상의 상부 및 하부 전극들(164a, 164b)이 직사각형 패턴으로 배열되어 개방 영역(165)의 틀을 만들고 있다. 전극들 각각은 전원 및 제어 일렉트로닉스(어느 쪽도 도시되지 않음)에 연결하기 위한 전기 콘택트 포인트(168a, 168b)를 갖는 전극 버스(166a, 166b)에서 각각 종단한다. 둘러싸인 영역(165)을 가로질러 연장하는 패시브 층(도시되지 않음)이 트랜스듀서 막의 어느 한 측면에서 이용되어, 출력 바들(역시 도시되지 않음)의 환경적 보호 및 기계적 연결을 위한, 개스킷 구성을 형성한다. 구성된 바와 같이, 트랜스듀서의 활성화는 트랜스듀서 스트립의 내부 및 외부 주변들(169)을 따라 표면 특징부들 및 활성 영역들(164a, 164b)의 두께의 감소를 생성한다. 개스킷 액추에이터는 연속적인 단일 액추에이터일 필요가 없다는 것에 유의한다. 옵션으로 비활성 컴플라이언트 개스킷 재료로 실링될 수 있는 영역의 주변을 라이닝하기 위해 하나 이상의 불연속 액추에이터들이 이용될 수도 있다.
다른 개스킷-유형 액추에이터들은 위에 참조한 미국 특허 출원 번호 12/163,554에 개시되어 있다. 이들 유형의 액추에이터들은 핸드헬드 멀티미디어 장치, 의료 기구, 키오스크 또는 자동차 계기 패널, 장난감 및 기타 신규 제품 등에서 적용되는 터치 센서 플레이트, 터치 패드 및 터치 스크린에서와 같은 감각(예를 들어, 햅틱 또는 진동) 피드백 응용들에 적합하다.
도 25a-25d는 본 발명의 두께 모드 액추에이터의 변형들을 이용하는 터치 스크린들의 단면도들이고, 4개의 도면들 사이에 같은 참조 번호들이 유사한 컴포넌트들을 참조하고 있다. 도 25a를 참조하면, 터치 스크린 장치(170)는 전형적으로 유리 또는 플라스틱 재료로 만들어진 터치 센서 플레이트(174), 및 옵션으로, 액정 디스플레이(LCD)(172)를 포함할 수 있다. 이 둘은 함께 스택되고 그 사이에 개방 공간(176)을 정의하는 EAP 두께 모드 액추에이터(180)에 의해 떨어져 배치된다. 집합적인 스택 구조는 프레임(178)에 의해 함께 유지된다. 액추에이터(180)는 전극 쌍(184a, 184b)에 의해 중앙에 샌드위칭된 유전체 막 층(182)에 의해 형성된 트랜스듀서 막을 포함한다. 트랜스듀서 막은 상부 및 하부 패시브 층들(186a, 186b) 사이에 샌드위칭되고 또한 한 쌍의 출력 구조들(188a, 188b) 사이에 유지되고 이 출력 구조들은 터치 플레이트(174) 및 LCD(172)에 각각 기계적으로 연결된다. 도 25a의 우측은 액추에이터가 비활성일 때 LCD 및 터치 플레이트의 상대적인 위치를 보여주고, 도 25a의 좌측은 액추에이터가 활성일 때, 즉, 사용자가 화살표(175)의 방향으로 터치 플레이트(174)를 누를 때, 컴포넌트들의 상대적인 위치들을 보여준다. 도면의 좌측으로부터 명백한 바와 같이, 액추에이터(180)가 활성화될 때, 전극들(184a, 184b)은 서로 당겨져서 그 사이의 유전체 막(182)의 부분을 압축하는 한편 그 활성 영역 외부의 유전체 재료 및 패시브 층들(186a, 186b)에 표면 특징부들을 생성하고, 그 표면 특징부들은 출력 블록들(188a, 188b)에 의해 야기된 압축 힘에 의해 더욱 강화된다. 따라서, 표면 특징부들은 화살표(175)와 정반대의 방향으로 터치 플레이트(174)에 약간의 힘을 제공하고 이는 사용자에게 터치 플레이트를 누르는 것에 응답하는 촉각 감각을 제공한다.
도 25b의 터치 스크린 장치(190)는 도 25a의 그것과 유사한 구조를 갖는데 차이점은 LCD(172)는 직사각형(또는 정사각형 등) 형상의 두께 모드 액추에이터(180)에 의해 틀이 만들어진 내부 영역 이내에 완전히 존재한다는 것이다. 따라서, 장치가 비활성 상태에 있을 때(도면의 우측에 증명된 바와 같이) LCD(172)와 터치 플레이트(174) 사이의 간격(176)은 도 25a의 실시예에서보다 현저히 작아, 보다 낮은 프로파일 디자인을 제공한다. 또한, 액추에이터의 하부 출력 구조(188b)는 프레임(178)의 후방 벽(178')에 바로 얹혀 있다. 이 두 실시예들 사이의 구조적 차이에 관계없이, 액추에이터 표면 특징부들은 터치 플레이트를 누르는 것에 응답하여 화살표(185)와 정반대의 방향으로 약간의 촉각 힘을 제공한다는 점에서 장치(190)는 장치(170)와 유사하게 기능한다.
방금 설명한 2개의 터치 스크린 장치들은 단일 방향으로 기능하기 때문에 단일 위상 장치들이다. 2개(또는 그 이상)의 본 개스킷-유형 액추에이터들이 직렬로(in tandem) 사용되어 도 25c에서와 같이 2 위상(양방향) 터치 스크린 장치(200)를 생성할 수 있다. 장치(200)의 구조는 도 25b의 장치의 구조와 유사하지만 터치 플레이트(174)의 위에 얹혀 있는 제2 두께 모드 액추에이터(180')가 추가되어 있다. 2개의 액추에이터들 및 터치 플레이트(174)는 추가된 안쪽으로 연장하는 상부 숄더(178")를 갖는 프레임(178)에 의해 스택 관계로 유지되어 있다. 따라서, 터치 플레이트(174)는 액추에이터들(180, 180') 각각의 가장 안쪽 출력 블록들(188a, 188b') 사이에 바로 샌드위칭되고, 액추에이터들(180') 각각의 가장 바깥쪽 출력 블록들(188b, 188a')은 프레임 부재들(178' 및 178")을 각각 지지한다. 이 둘러싸인 개스킷 배열은 먼지 및 파편을 공간(176) 내의 광학 경로 밖에 있게 한다. 여기서, 도면의 좌측은 활성 상태의 하부 액추에이터(180) 및 패시브 상태의 상부 액추에이터(180')를 예시하는데 이 경우 센서 플레이트(174)가 화살표(195)의 방향으로 LCD(172) 쪽으로 움직이게 된다. 반대로, 도면의 우측은 패시브 상태의 하부 액추에이터(180) 및 활성 상태의 상부 액추에이터(180')를 예시하는데 이 경우 센서 플레이트(174)가 화살표(195')의 방향으로 LCD(172)로부터 떨어져 움직이게 된다.
도 25d는 다른 2 위상 터치 센서 장치(210)를 예시하는 것으로, 한 쌍의 두께 모드 스트립 액추에이터들(180)이 전극들과 함께 터치 센서 플레이트에 직각으로 향해 있다. 여기서, 터치 플레이트(174)의 2 위상 또는 양방향 움직임은 화살표(205)에 의해 지시된 바와 같이 면내이다. 그러한 면내 움직임을 가능하게 하기 위해, 액추에이터(180)는 그것의 EAP 막의 평면이 LCD(172) 및 터치 플레이트(174)의 평면들에 직각이 되도록 위치된다. 그러한 위치를 유지하기 위해, 액추에이터(180)는 프레임(178)의 측벽(202)과 터치 플레이트(174)가 얹혀 있는 내부 프레임 부재(206) 사이에 유지된다. 내부 프레임 부재(206)는 액추에이터(180)의 출력 블록(188a)에 부착되지만, 그것과 터치 플레이트(174)는 면내 또는 횡방향 움직임을 허용하도록 출력 프레임(178)에 대하여 "부동적(floating)"이다. 이 구조는 터치 플레이트(174)에 의한 2 위상 면외 움직임을 위해 필요할 추가된 틈을 제거하기 때문에 비교적 콤팩트한 저 프로파일 디자인을 제공한다. 2개의 액추에이터들은 2 위상 움직임을 위하여 반대로 동작한다. 플레이트(174)와 브래킷들(206)의 조합된 조립체는 액추에이터 스트립들(180)을 프레임(178)의 측벽(202)에 대해 약간 압축 상태로 유지한다. 하나의 액추에이터가 활성일 때, 그것은 더 압축되거나 얇아지고 다른 액추에이터는 축적된 압축 힘으로 인해 팽창한다. 이것은 플레이트 조립체를 활성 액추에이터 쪽으로 움직인다. 플레이트는 제1 액추에이터를 비활성화하고 제2 액추에이터를 활성화하는 것에 의해 정반대 방향으로 움직인다.
도 26의 (a) 및 (b)는 트랜스듀서의 비활성 영역이 활성 영역(들)에 대해 내부에 또는 중심에 배치되는, 즉, EAP 막의 중심 부분이 겹치는 전극들이 없는 변형을 예시한다. 두께 모드 액추에이터(360)는 막의 중심 부분(365)이 패시브이고 전극 재료가 없는 전극 층들(364a, 354b) 사이에 샌드위칭된 유전체 층(362)을 포함하는 EAP 트랜스듀서 막을 포함한다. EAP 막은, 집합적으로 카트리지 구성을 제공하는, 상부 및 하부 프레임 부재들(366a, 366b) 중 적어도 하나에 의해 긴장된 또는 신장된 상태에 유지된다. 막의 패시브 부분(365)의 상부 및 하부 측면들 중 적어도 하나를, 옵션의 강성 제약을 갖는 패시브 층들(368a, 368b) 또는 그 위에 각각 마운팅된 출력 부재들(370a, 370b)이 커버하고 있다. EAP 막은 카트리지 프레임(366)에 의해 그것의 주변에서 제한되므로, 활성화될 때(도 26의 (b) 참조), EAP 막의 압축은 막 재료가, 전술한 액추에이터 실시예들에서와 같이 바깥쪽으로보다는 화살표(367a, 367b)에 의해 도시된 바와 같이, 안쪽으로 오그라들게 한다. 압축된 EAP 막은 패시브 재료(368a, 368b)에 작용하여 그것의 직경이 감소하고 그것의 높이가 증가하게 한다. 이러한 구성의 변화는 출력 부재들(370a, 370b)에 각각 밖으로 향하는 힘들(outward forces)을 가한다. 전술한 액추에이터 실시예들에서와 같이, 패시브로 연결된 막 액추에이터들이 스택 또는 평면 관계로 다수 제공되어 다중 위상 작동을 제공하고 및/또는 액추에이터의 출력 힘 및/또는 스트로크를 증가시킬 수 있다.
유전체 막 및/또는 패시브 재료를 프리스트레이닝하는 것에 의해 성능이 강화될 수 있다. 액추에이터는 키 또는 버튼 장치로서 이용될 수 있고 멤브레인 스위치들과 같은 센서 장치들과 스택 또는 통합될 수 있다. 하부 출력 부재 또는 하부 전극은 회로를 완성하기 위해 멤브레인 스위치에 충분한 압력을 제공하기 위해 이용될 수 있고 또는 하부 출력 부재가 전도성 층을 갖는다면 바로 회로를 완성할 수 있다. 키패드들 또는 키보드들과 같은 응용을 위해 다수의 액추에이터들이 어레이에 이용될 수 있다.
미국 특허 출원 공개 번호 2005/0157893에 개시된 다양한 유전체 탄성체 및 전극 재료들은 본 발명의 두께 모드 트랜스듀서들에서 사용하기에 적합하다. 일반적으로, 유전체 탄성체들은 정전기 힘에 응답하여 변형하거나 또는 그 변형이 전계의 변화로 귀결되는, 실리콘 고무 및 아크릴과 같은, 임의의 실질적으로 절연성의 컴플라이언트 중합체를 포함한다. 적절한 중합체를 설계하거나 선택함에 있어서, 최적의 재료, 물리, 및 화학 특성들을 고려할 수 있다. 그러한 특성들은 (임의의 사이드 체인을 포함하는) 단량체, 첨가제, 가교도, 결정도, 분자량 등의 적절한 선택에 의해 맞추어질 수 있다.
거기에 설명되고 사용에 적합한 전극들은 금속 트레이스들 및 전하 분배 층들을 포함하는 구조화된 전극들, 텍스처링된 전극들, 카본 그리스 또는 실버 그리스와 같은 전도성 그리스, 콜로이드 서스펜션, 전도성 카본 블랙, 카본 원섬유, 카본 나노튜브, 그래핀 및 금속 나노와이어와 같은 높은 종횡비의 전도성 재료, 및 이온 전도성 재료들의 혼합물을 포함한다. 전극들은 카본 및 기타 전도성 입자들을 포함하는 탄성체 매트릭스와 같은 컴플라이언트 재료로 만들어질 수 있다. 본 발명은 또한 금속 및 반경직성(semi-inflexible) 전극들을 이용할 수 있다.
본 트랜스듀서들에서 사용되는 예시적인 패시브 층 재료들은, 예를 들어, 실리콘, 스티렌계 또는 올레핀계 공중합체, 폴리우레탄, 아크릴산염, 고무, 소프트 폴리머, 소프트 엘라스토머(겔), 소프트 폴리머 발포체, 또는 폴리머/겔 혼성물을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 패시브 층(들) 및 유전체 층의 상대적인 탄성 및 두께는 원하는 출력을 달성하도록 선택되고(예를 들어, 의도된 표면 특징부들의 최종 두께 또는 희박(thinness)), 그 출력 응답은 선형(예를 들어, 패시브 층 두께는 활성화된 때의 유전체 층의 두께에 비례하여 증대됨) 또는 비선형(예를 들어, 패시브 및 유전체 층들은 변화하는 비율로 더 가늘어지거나 더 두꺼워짐)으로 설계될 수 있다.
방법에 관하여, 본 방법들은 설명된 장치들의 사용과 관련된 기계 구조 및/또는 활동들 각각을 포함할 수 있다. 따라서, 설명된 장치들의 사용에 내재하는 방법은 본 발명의 부분을 형성한다. 다른 방법들은 그러한 장치들의 제조에 집중할 수 있다.
본 발명의 다른 상세들에 관한 한, 숙련된 당업자들의 수준 내에서 재료들 및 대체의 관련 구성들이 이용될 수 있다. 이는 공통적으로 또는 논리적으로 이용된 추가적인 행동들의 점에서 본 발명의 방법 기반 양태들에 관하여 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 옵션으로 다양한 특징들을 포함하여, 몇몇 예들에 관하여 본 발명이 설명되었으나, 본 발명은 본 발명의 각 변형에 관하여 예상되는 것으로 기술되거나 지시된 것에 제한되지 않을 것이다. 설명된 발명에 대해 다양한 변경들이 이루어질 수 있고 본 발명의 진정한 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 동등물들(여기에 기재되었든 얼마간의 간결함을 위하여 포함되지 않았든)이 대용될 수 있다. 임의의 수의 도시된 개별 부품들 또는 서브어셈블리들이 그들의 디자인에 통합될 수 있다. 조립을 위한 디자인의 원리에 의해 그러한 변경들 또는 다른 것들이 착수되거나 안내될 수 있다.
다른 변형에서, 카트리지 조립체 또는 액추에이터(360)는 진동 버튼, 키, 터치패드, 마우스, 또는 기타 인터페이스에서 햅틱 응답을 제공하는 데 사용하기에 적합할 수 있다. 그러한 예에서, 액추에이터(360)의 연결은 비압축성 출력 기하 구조를 이용한다. 이 변형은 출력 기하 구조 내에 몰딩된 비압축성 재료를 이용하는 것에 의해 전기활성 중합체 다이어프램 카트리지의 접합된 중심 제약으로부터의 대안을 제공한다.
중심 디스크가 없는 전기활성 중합체 액추에이터에서, 작동은 전극 기하 구조의 중심에서 패시브 막의 상태를 변화시켜, 스트레스와 스트레인(힘과 변위) 모두를 감소시킨다. 이러한 감소는 한 방향으로만이 아니라, 막의 평면 내의 모든 방향으로 일어난다. 전기활성 중합체가 방전되면, 패시브 막은 원래의 스트레스 및 스트레인 에너지 상태로 돌아간다. 전기활성 중합체 액추에이터는 비압축성 재료(스트레스 하에 실질적으로 일정한 부피를 갖는 것)로 구성될 수 있다. 액추에이터(360)는 중심 디스크를 대체하여, 비활성 영역(365)의 액추에이터(360)의 중심에 패시브 막 영역에 접합된 비압축성 출력 패드(368a, 368b)로 조립된다. 이 구성은 패시브 부분(365)과의 계면에서 출력 패드를 압축하는 것에 의해 에너지를 전달하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 출력 패드(368a, 368b)를 부풀게 하여 평평한 막에 직각인 방향으로 작동을 일으킨다. 이 비압축성 기하 구조는 작동 중에 그것의 변화의 방위를 제어하기 위해 다양한 표면들에 제약을 추가하는 것에 의해 더욱 강화될 수 있다. 상기 예에서, 출력 패드의 상부 표면을 억제하기 위해 비압축성 보강재를 추가하는 것은 그 표면이 그것의 치수를 변화시키는 것을 막아, 그 기하 구조 변경을 출력 패드의 원하는 치수로 집중시킨다.
전술한 변형은 또한 작동시에 전기활성 중합체 유전체 탄성체의 2축 스트레스 및 스트레인 상태 변화들의 연결; 작동 방향에 직각인 작동의 전달; 성능을 최적화하는 비압축성 기하 구조의 디자인을 허용할 수 있다. 전술한 변형들은 임의의 햅틱 피드백(마우스, 컨트롤러, 스크린, 패드, 버튼, 키보드 등)에 대하여, 다이어프램, 평면, 관성 구동, 두께 모드, 하이브리드(첨부된 명세에서 설명된 평면 및 두께 모드의 조합) 및 심지어는 롤(roll)을 포함하는, 다양한 트랜스듀서 플랫폼들을 포함할 수 있다. 이 변형들은 사용자 접촉 표면, 예를 들어, 터치 스크린, 키패드, 버튼 또는 키 캡의 특정 부분을 움직이거나, 장치 전체를 움직일 수 있다.
상이한 장치 구현들은 상이한 EAP 플랫폼들을 요구할 수 있다. 예를 들면, 일례에서, 두께 모드 액추에이터의 스트립은 터치 스크린에 대한 면외 움직임, 키보드 상의 버튼에 대한 키 클릭 감각을 제공하는 하이브리드 또는 평면 액추에이터, 또는 마우스 및 컨트롤러에서 럼블러 피드백(rumbler feedback)을 제공하는 관성 구동 디자인을 제공할 수 있다.
도 27a는 다양한 사용자 인터페이스 장치들에서 햅틱 피드백을 제공하기 위한 트랜스듀서의 다른 변형을 예시한다. 이 변형에서는, 질량(mass) 또는 웨이트(weight)(262)가 전기활성 중합체 액추에이터(30)에 연결된다. 예시된 중합체 액추에이터는 막 카트리지 액추에이터를 포함하지만, 장치의 대안적인 변형들은 위에 개시한 EAP 특허들 및 출원들에서 설명된 바와 같이 스프링 바이어싱된 액추에이터를 이용할 수 있다.
도 27b는 도 27a의 트랜스듀서 조립체의 분해도를 예시한다. 예시된 바와 같이 이 관성 트랜스듀서 조립체(260)는 2개의 액추에이터들(30) 사이에 샌드위칭된 질량(262)을 포함한다. 그러나, 장치의 변형들은 질량의 양쪽에 의도된 응용에 따라 하나 이상의 액추에이터들을 포함한다. 예시된 바와 같이, 액추에이터(들)는 관성 질량(262)에 연결되고 베이스-플레이트 또는 플랜지를 통해 고정된다. 액추에이터들(30)의 작동은 액추에이터에 대하여 x-y 방위로 질량의 움직임을 초래한다. 추가의 변형들에서, 액추에이터들은 질량(262)의 수직 또는 z 축 움직임을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 27c는 도 27a의 관성 트랜스듀서 조립체(260)의 측면도를 예시한다. 이 예시에서, 조립체는 액추에이터들(30) 및 관성 질량(262)을 에워싸는 중심 하우징(266) 및 상부 하우징(268)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 또한, 조립체(260)는 하우징 및 액추에이터들 내의 개구들 또는 비아들(24)을 통하여 연장하는 고정 수단 또는 패스너(270)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 비아들(24)은 다수의 기능들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 비아들은 단지 마운팅을 위한 것일 수 있다. 대안적으로, 또는 그와 함께, 비아들은 액추에이터를 회로 보드, 플렉스 회로 또는 기계적 접지에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 27d는 도 27c의 관성 트랜스듀서 조립체(260)의 사시도를 예시하는 것으로, 하우징 조립체(264, 266, 268) 내에 관성 질량(도시되지 않음)이 있다. 하우징 조립체의 부분들은 다수의 기능들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 기계적 지지 및 마운팅 및 부착 특징들을 제공하는 것에 더하여, 그것들은 액추에이터 카트리지를 손상시킬 수도 있는 x, y, 및/또는 z 방향으로의 관성 질량의 과도한 움직임을 막기 위한 기계적 하드 스톱(hard stop)의 역할을 하는 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하우징은 관성 질량의 과도한 움직임을 제한하는 융기된 표면들을 포함할 수 있다. 예시된 예에서, 융기된 표면들은 비아들(24)을 포함하는 하우징의 부분을 포함할 수 있다. 대안적으로, 비아들(24)은 그것을 관통하는 임의의 패스너(270)가 관성 질량의 움직임을 제한하는 효과적인 스톱으로서 기능하도록 선택적으로 배치될 수 있다.
하우징 조립체들(264, 266)은 또한 손을 댈 때 전기적 충격을 막기 위해 액추에이터들의 에지들을 커버하는 통합된 립들 또는 연장부들을 갖도록 설계될 수 있다. 이들 부분들 중 임의의 부분 및 모든 부분들은 또한 소비자 전자 장치의 하우징과 같은 더 큰 조립체의 하우징의 일부로서 통합될 수 있다. 예를 들면, 예시된 하우징은 사용자 인터페이스 장치 내에 고정될 개별 컴포넌트로서 도시되어 있지만, 트랜스듀서의 대안 변형들은 실제 사용자 인터페이스 장치의 하우징의 일체 또는 부분인 하우징 조립체들을 포함한다. 예를 들면, 컴퓨터 마우스의 바디는 관성 트랜스듀서 조립체를 위한 하우징의 역할을 하도록 구성될 수 있다.
관성 질량(262)은 또한 다수의 기능들을 제공할 수 있다. 그것은 도 27a 및 27b에서 원형으로 도시되어 있지만, 관성 질량의 변형들은 x, y, 및/또는 z 방향으로 그것의 움직임을 제한하는 기계적 하드 스톱의 역할을 하는 통합된 특징부들을 갖도록 더 복잡한 형상을 갖도록 제조될 수 있다. 예를 들면, 도 27e는 하우징(264)의 스톱 또는 다른 특징부와 맞물리는 형상화된 표면(263)을 갖는 관성 질량(262)을 갖는 관성 트랜스듀서 어셈블리의 변형을 예시한다. 예시된 변형에서, 관성 질량(262)의 표면(263)은 패스너들(270)과 맞물린다. 따라서, 관성 질량(262)의 변위는 형상화된 표면(263)과 스톱 또는 패스너(270) 사이의 간극으로 제한된다. 그 웨이트의 질량은 총 조립체의 공진 주파수에 맞도록 선택될 수 있고, 그 구성 재료는 임의의 고밀도의 재료일 수 있지만 바람직하게는 필요한 부피 및 비용을 최소화하도록 선택된다. 적합한 재료들은 구리, 강철, 텅스텐, 알루미늄, 니켈, 크롬 및 황동과 같은 금속 및 금속 합금을 포함하고, 중합체/금속 복합 재료, 수지, 유체, 겔, 또는 다른 재료들이 사용될 수 있다.
전기활성 중합체 햅틱을 위한 필터 사운드 구동 파형
여기에 설명된 본 발명의 방법들 및 장치들의 다른 변형은 피드백을 향상시키는 방식으로 액추에이터들을 구동하는 것을 수반한다. 하나의 그러한 예에서 햅틱 액추에이터는 사운드 신호에 의해 구동된다. 그러한 구성은 상이한 유형의 햅틱 감각들을 생성하는 파형들을 생성하는 개별 프로세서에 대한 필요를 제거한다. 대신에, 햅틱 장치들은 기존의 오디오 신호를 수정된 햅틱 신호로 수정하는, 예를 들어, 주파수 스펙트럼의 상이한 부분들을 필터링하거나 증폭하는 하나 이상의 회로를 이용할 수 있다. 따라서, 수정된 햅틱 신호가 그 후 액추에이터를 구동한다. 일례에서, 수정된 햅틱 신호는 상이한 감각 효과를 달성하도록 액추에이터를 트리거하도록 전원을 구동한다. 이 접근법은 게임 컨트롤러 또는 핸드헬드 게임 콘솔과 같은 햅틱 장치에서 음악 또는 사운드 효과로부터의 피드백을 강화할 수 있는 임의의 오디오 신호와 자동으로 상관되고 그것에 동기화되는 이점을 갖는다.
도 28a는 전기활성 중합체 액추에이터들에 대한 최적의 햅틱 주파수들 내에서 동작하도록 오디오 신호를 튜닝하는 회로의 일례를 예시한다. 예시된 회로는 진폭 컷오프, DC 오프셋 조정, 및 AC 파형 피크-투-피크 크기 조정에 의해 오디오 신호를 수정하여 도 28b에 도시된 것과 유사한 신호를 생성한다. 소정의 변형들에서, 전기활성 중합체 액추에이터는 2 위상 전기활성 중합체 액추에이터를 포함하고 오디오 신호를 변경하는 경우 오디오 신호의 오디오 파형의 포지티브 부분을 필터링하여 전기활성 중합체 트랜스듀서의 제1 위상을 구동하고, 오디오 신호의 오디오 파형의 네거티브 부분을 반전시켜 전기활성 중합체 트랜스듀서의 제2 위상을 구동하여 전기활성 중합체 트랜스듀서의 성능을 개선하는 것을 포함한다. 예를 들면, 정현파 형태의 소스 오디오 신호가 구형파로 변환될 수 있고(예를 들면, 클리핑을 통해), 따라서 햅틱 신호는 최대 액추에이터 힘 출력을 생성하는 구형파가 된다.
다른 예에서, 회로는 햅틱 효과를 구동하기 위해 오디오 신호의 오디오 파형의 전부 또는 일부를 사용하도록 오디오 신호의 주파수를 필터링하는 하나 이상의 정류기를 포함할 수 있다. 도 28c는 오디오 신호의 오디오 파형의 포지티브 부분을 필터링하도록 설계된 회로의 일 변형을 예시한다. 이 회로는, 다른 변형에서, 2 위상을 갖는 액추에이터들을 위해 도 28d에 도시된 회로와 조합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 28c의 회로는 오디오 파형의 포지티브 부분들을 필터링하여 액추에이터의 하나의 위상을 구동할 수 있는 반면 도 28d에 도시된 회로는 오디오 파형의 네거티브 부분을 반전시켜 2 위상 햅틱 액추에이터의 다른 위상을 구동할 수 있다. 그 결과 2 위상 액추에이터는 더 큰 액추에이터 성능을 가질 것이다.
다른 구현에서, 액추에이터를 구동하는 2차 회로의 동작을 트리거하기 위해 오디오 신호의 임계치가 이용될 수 있다. 임계치는 오디오 신호의 진폭, 주파수, 또는 특정한 패턴에 의해 정의될 수 있다. 2차 회로는 특정한 주파수를 출력하도록 설정된 발진기 회로와 같은 고정된 응답을 가질 수 있고 또는 다수의 정의된 트리거들에 기초한 다수의 응답들을 가질 수 있다. 일부 변형들에서, 응답들은 특정한 트리거에 기초하여 미리 결정될 수 있다. 그러한 경우, 저장된 응답 신호들이 특정한 트리거에 기초하여 제공될 수 있다. 이런 식으로, 소스 신호를 수정하는 대신에, 회로는 소스 신호의 하나 이상의 특성에 따라서 미리 결정된 응답을 트리거한다. 2차 회로는 또한 제한된 지속 기간의 응답을 출력하기 위해 타이머를 포함할 수 있다.
많은 시스템들이 사운드를 위한 능력을 가진 햅틱들의 구현으로부터 이익을 얻을 수 있다(예를 들어, 컴퓨터, 스마트폰, PDA, 전자 게임). 이 변형에서, 필터링된 사운드는 전기활성 중합체 햅틱을 위한 구동 파형의 역할을 한다. 이들 시스템들에서 통상적으로 사용되는 사운드 파일들은 햅틱 피드백 액추에이터 디자인을 위한 최적의 주파수 범위들만을 포함하도록 필터링될 수 있다. 도 28e 및 28f는 마우스 바디(400) 내에 하나 이상의 전기활성 중합체 액추에이터들(402)을 갖고 관성 질량(404)에 연결된 장치(400)의 하나의 그러한 예(이 경우, 컴퓨터 마우스)를 예시한다.
현재의 시스템들은 200Hz 미만의 최적의 주파수들에서 동작한다. 산탄총 발포의 사운드, 또는 문 닫음의 사운드와 같은 사운드 파형은 이들 사운드로부터 200 Hz 미만의 주파수들만이 사용되도록 로우 패스 필터링될 수 있다. 이 필터링된 파형은 그 후 햅틱 피드백 액추에이터를 구동하는 EPAM 전원에 입력 파형으로서 공급된다. 이들 예들이 게임 컨트롤러에서 사용된다면, 산탄총 발포 및 문 닫음의 사운드는 햅틱 피드백 액추에이터와 동시에 발생하여, 게임 플레이어에게 풍부한 경험을 제공할 것이다.
일 변형에서 기존의 사운드 신호의 사용은 개별적으로 생성된 오디오 신호에 의해 생성된 사운드와 동시에 사용자 인터페이스 장치에서 햅틱 효과를 생성하는 방법을 허용할 수 있다. 예를 들면, 이 방법은 오디오 신호를 필터링 회로에 라우팅하는 단계; 미리 결정된 주파수 아래로 주파수들의 범위를 필터링하는 것에 의해 오디오 신호를 변경하여 햅틱 구동 신호를 생성하는 단계; 및 햅틱 구동 신호를 전기활성 중합체 트랜스듀서에 연결된 전원에 제공하는 단계 - 이에 따라 전원은 오디오 신호에 의해 생성된 사운드와 동시에 햅틱 효과를 구동하도록 전기활성 중합체 트랜스듀서를 작동함 - 를 포함할 수 있다.
이 방법은 사운드 효과와 햅틱 응답 모두를 동시에 생성하도록 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 29a 내지 30b는 통상의 (비활성) 상태에서는, 트랜스듀서들이 무전원(unpowered) 상태에 있도록 트랜스듀서에 전원을 공급하는 트랜스듀서의 구조를 이용하는 것에 의해 하나 이상의 트랜스듀서를 구동하는 다른 변형을 예시한다. 이하의 설명은 여기에 설명된 임의의 디자인에 포함될 수 있다. 트랜스듀서들을 구동하기 위한 장치들 및 방법들은 사용자 인터페이스 장치의 바디 또는 섀시의 프로파일을 감소시키려고 할 때 특히 유익하다.
제1 예에서, 사용자 인터페이스 장치(400)는 복잡한 스위칭 메커니즘을 요구하지 않고 사용자 인터페이스 표면(402)에서 햅틱 효과를 생성하도록 구동될 수 있는 하나 이상의 전기활성 중합체 트랜스듀서들 또는 액추에이터들(360)을 포함한다. 대신에, 다수의 트랜스듀서들(360)은 하나 이상의 전원들(380)에 의해 전력을 공급받는다. 예시된 예에서, 트랜스듀서들(360)은 이전에 참고로 통합된 출원들에서뿐만 아니라 전술한 바와 같이 두께 모드 트랜스듀서들이다. 그러나, 이 변형에 대하여 제시된 개념들은 다수의 상이한 트랜스듀서 디자인들에 적용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 액추에이터들(360)은 각각의 트랜스듀서(360)에의 연결의 역할을 하는 하나 이상의 접지 버스 라인들(382)과 함께 고전압 전원(380)을 포함하는 개방 회로를 포함하는 층에 스택될 수 있다. 그러나, 장치(400)는 대기 상태에서는, 전원(380)을 형성하는 회로가 개방 상태로 있기 때문에 각각의 액추에이터(360)가 무전원 상태에 있도록 구성된다.
도 29b는 도 29a에 도시된 트랜스듀서(360)를 갖는 단일 사용자 인터페이스 표면(420)을 보여준다. 버스 라인들(382)과 전원(380) 사이의 연결을 완성하기 위해, 사용자 인터페이스 표면(402)은 하나 이상의 전도성 표면들(404)을 포함한다. 이 변형에서, 전도성 표면(404)은 사용자 인터페이스(402)의 하부 표면을 포함한다. 트랜스듀서(360)는 또한 출력 부재(370) 또는 트랜스듀서(360)의 다른 부분에 전기 전도성 표면을 포함할 것이다.
도 29c에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(360)를 작동하기 위하여, 사용자 인터페이스 표면(402)이 트랜스듀서(360) 안으로 편향될 때, 2개의 전도성 부분들은 전기적으로 연결되어 회로를 폐쇄한다. 이 액션은 전원(380)의 회로를 완성한다. 또한, 사용자 인터페이스 표면(402)을 누르는 것은 트랜스듀서(360)와의 간극을 폐쇄할 뿐만 아니라, 그것은 또한 장치(400)가 표면(402)이 작동된 것을 인식하도록 장치(400)와의 스위치를 닫기 위해 이용될 수 있다.
이 구성의 하나의 이점은 트랜스듀서들(360)의 전부가 다 전력을 공급받는 것은 아니라는 것이다. 대신에, 각각의 사용자 인터페이스 표면이 회로를 완성한 트랜스듀서들만이 전력을 공급받는다. 이 구성은 전력 소비를 최소화하고 어레이 내의 액추에이터들(360) 사이의 누화(cross-talk)를 제거할 수 있다. 이 구성은 극히 얇은 키패드 및 키보드를 허용하는데, 이는 그러한 장치들에 일반적으로 사용되는 금속성 또는 탄성 돔 유형의 스위치에 대한 필요를 제거하기 때문이다.
도 30a 및 30b는 임베디드 스위치로서 구성된 전기활성 중합체 트랜스듀서(360)를 갖는 사용자 인터페이스 장치(400)의 다른 변형을 예시한다. 도 30a에 도시된 변형에서는, 트랜스듀서(360)와 사용자 인터페이스 표면(402) 사이의 제1 간극(406) 및 트랜스듀서(360)와 섀시(404) 사이의 제2 간극(408)이 있다. 이 변형에서, 도 30b에 도시된 바와 같이, 사용자 인터페이스 표면(402)을 누르는 것은 제1 스위치를 닫거나 사용자 인터페이스 표면(402)과 트랜스듀서(360) 사이에 폐쇄 회로를 확립한다. 이 회로의 폐쇄는 고전압 전원(도 30a에 도시되지 않음)으로부터 전기활성 중합체 트랜스듀서(360)로의 전력의 라우팅을 허용한다. 사용자 인터페이스 회로(402)를 계속해서 누르면 트랜스듀서(360)가 장치(400)의 섀시(404)에 위치한 추가의 스위치와 접촉하게 된다. 후자의 접속은 고전압 전원을 인에이블하는 장치(400)에의 입력이 트랜스듀서(360)를 작동하여 사용자 인터페이스 표면(402)에서 햅틱 감각 또는 촉각 피드백을 생성할 수 있게 한다. 릴리스하면 트랜스듀서(350)와 섀시(404) 사이의 접속이 개방된다(간극(408)을 확립한다). 이 액션은 장치(400)에의 신호를 중단하여 고전압 전원을 효과적으로 오프시키고 액추에이터가 임의의 햅틱 효과를 생성하는 것을 막는다. 사용자 인터페이스 표면(402)을 계속해서 릴리스하면 사용자 인터페이스 표면(402)이 트랜스듀서(360)로부터 분리되어 간극(406)이 확립된다. 이 후자의 스위치의 개방은 트랜스듀서(360)를 전원으로부터 효과적으로 분리한다.
전술한 변형들에서, 사용자 인터페이스 표면은 키보드(예를 들어, 쿼티(QWERTY) 키보드, 또는 다른 유형의 입력 키보드 또는 패드)의 하나 이상의 키들을 포함할 수 있다. EPAM의 작동은 버튼 클릭 촉각 피드백을 제공하고, 이것은 현재의 돔 키들의 키 누름을 대체한다. 그러나, 이 구성은 키보드, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 트랙볼, 스타일러스, 제어 패널, 또는 햅틱 피드백 감각으로부터 이익을 얻을 임의의 다른 장치를 포함하지만 이들에 제한되지 않는 임의의 사용자 인터페이스 장치에서 이용될 수 있다.
전술한 구성의 다른 변형에서, 하나 이상의 간극들의 폐쇄는 개방 저전압 회로를 폐쇄할 수 있다. 그 후 저전압 회로는 고전압 회로에 전력을 제공하는 스위치를 트리거할 것이다. 이런 식으로, 고전압 회로에 걸쳐서 그리고 회로를 완성하기 위해 트랜스듀서가 이용되는 경우에만 트랜스듀서에 고전압 전력이 제공된다. 저전압 회로가 개방 상태에 있는 한, 고전압 전원은 분리된 상태에 있고 트랜스듀서들은 무전원 상태에 있다.
카트리지들의 사용은 사용자 인터페이스 표면의 전체 디자인 안에 전기 스위치들을 임베드하는 것을 허용할 수 있고 인터페이스 장치에 대한 입력 신호를 활성화(즉, 따라서 장치가 키의 입력을 인식함)할 뿐만 아니라, 키들에 대한 햅틱 신호들을 활성화하기 위해(즉, 키의 선택과 관련된 햅틱 감각을 생성하기 위해) 종래의 돔 스위치들을 사용할 필요를 제거할 수 있다. 각각의 키 누름으로 임의의 수의 스위치들이 닫힐 수 있고 그러한 구성은 디자인의 제약 내에서 맞춤 가능하다.
임베드된 액추에이터 스위치들은 각각의 누름이 액추에이터에 전력을 공급하는 전원으로 회로를 완성하도록 키를 구성하는 것에 의해 각각의 햅틱 이벤트를 라우팅할 수 있다. 이 구성은 키보드에 대한 일렉트로닉스 요건을 단순화한다. 각각의 키에 대한 햅틱을 구동하기 위해 필요한 고전압 전력은 키보드 전체에 대하여 단일 고전압 전원에 의해 공급될 수 있다. 그러나, 임의의 수의 전원들이 디자인에 포함될 수 있다.
이들 디자인들과 함께 사용될 수 있는 EPAM 카트리지들은 평면, 다이어프램, 두께 모드, 및 패시브 연결 장치들(하이브리드들)을 포함한다.
다른 변형에서, 임베드된 스위치 디자인은 또한 종래의 돔 유형의 스위치(예를 들어, 고무 돔 또는 금속 굴곡 스위치)와 같은 쌍안정 스위치를 흉내내는 것을 허용한다. 하나의 변형에서, 사용자 인터페이스 표면은 전술한 바와 같이 전기활성 중합체 트랜스듀서를 편향시킨다. 그러나, 전기활성 중합체 트랜스듀서의 작동은 지연된다. 따라서, 전기활성 중합체 트랜스듀서의 계속된 편향은 사용자 인터페이스 표면에서 사용자가 느끼는 저항력을 증가시킨다. 이 저항은 트랜스듀서 내의 전기활성 중합체 막의 변형에 의해 야기된다. 그 후, 미리 결정된 편향 후에 또는 트랜스듀서가 편향된 후의 미리 결정된 시간의 지속 기간 후에, 사용자 인터페이스 표면에서 사용자가 느끼는 저항이 변하도록(전형적으로 감소되도록) 전기활성 중합체 트랜스듀서가 활성화된다. 그러나, 사용자 인터페이스 표면의 변위는 계속될 수 있다. 전기활성 중합체 트랜스듀서의 활성화에서의 그러한 지연은 쌍안정 성능의 종래의 돔 또는 굴곡 스위치들을 흉내낸다.
도 31a는 쌍안정 효과를 생성하도록 전기활성 중합체 트랜스듀서의 활성화를 지연시키는 그래프를 예시한다. 예시된 바와 같이, 라인(101)은 전기활성 중합체 트랜스듀서가 편향되지만 트랜스듀서의 활성화가 지연되는 전기활성 중합체 트랜스듀서의 패시브 강성 곡선을 보여준다. 라인(102)은 일단 활성화된 전기활성 중합체 트랜스듀서의 활성 강성 곡선을 보여준다. 라인(103)은 전기활성 중합체 트랜스듀서의 힘 프로파일이 패시브 강성 곡선을 따라 움직인 후, 활성화될 때, 그 강성이 활성 강성 곡선(102)으로 떨어지는 전기활성 중합체 트랜스듀서의 힘 프로파일을 보여준다. 일례에서, 전기활성 중합체 트랜스듀서는 스트로크의 중간의 어딘가에서 활성화된다.
라인(103)의 프로파일은 고무 돔 또는 금속 굴곡 쌍안정 메커니즘의 유사한 프로파일 추적 강성과 매우 유사하다. 도시된 바와 같이, EAP 액추에이터들은 고무 돔의 힘 프로파일을 흉내내기에 적합하다. 패시브 곡선과 활성 곡선 사이의 차이는 감각에 주되게 기여하는 것일 것이고, 이는 그 간극이 클수록, 그 가능성이 더 클 것이고 감각이 더 강할 것임을 의미한다.
곡선의 형상 및 원하는 곡선 또는 응답을 달성하는 메커니즘은 액추에이터 유형과 관계없을 수 있다. 또한, 임의의 유형의 액추에이터(예를 들어, 다이어프램 액추에이터, 두께 모드, 하이브리드 등)의 활성화 응답은 원하는 햅틱 효과를 제공하기 위해 지연될 수 있다. 그러한 경우, 전기활성 중합체 트랜스듀서는 전압을 인가하는 것에 의해 출력 반응 힘을 변화시키는 가변 스프링으로 기능한다. 도 31b는 전기활성 중합체 트랜스듀서를 활성화하는 데 지연을 이용하는 전술한 액추에이터의 변형들에 기초한 추가적인 그래프들을 예시한다.
전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하기 위한 다른 변형은 임계 입력 신호가 주어진 경우 저장된 파형의 이용을 포함한다. 입력 신호는 오디오 또는 다른 트리거링 신호를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 32에 도시된 회로는 저장된 파형에 대한 트리거의 역할을 하는 오디오 신호를 예시한다. 이번에도, 시스템은 오디오 신호 대신에 트리거링 또는 다른 신호를 이용할 수 있다. 이 방법은 단순히 오디오 신호로부터 직접 액추에이터를 구동하는 것을 이용하는 것보다 하나 이상의 미리 결정된 파형으로 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동한다. 액추에이터를 구동하는 이 모드의 하나의 이점은 저장된 파형들의 이용이 최소의 메모리 및 복잡도로 액추에이터 성능 및 복잡한 파형들의 생성을 가능하게 한다는 것이다. 액추에이터 성능은 아날로그 오디오 신호를 사용하는 것보다 액추에이터에 대하여 최적화된 구동 펄스를 이용하는 것(예를 들어, 바람직한 전압 또는 펄스 폭에서 또는 공진에서 실행하는 것)에 의해 강화될 수 있다. 액추에이터 응답은 입력 신호와 동시에 발생할 수 있거나 지연될 수 있다. 일례에서, 0.25v 트리거 임계치가 트리거로서 이용될 수 있다. 그 후 이 저레벨 신호는 하나 이상의 펄스 파형들을 생성할 수 있다. 다른 변형에서, 이 구동 기법은 잠재적으로 동일한 입력 또는 트리거링 신호의 사용이 임의의 수의 조건들(예를 들어, 사용자 인터페이스 장치의 위치, 사용자 인터페이스 장치의 상태, 장치에서 실행중인 프로그램 등과 같은)에 기초하여 상이한 출력 신호들을 갖도록 할 수 있다.
도 33a 및 33b는 단일 구동 회로로 2-위상 활성화를 제공하는 것에 의해 전기활성 중합체 트랜스듀서를 구동하기 위한 또 다른 변형을 예시한다. 도시된 바와 같이, 2-위상 트랜스듀서 내의 3개의 전력 도선들 중, 위상들 중 하나의 위상의 하나의 도선은 고전압에 일정하게 유지되고, 다른 위상의 하나의 도선은 접지되고, 양쪽 위상에 공통인 제3의 도선은 접지에서 고전압까지 전압이 변화하도록 구동된다. 이것은 하나의 위상의 활성화가 제2 위상의 비활성화와 동시에 발생할 수 있게 하여 2-위상 액추에이터의 스냅-스루 성능을 강화한다.
다른 변형에서, 여기에 설명된 사용자 인터페이스 표면에서의 햅틱 효과는 사용자 인터페이스 표면의 기계적 거동을 조정하는 것에 의해 개선될 수 있다. 예를 들면, 전기활성 중합체 트랜스듀서가 터치스크린을 구동하는 변형들에서, 햅틱 신호는 햅틱 효과 후에 사용자 인터페이스 표면의 원치 않은 움직임을 제거할 수 있다. 장치가 터치 스크린을 포함하는 경우, 전형적으로 스크린(즉, 사용자 인터페이스 표면)의 움직임은 터치스크린의 평면 내에서 또는 면외에서(예를 들어, z 방향) 발생한다. 어느 경우에나, 전기활성 중합체 트랜스듀서는 도 34b에 개략적으로 예시된 바와 같이 햅틱 응답을 생성하도록 임펄스(502)에 의해 구동된다. 그러나, 결과의 움직임에 이어서 사용자 인터페이스 표면(예를 들어, 터치스크린)의 변위를 예시하는 도 34a의 그래프에 도시된 바와 같이 뒤처지는 기계적인 링잉 또는 발진(lagging mechanical ringing or oscillation)(500)이 뒤따를 수 있다. 햅틱 효과를 개선하기 위해, 햅틱 효과를 구동하는 방법은 실제적인 햅틱 효과를 생성하도록 전자 완충(electronic dampening)을 제공하기 위해 복잡한 파형을 이용하는 것을 포함할 수 있다. 그러한 파형은 햅틱 구동 부분(502)뿐만 아니라 완충 부분(504)을 포함한다. 햅틱 효과가 전술한 바와 같이 "키-클릭"을 포함하는 경우에, 전자 완충 파형은 뒤처지는 효과를 제거하거나 감소시켜 보다 실제적인 감각을 생성할 수 있다. 예를 들면, 도 34a 및 34c의 변위 곡선들은 키 클릭을 흉내내려고 하는 때의 변위 곡선들을 예시한다. 그러나, 감각의 전자 완충을 이용하여 임의의 수의 햅틱 감각들이 개선될 수 있다.
도 35는 전기활성 중합체 트랜스듀서에 전력을 공급하기 위한 에너지 생성 회로의 예를 예시한다. 많은 전기활성 중합체 트랜스듀서들은 전기를 생성하기 위해 고전압 일렉트로닉스를 요구한다. 기능 및 보호를 제공하는 간단한 고전압 일렉트로닉스가 요구된다. 기본적인 트랜스듀서 회로는 저전압 프라이밍 서플라이(priming supply), 접속 다이오드, 전기활성 중합체 트랜스듀서, 제2 접속 다이오드 및 고전압 컬렉터 서플라이로 구성된다. 그러나, 그러한 회로는 사이클마다 원하는 만큼의 에너지를 캡처하는 데 효과적이지 않을 수 있고 비교적 더 높은 전압의 프라이밍 서플라이를 요구한다.
도 35는 간단한 전력 생성 회로 디자인을 예시한다. 이 회로의 하나의 이점은 디자인의 단순성에 있다. (기계적 힘이 가해지고 있다고 가정하여) 이 발전기를 움직이게 하기 위해 (대략 9 볼트의) 작은 시작 전압만이 필요하다. 전기활성 중합체 트랜스듀서의 안팎으로 고전압의 전달을 제어하기 위해 제어 레벨의 일렉트로닉스가 필요하지 않다. 회로의 출력에 있는 제너 다이오드들에 의해 패시브 전압 조절이 이루어진다. 이 회로는 고전압 DC 전력을 생성할 수 있고 그램당 약 0.04-0.06 줄의 에너지 밀도 레벨에서 전기활성 중합체 트랜스듀서를 동작시킬 수 있다. 이 회로는 적당한 전력을 생성하고 전기활성 중합체 트랜스듀서의 실행 가능성을 설명하기에 적합하다. 예시된 회로는 전기활성 중합체 트랜스듀서의 기계 사이클마다 에너지 전달을 최대화하기 위해 전하 이동(charge transfer) 기법을 이용하면서도 단순성을 유지한다. 추가적인 이점들은 극히 낮은 전압(예를 들어, 9 볼트)으로 셀프 프라이밍(self priming)의 허용; 가변 주파수 및 가변 스트로크 동작; 단순화된 일렉트로닉스(즉, 제어 시퀀스를 필요로 하지 않는 일렉트로닉스)로 사이클마다 에너지 전달의 최대화; 가변 주파수 및 가변 스트로크 응용에서의 동작; 트랜스듀서에 과전압 보호의 제공을 포함한다.
구동 방식들
일 변형에서, 햅틱 응답 또는 효과는 구동 방식, 예를 들어, 아날로그(오디오 신호에서와 같이) 또는 디지털 버스트들 또는 이들의 조합의 선택에 의해 맞추어질 수 있다.
많은 경우에, 시스템은 전류 소비가 너무 높을 때(예를 들어, 더 높은 주파수들에서) 전압을 중단하거나 감소시키는 회로를 이용하여 전력 소비를 제한할 수 있다. 제1 예에서, 변환기의 입력 스테이지가 소정의 전압보다 높지 않다면 제2 스테이지가 실행될 수 없다. 제2 스테이지가 초기화될 때, 입력 전력이 제한되면 회로는 제1 스테이지에서의 전압이 떨어지게 하고 그 후 제2 스테이지 범위 밖으로 떨어지게 한다. 저주파수들에서, 햅틱 응답은 입력 신호를 추종한다. 그러나, 고주파수들은 더 많은 전력을 요구하기 때문에, 응답은 입력 전력에 따라서 클리핑된다. 전력 소비는 서브-어셈블리 및 구동 디자인을 최적화하기 위해 필요한 메트릭들 중 하나이다. 이런 식으로 응답을 클리핑하는 것은 전력을 절약한다.
다른 변형에서, 구동 방식은 진폭 변조를 이용할 수 있다. 예를 들면, 액추에이터 전압은 공진 주파수에서 구동될 수 있고 신호 진폭은 입력 신호 진폭에 기초하여 스케일링된다. 이 레벨은 입력 신호에 의해 결정되고, 주파수는 액추에이터 디자인에 의해 결정된다.
입력 구동 신호의 주파수들을 강화하기 위해 필터들 또는 증폭기들이 사용될 수 있고 이는 액추에이터들의 최고 성능을 유도한다. 이것은 사용자에 의한 햅틱 응답의 감도 증가를 허용하고 및/또는 사용자가 원하는 효과를 강조한다. 예를 들면, 서브-어셈블리/시스템 주파수 응답은 구동 입력 신호로서 사용되는 사운드 효과에서 얻어진 고속 푸리에 변환과 일치/부분적으로 일치하도록 설계될 수 있다.
햅틱 효과를 생성하기 위한 다른 변형은 롤-오프 필터의 사용을 수반한다. 그러한 필터는 높은 전력 소비를 요구하는 고주파수들의 감쇠를 허용한다. 이러한 감쇠를 보상하기 위해, 서브-어셈블리는 더 높은 주파수들에서 그것의 공진을 갖도록 설계될 수 있다. 서브-어셈블리의 공진 주파수는 예를 들면 액추에이터들의 강성을 변경하는 것(예를 들어, 유전체 재료를 변경하는 것, 유전체 막의 두께를 변경하는 것, 유전체 재료의 유형 또는 두께를 변경하는 것, 액추에이터들의 치수를 변경하는 것), 액추에이터 스택 내의 카트리지들의 수를 변경하는 것, 액추에이터들 상의 부하 또는 관성 질량을 변경하는 것에 의해 조정될 수 있다. 더 얇은 막들 또는 더 유연한 재료들로 움직이는 것은 더 높은 주파수들에 대한 전류/전력 제한을 만족시키기 위해 필요한 컷오프 주파수를 움직일 수 있다. 명백히, 공진 주파수의 조정은 임의의 수의 방법으로 행해질 수 있다. 주파수 응답은 또한 액추에이터 유형들의 혼합을 이용하는 것에 의해 맞추어질 수 있다.
단순한 팔로워 회로를 이용하는 것보다, 더 적은 전력을 요구하는 임의의 파형을 갖는 버스트를 트리거하기 위해 입력 구동 신호에서 임계치가 이용될 수 있다. 이 파형은 더 낮은 주파수에 있을 수 있고 및/또는 응답을 강화하기 위해 시스템 - 서브-어셈블리 및 하우징 - 의 공진 주파수에 관하여 최적화될 수 있다. 또한, 전력 부하를 제어하기 위해 트리거들 사이의 지연 시간의 사용이 이용될 수도 있다.
제로-크로싱 전력 제어
다른 변형에서는, 제어 회로가 입력 오디오 파형들을 모니터하고 고전압 회로에 대한 제어를 제공할 수 있다. 그러한 경우, 도 36a에 도시된 바와 같이, 오디오 파형(510)은 제로 전압 값(512)을 통한 각각의 전이에 대하여 모니터된다. 이들 제로 크로싱들(512)에 의해, 제어 회로는 크로싱 시간 값, 및 전압 조건을 나타낼 수 있다.
이 제어 회로는 제로 크로싱 시간 및 전압 스윙 방향에 기초하여 고전압을 변경한다. 도 36b에 도시된 바와 같이, 제로 크로싱에 대하여, 포지티브 스윙의 고전압 구동은 514에서 제로 볼트로부터 1kV(고전압 레일 값)까지 변화한다. 제로 크로싱에 대하여, 네거티브 스윙의 고전압 구동은 516에서 1kV로부터 제로 볼트(저전압 레일 값)로 변화한다.
그러한 제어 회로는 작동 이벤트들이 오디오 신호(510)의 주파수와 일치할 수 있게 한다. 또한, 제어 회로는 40-200Hz 액추에이터 응답 범위를 유지하도록 더 높은 주파수의 액추에이터 이벤트들을 제거하는 필터링을 허용할 수 있다. 구형파는 관성 구동 디자인들에 대한 최고의 액추에이션 응답을 제공하고 전원 컴포넌트들의 한계에 의해 설정될 수 있다. 충전 시간(charge up time)은 전원 요건을 제한하도록 조정될 수 있다. 액추에이션 힘들을 표준화하기 위해, 기계적 공진 주파수는 삼각파에 의해 충전될 수 있고, 공진 주파수를 벗어난 작동들은 구형파에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
도 36c는 햅틱 신호를 구동하는 다른 변형을 예시한다. 이 예에서, 햅틱 피드백은 오디오로부터 촉각 작동으로 변환될 수 있다. 예를 들면, 발신자 ID(600) 또는 다른 식별 데이터에 기초하여 발신자들을 고유하게 식별하는 촉각 벨소리들(606)을 자동으로 생성하는 것에 의해 햅틱 신호(610)가 제공될 수 있다. 추가의 변형에서, 프로세스는 음성(602)에 기초하여 촉각 벨소리들(606)을 생성한다 - 따라서 거의 또는 전혀 학습이 필요치 않다. 예를 들어, 전화가 "John Smith"라고 "말할" 때, (John의 발신자 ID에 기초하여) 촉각 주파수들에서 "John Smith"를 버저로 알리는 것에 의해, 사용자는 햅틱 벨소리에 기초하여 발신자를 식별할 수 있다.
일 변형에서, 햅틱 피드백은 다음과 같이 변환된다: (발신자 ID)(600) -> (텍스트 대 음성)(602) -> (오디오 대 촉각)(604, 606) -> (촉각 액추에이터에 출력)(608). 예를 들면, 장치가 전화기일 때, 전화기는 발신자의 이름 또는 다른 ID를 식별하는 햅틱 진동을 제공하는 것에 의해 울리거나 진동할 수 있다. 저주파수 반송파(예를 들어 100 Hz)는 장치가 2음절 이름을 갖는 발신자와 다음절 이름을 구별하게 할 수 있다.
간단한 음성 대 텍스트 변환은 다음을 수반한다: ~10 Hz의 음성 신호를 정류하고 로우 패스 필터링하여 라우드니스 포락선(loudness envelope) L=f(t)를 얻는다. 이 라우드니스 신호는 촉각 주파수(예를 들어, 약 100 Hz)에 있는 반송파 진동의 진폭을 변조하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 기본적인 진폭 변조이고, 발신자의 이름에서 음절의 수뿐만 아니라, 어느 음절들이 강조되는지를 식별하기에 충분하다. 더 풍부한 코딩은 주파수와 진폭 모두를 변조하고, 유전체 탄성체 액추에이터들의 충실도를 더 잘 이용한다. 무한한 수의 음성 대 텍스트 변환들이 가능하다. 다수가 적합할 것이다(예를 들어, AM, FM, 웨이블릿, 보코더). 사실, 귀가 먼 사람들이 입을 읽는 것을 돕는 촉각 보조기(tactile aids), 예를 들어, Tactaid 및 Tactilator를 위해 음성 정보를 유지하도록 설계된 음성 대 텍스트 변환들이 이미 개발되어 있다.
하우징
본 명세서는 또한 개선된 또는 강화된 햅틱 피드백을 위해 장치를 구성하는 것을 포함한다. 도 37a에 도시된 바와 같이, 사용자에 의해 가해진 힘(518)이 장치 구조의 강성체를 통하여 이동할 때, 그 힘은 장치(520)와 접지(522) 또는 다른 지지 표면 사이의 마찰 효과를 증가시킨다. 도 37a 내지 37c에 도시된 장치(520)는 컴퓨터 주변 장치(마우스)이지만, 여기에 적용된 원리들은 피드백을 요구하는 각종 장치들에 통합될 수 있다. 예를 들면, 장치는 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드, 및 다른 게임 컨트롤러들을 포함할 수 있다.
도 37a를 다시 참조하여, 가해진 힘(518)은 장치(520)를 지지 표면(522)에 대해 누르는 것에 의해 장치(520)를 접지시킨다. 이것은 (화살표(526)에 의해 도시된 바와 같이) 임의의 햅틱 피드백 힘이 섀시(528) 또는 하우징(530)에 대해 작용하게 한다. 즉, 햅틱 힘(526)은 장치(520)의 일 표면(working surface)(532)에 가해진 힘(518)에 의해 완충된다. 결과로서, 액추에이터(524)는 관성 효과의 생성을 위해 그것에 연결된 임의의 질량에만 작용한다.
개선된 햅틱 효과를 갖는 장치(520)를 제공하기 위해, 하우징(530)의 하나 이상의 표면들(532) 또는 일 표면(532)이 액추에이터(524)에 의해 생성된 햅틱 피드백 힘을 강화하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 사용자 인터페이스 표면(532)에 인접한 섹션들(534)은 원하는 대로 햅틱 힘을 전달하도록 제조될 수 있다. 예를 들면, 이 섹션들은 하우징을 통한 응답의 감도를 개선하기 위해 더 유연한 연결 또는 더 소수의 마운팅 포인트들을 포함할 수 있다. 추가의 변형들에서, 서브-어셈블리의 공진은 하우징의 공진과도 매칭되거나 최적화될 수 있다. 다른 변형에서, 하우징 기하 구조는 특정한 응답을 강화하도록 맞추어질 수 있는데, 예를 들어, 감도를 개선하거나 그것의 공진을 변경하기 위해, 하나 이상의 섹션들(534)이 더 얇거나, 더 유연하거나, 또는 접히도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 장치(520)의 햅틱 피드백을 개선하는 것은 상이한 위치들에서 상이하게 공진하도록 케이스를 설계하는 것에 의해 맞추어질 수 있는데, 예를 들어, (예를 들어 도 37b에 도시된 바와 같이) 손가락 끝 부근(534)의, 어떤 영역들에서는 더 높은 주파수들이 유리할 수 있는 반면, 손바닥 아래(536)와 같은 다른 영역들에서는 더 낮은 주파수들이 유리할 수 있다. 구동 신호의 선택을 통하여, 사용자는 국지화된 응답을 느낀다.
도 37c에 도시된 바와 같이, 다른 변형에서, 장치(534)는 하우징(530)을 지지 표면(522)과 맞물리는 프레임, 베이스 또는 섀시(528)에 연결하는 하나 이상의 컴플라이언트 마운트들(534)을 포함한다. 컴플라이언트 베이스 마운트(534)의 사용은 장치(520)의 베이스(528)가 접지된 상태에 있는 동안에 액추에이터(524)의 작동 에너지가 햅틱 힘으로 하우징(530)을 구동할 수 있게 한다. 그러한 컴플라이언트 베이스 마운트(534)는 액추에이터(524)로부터 사용자 인터페이스 표면(532)의 관련 부분으로 햅틱 힘의 전달을 허용하도록 장치(520) 상의 어느 곳에나 위치할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 컴플라이언트 마운트들(538)이 장치(520)의 주변 주위에서 상부 하우징(530)을 베이스(528)에 부착할 수 있다. 도 37c는 또한 옵션으로 고장을 막기 위한 하나 이상의 기계적 스톱(536)을 포함하거나 장치(520)의 내부 일들이 주위에 노출되는 것을 감소시키기 위한 패키징을 갖는 것으로 장치(520)를 예시하고 있다.
추가의 변형들에서, 햅틱 응답은 트랜스듀서의 서브-어셈블리의 디자인을 통하여 맞추어질 수 있다. 보다 소수의 카트리지들(또는 접합된 트랜스듀서들)의 사용은 더 낮은 주파수들에서 실행될 수 있는 강성이 덜한 시스템을 생성한다.
더 많은 카트리지들의 사용은 더 높은 주파수들로 응답을 확장하여 주파수들의 범위가 더 넓어진다. 관성 질량은 공진 응답을 상이한 주파수 범위들로 움직이도록 설계될 수 있다. 서브-어셈블리는 더 낮은 전압에서 구동될 수 있고 구동 주파수가 공진 주파수에 가까우면 더 강한 응답을 가진다. 더 낮은 공진 주파수들의 경우, 더 높은 구동 주파수들에서의 성능에서 더 예리한 컷오프가 있을 것이다.
더 높은 공진 주파수들의 경우, 응답 피크는 더 넓고 더 넓은 범위의 주파수들에 걸쳐서 더 높은 충실도가 있다.
일부 변형들에서, 관성 질량은 액추에이터 모듈 및 구동 회로의 전체 부피를 감소시키기 위해 변압기 회로로 대체될 수 있다. 예를 들면, 도 37b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 배터리들 또는 커패시터 축전지가 피크 부하의 시간 동안에 전하를 제공할 수 있다(여기서 그러한 배터리들 또는 커패시터들은 요소(540)로 나타내어짐). 그 구조(540)는 사용자 인터페이스 장치의 웨이트, 전원, 배터리, 회로 보드, 및 커패시터를 포함할 수 있다. 장치(520) 내의 기존의 구조들을 사용하는 것은 액추에이터 서브-어셈블리의 전체적인 폼 팩터 및 공간 활용을 개선한다.
다른 변형은 내부 질량으로서 인덕터를 사용하는 것을 포함한다. 공간을 절약하는 이점에 더하여, 이것은 최소 크기의 개별 전자 회로로 가능한 것보다 더 큰 인덕터의 사용으로 더 효율적인 전력 변환을 통하여 전력 효율(및 더 낮은 전류 소비)을 개선할 수 있다. 이것은 특히 공진 구동에 해당되지만 오디오 팔로워 디자인에도 해당된다.
전술한 컴플라이언트 개스킷에 더하여, 또는 그의 대안으로, 시스템들은 임의의 구동 출력 질량 및 베이스 질량을 포함할 수 있다. 구동 출력 질량은 장치의 바디를 포함하고 베이스 질량은 장치의 베이스를 포함한다. 트랜스듀서의 구동은 양쪽 질량에서 진동을 일으키고 하나의 질량은 사용자에게 피드백을 공급하기 위해 사용된다.
햅틱 피드백을 증가시키기 위해, 트랜스듀서와 베이스 사이의 마찰을 감소시키는 임의의 부재 또는 구성이 이용될 수 있다. 예를 들면, 표면 면적을 최소화하는 너브(nubs) 또는 포인트와 같은 몰딩된 특징부들을 포함하는 오퍼레이팅 층들은 메이팅 표면(예를 들어, 디스플레이, 터치 스크린, 또는 백라이트 확산기의 밑면)에 대하여 저마찰 계수를 갖는 재료들로 만들어진다. 마찰을 감소하는 재료는 저마찰 계수뿐만 아니라 움직일 수 있는 표면을 갖는 재료를 포함할 수 있다.
도 38a 내지 38e는 그 안에 위치한 액추에이터들(524)에 의해 생성된 햅틱 피드백 힘을 강화하도록 구성된 하우징을 이용하는 장치(542)(이 예에서는 핸드세트 유닛)의 다른 예를 예시한다. 도 38a는 장치의 사용자 인터페이스 표면(532)을 예시한다. 도 38b는 사용자 인터페이스 표면(532)의 측면도를 예시한다. 이 예에서, 사용자 인터페이스 표면의 배면은 유닛(542)의 섀시, 바디 또는 베이스(528)에 대한 사용자 인터페이스 표면(532)의 과도한 움직임을 제한하는 스톱 표면(536)을 포함한다. 도 38c는 액추에이터들(524)을 갖는 유닛(542)의 베이스(528)뿐만 아니라 유닛의 다른 컴포넌트들(548)도 보여준다. 전술한 바와 같이, 컴포넌트들(548)은 옵션으로 액추에이터들이 내부 힘을 생성할 수 있게 하는 질량의 역할을 할 수 있다. 도 38d는 베이스(528)에 연결된 사용자 인터페이스 표면(532)을 예시한다.
도 38e는 베이스(528)와 사용자 인터페이스 표면(532) 사이에 위치한 하나 이상의 베어링들(544)을 갖는 것으로 장치(542)의 다른 변형을 보여준다. 예시된 바와 같이, 베어링들은 옵션으로 레일(550)에 존재할 수 있다. 예시된 장치(542)는 장치(542)의 길이를 따라 2개의 레일(550)을 포함하지만, 변형들은 레일들이 액추에이터들(524)에 의해 생성된 강화된 햅틱 힘을 허용하도록 마찰을 감소시키기만 한다면 장치 내의 어디에나 위치하는 하나 이상의 레일(550)을 포함한다.
도 39a는 여기에 설명된 장치들 및 조립체들과 함께 사용되는 서스펜션 조립체 특징부를 예시한다. 예시된 것은 분해된 햅틱 장치(520)를 예시하는 것으로 평면형 액추에이터(524)를 노출하도록 사용자 인터페이스(532)가 개방되어 있다. 이 서스펜션 조립체는 장치의 컴포넌트들을 예시하기 위해 도 39a에서 생략되어 있다.
도시된 바와 같이, 평면형 액추에이터(524)는 장치(520)의 바디의 다른 부분에 대한 사용자 인터페이스(532)의 움직임을 생성한다. 예시된 예에서, 사용자 인터페이스(532)와 하부 프레임(528)은 서로에 대하여 움직인다. 그러나, 장치의 임의의 2개의 컴포넌트들이 서로에 관대하여 움직이는 임의의 수의 변형들이 예상된다(이는 사용자 인터페이스가 반드시 움직이는 컴포넌트들 중 하나일 필요는 없다는 것을 의미한다). 또한, 예시적인 장치(520)는 x 디멘션 및/또는 y 디멘션에서의 움직임을 허용하는 평면형 액추에이터(524)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 임의의 수의 액추에이터 유형들이 이용될 수 있다(예를 들어, z/면외 방향으로 움직이는 액추에이터들뿐만 아니라 x-y-z 방향으로 움직이는 액추에이터들). 서스펜션 조립체에 관하여 여기에 설명된 원리들은 햅틱 피드백 장치들뿐만 아니라 전기활성 중합체 트랜스듀서들 또는 다른 유형의 트랜스듀서들을 이용하는 다른 장치들에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 이 서스펜션 디자인들은 햅틱 장치에서뿐만 아니라 센서, 스피커 및 광학 장치에서 이용될 수 있다.
도 39b는 장치(520)의 다양한 컴포넌트들을 함께 연결하는 다수의 서스펜션 조립체들(550)을 갖는 장치(520)를 보여준다. 후술한 바와 같이, 서스펜션 조립체들(550)은 상대적인 움직임을 허용하고 또한 컴포넌트들의 움직임에 대항하는 스프링 또는 저항력을 제공하기 위해 컴포넌트들을 분리하도록 기능할 수 있다. 예를 들면, 도 39b는 액추에이션 프레임(529)의 부분(554)과 베이스 프레임(528)의 부분(556) 사이에 연결된 굴곡 부재(552)를 포함하는 서스펜션 조립체를 보여준다. 액추에이션 프레임(529)은 장치(520)의 임의의 부분일 수 있다. 예시된 예에서, 액추에이션 프레임(529)은 사용자 인터페이스 컴포넌트(532)를 위한 지지 구조를 포함한다. 추가의 변형들에서, 액추에이션 프레임(529)은 사용자 인터페이스 컴포넌트(532)의 일부일 수 있고 또는 실제로 사용자 인터페이스 컴포넌트 자체(532)를 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 액추에이션 프레임(534)은 전기활성 중합체 액추에이터(524)의 움직일 수 있는 부분, 이 경우 전기활성 중합체 막(525)에 연결된다. 그러나, 프레임은 편향 가능한 전기활성 중합체 막(525)에 의해 구동되는 임의의 커넥터 또는 연결 구조에 연결될 수 있다. 예시된 예는 또한 전기활성 액추에이터 조립체(524)에 연결되어 있는 베이스 프레임(528)을 보여준다. 전형적으로, 프레임은 전기활성 중합체 액추에이터(524)의 하우징(527)에 부착될 수 있다. 명백히, 구체적으로 다르게 청구되지 않는 한, 이 장치 및 방법들의 변형들은 전기활성 중합체 액추에이터의 하우징(528)에 연결되는 액추에이션 프레임들(529)뿐만 아니라 전기활성 중합체 액추에이터의 움직이는 부분에 연결되는 베이스 프레임들도 포함할 수 있다.
도 39c에서는 다수의 서스펜션 조립체들(550)을 이용하여 베이스 프레임(528)에 연결된 액추에이션 프레임(529)을 보여주는 데 있어서 명확성을 위해 사용자 인터페이스 컴포넌트뿐만 아니라 전기활성 중합체 액추에이터 및 장치의 다른 컴포넌트들이 생략되어 있다. 예시된 예는 4개의 조립체를 보여주지만, 특정한 응용에 따라서 임의의 수의 조립체들이 이용될 수 있다.
도 39d는 서스펜션 조립체들(550) 중 하나의 확대도를 제공한다. 도시된 바와 같이, 이 변형에서의 조립체들(550)은 프레임들의 움직임의 면 밖에 있는 액추에이션 프레임(529) 및 베이스 프레임(528) 각각의 부분들 또는 탭들(554 및 556)을 포함한다. 탭들(554 및 556)은 굴곡 부재(552)에 용접되거나 다른 방법으로 부착될 수 있다. 굴곡 부재(552)는 제어된 움직임을 허용하도록 프레임들을 연결하는 기계적 굴곡의 역할을 한다. 굴곡 부재(552)는 금속 합금(예를 들어, 스테인리스 강철), 중합체 재료, 또는 복합 재료와 같은 임의의 재료로 제조될 수 있다. 옵션으로, 굴곡 부재(552)는 그 부재(552)가 단일 평면에서 구부러지도록 직사각형 형상을 포함할 수 있다. 그러나, 구체적으로 제한되지 않는 한, 서스펜션 조립체는 각종 형상들을 갖는 굴곡 부재들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 예시된 굴곡 부재(552)는 평면 바 형상을 포함한다. 이 형상은 평면 방향으로 부재의 구부러짐 및 부착된 컴포넌트들의 움직임을 허용한다(도 40c 참조).
여기에 설명된 서스펜션 조립체들은 움직일 수 있는 컴포넌트들을 분리하거나 서스펜딩하는 이중 기능들을 제공하고 및/또는 컴포넌트들 사이의 상대적 움직임에 대항하는 복원력 또는 저항력을 제공할 수 있다. 도 40a 내지 40d는 서스펜션 조립체의 예의 개략적인 상면도를 예시한다. 도 40a는 안정 위치(rest position)의, 즉 액추에이션 프레임(529) 및/또는 베이스 프레임(528)의 변위 전의 서스펜션 조립체를 예시한다. 도 40b는 도 40a에 도시된 서스펜션 조립체의 개념적인 측면도를 제공한다. 예시된 바와 같이, 굴곡 부재(552)는 베이스 프레임(528)과 액추에이션 프레임(529) 사이의 수직 분리를 유지한다. 이 간격은 프레임들 사이에 추가적인 베어링 표면에 대한 필요 없이 프레임들 사이의 개선된 움직임을 허용한다. 그러나, 장치들의 변형들은 하나 이상의 베어링 표면들의 사용을 포함할 수 있다. 액추에이션 프레임(554) 및 베이스 프레임(556)은 또한 상대적인 움직임을 용이하게 하는 임의의 수의 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이, 프레임들(554 및 556)은 프레임들(554 및 556)이 서로에 대하여 움직이는 것을 허용하는 포개지는 유형(nesting type)의 돌출부들 및 슬롯들(558)을 포함할 수 있다.
도 40c는 프레임들(528 및 529)이 서로에 대하여 변위되어 있을 때의 도 40a의 조립체를 보여준다. 도시된 변위의 정도는 예시를 위한 것임에 유의해야 한다. 변위시에 굴곡 부재(552)는 탭들(554 및 556)의 대항력의 결과로서 기계적으로 스트레스되거나 변형된 상태에 들어간다. 도 40d는 도 40c의 서스펜션 조립체의 측면도를 예시한다. 이번에도, 서스펜션 조립체는 변위된 구성에 있을 때 프레임들(528 및 529) 사이의 분리를 유지할 수 있다.
일부 변형들에서, 굴곡 부재(552)는 프레임들(528 및 529)의 움직임을 전기활성 중합체 액추에이터의 최대 변위보다 작게 완충하거나 제한하도록 구성되거나 선택될 수 있다. 그러한 옵션은 액추에이터의 변위를 원하는 범위 내로 제한하는 것에 의해 액추에이터의 수명을 연장할 수 있다.
도 41은 여기에 설명된 장치들의 변형들의 움직임을 제어하는 추가적인 양태들을 갖는 베이스 프레임(528)의 부분 하면도를 보여준다. 이 변형에서, 베이스 프레임(528) 및 액추에이션 프레임(528)은 메이팅 스톱 조립체(mating stop assembly)(560)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 이 스톱 조립체(560)는 구조들 사이의 슬라이딩 움직임을 허용하도록 함께 포개지는 돌출부(562) 및 슬롯(564)을 포함한다. 이 예에서, 스톱 조립체(560)의 돌출부(562)는 액추에이션 프레임에 연결되거나 액추에이션 프레임의 일부인 반면 슬롯(564)은 베이스 프레임(528) 내에 형성될 수 있다. 시스템의 변형들은 슬롯이 작동 트레이에 있고 돌출부가 베이스 트레이에 있는 반전된 구성을 포함한다. 어쨌든, 스톱 조립체(560)는 돌출부(562)와 슬롯(564) 사이의 틈을 이용하여 트레이들의 움직임을 제한한다. 결과로서, 트레이들의 움직임은 작동의 최대량보다 작도록 구성될 수 있다. 이 스톱 메커니즘은 액추에이터가 그것의 최대 변위 범위를 넘어서 움직이는 것을 막음으로써 액추에이터에의 손상을 막을 수 있다.
스톱 조립체의 추가의 변형들은 도 41에 도시된 것으로부터의 임의의 수의 변경들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 대안적인 변형들에서, 베이스 프레임 전체를 통하여 슬롯을 생성할 필요를 막기 위해 슬롯 또는 다른 홈(keyway) 내에 돌출부가 포개질 수 있다. 도 41은 또한 노치(notch)(566)를 포함하는 하부 프레임(529)을 예시한다. 노치(566)는 임의의 수의 케이블들을 수용할 수 있고 또는 액추에이션 프레임의 탭 부분(554)의 움직임을 허용할 수 있다.
도 42a 내지 42f는 결국 장치 내에 배치하기 위해 서스펜션 조립체와 움직이는 컴포넌트들을 조립하는 일례를 예시한다. 도 42a는 고정장치(fixture)(600) 상에 배치된 굴곡 부재(552)로서 사용되는 재료의 스트립을 예시한다. 굴곡 부재는 임의의 수의 형상 및 사이즈뿐만 아니라 재료를 포함할 수 있지만, 굴곡 부재의 일 변형은 스테인리스 강철 재료를 포함한다. 다음으로, 도 42b에 도시된 바와 같이, 프로세스는 고정장치(600) 상에 베이스 프레임(528)을 배치하고 부분(556)이 굴곡 부재(552)와 맞물리도록(또는 맞물릴 수 있도록) 베이스 프레임(529)을 정렬하는 것을 수반한다. 예시된 예에서, 베이스 프레임(528)은 미리 형성되고(또는 미리 구부러지고) 굴곡 재료(552) 위에 배치되는 탭들(556)을 포함한다. 대안적으로, 탭들(556)은 베이스 프레임(528)을 배치한 후에 굴곡 재료(552)의 주위에 구부러지거나 고정될 수 있다. 대안적인 변형들에서, 베이스 프레임(528)의 부분(556)은 (예를 들어, 도 41에 도시된 바와 같이) 어떠한 구부림도 없이 단순히 굴곡 재료(552)에 부착된다. 베이스 프레임(528)을 굴곡 재료(552)에 부착하기 위해 임의의 수의 프로세스들이 이용될 수 있다. 예를 들면, 탭들(556)은 굴곡 재료(552)에 용접될 수 있다. 그러한 경우, 탭(556)과 굴곡 재료(552) 사이에 전극이 배치될 수 있다.
도 42c는 베이스 프레임(528) 상에 전기활성 중합체 액추에이터(524)를 배치한 후의 프로세스를 예시한다. 예시를 위해, 전기활성 중합체 액추에이터(524)는 전원 또는 다른 회로 없이 도시되어 있다. 다음으로, 도 42d에 도시된 바와 같이, 액추에이션 프레임(529)이 전기활성 중합체 액추에이터(도 42d에는 도시되지 않음) 위에 배치되고 액추에이션 프레임의 부분(이 경우 탭들(554))이 굴곡 재료(552)와 맞물리도록 정렬된다. 탭들(554)은 여기에 논의된 바와 같이 임의의 수의 방법으로 굴곡 재료에 부착될 수 있다.
도 42e는 굴곡 재료(552)가 트리밍된 후의 조립 프로세스의 상태를 보여준다. 도시된 예에서, 굴곡 재료(552)를 트리밍하는 것으로 베이스 프레임과 액추에이션 프레임을 함께 연결하는 4개의 개별 서스펜션 조립체들(550)이 생성된다. 도 42f는 사용자 인터페이스 표면(532)을 액추에이션 프레임 상에 연결하는 단계를 예시한다. 이 조립체는 그 후 하우징 또는 다른 커버링 내에 배치될 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 이 조립체는 컴포넌트들의 움직임을 돕기 위해, 여기에 논의된 것들과 같은, 임의의 수의 베어링 표면들을 포함할 수 있다.
햅틱 일렉트로닉스를 구동하기 위해 이용되는 회로 기술은 회로의 풋프린트를 최적화하고(즉, 회로의 사이즈를 감소시키고), 햅틱 액추에이터의 효율을 증가시키고, 잠재적으로 비용을 감소시키기 위해 선택될 수 있다. 다음의 도면들은 그러한 회로도의 예들을 확인한다. 도 43a는 포토플래시 컨트롤러를 위한 전원을 포함하는 일례를 예시한다. 도 43b는 폐루프 피드백을 갖는 푸시풀 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)을 포함하는 제2의 회로 예를 예시한다.
본 발명의 다른 상세들에 관한 한, 숙련된 당업자들의 수준 내에서 재료들 및 대체의 관련 구성들이 이용될 수 있다. 이는 공통적으로 또는 논리적으로 이용된 추가적인 행동들의 점에서 본 발명의 방법 기반 양태들에 관하여 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 옵션으로 다양한 특징들을 포함하여, 몇몇 예들에 관하여 본 발명이 설명되었으나, 본 발명은 본 발명의 각 변형에 관하여 예상되는 것으로 기술되거나 지시된 것에 제한되지 않을 것이다. 설명된 발명에 대해 다양한 변경들이 이루어질 수 있고 본 발명의 진정한 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 동등물들(여기에 기재되었든 얼마간의 간결함을 위하여 포함되지 않았든)이 대용될 수 있다. 임의의 수의 도시된 개별 부품들 또는 서브어셈블리들이 그들의 디자인에 통합될 수 있다. 조립을 위한 디자인의 원리에 의해 그러한 변경들 또는 다른 것들이 착수되거나 안내될 수 있다.
또한, 여기에 설명된 발명의 변형들의 임의의 옵션의 특징이 제시되고 독립적으로, 또는 임의의 하나 또는 그 이상의 여기에 설명된 특징과 함께 청구될 수 있다고 예상된다. 단수의 항목의 참조는 복수의 동일한 항목이 존재할 가능성을 포함한다. 더 구체적으로, 여기서 사용될 때 그리고 첨부된 청구항들에서, 단수 형태들, "a", "an", "said" 및 "the"는 구체적으로 다르게 진술되지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 즉, 그러한 관사들의 사용은 위의 설명 및 아래의 청구항들에서의 대상 항목의 "적어도 하나"를 허용한다. 또한 청구항들은 임의의 옵션의 요소를 배제하도록 기안될 수 있다는 것에 유의한다. 따라서, 이러한 진술은 청구항 요소들의 상술과 관련하여 "다만" 또는 "단지" 등과 같은 배타적인 용어의 사용, 또는 "부정적인" 제한의 사용에 대한 선행 근거(antecedent basis)의 역할을 하도록 의도된다. 그러한 배타적인 용어의 사용이 없다면, 청구항들에서 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 청구항에서 주어진 수의 요소들이 열거되어 있든지 관계없이, 임의의 추가적인 요소의 포함을 허용하고, 또는 어떤 특징의 추가는 청구항들에서 제시된 요소의 본질을 변환하는 것으로 간주될 수 있다. 다르게 말하여, 여기에 구체적으로 정의되지 않는 한, 여기에 사용된 모든 기술적이고 과학적인 용어들은 청구항의 유효성을 유지하면서 가능한 한 넓은 일반적으로 이해되는 의미로서 주어져야 한다.
위에서는 예시를 목적으로 본 발명이 상세히 설명되었지만, 그러한 상세는 다만 그 목적을 위한 것이고 청구항들에 의해 제한될 수 있는 것 외에는 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 숙련된 당업자들에 의해 변형들이 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
Claims (29)
- 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하기 위한 장치로서,
베이스 프레임;
상기 베이스 프레임에 연결된 적어도 하나의 전기활성 중합체 액추에이터(electroactive polymer actuator) - 상기 전기활성 중합체 액추에이터는 전기활성 중합체 트랜스듀서에 인가되는 활성화 신호에 응답하여 움직여 상기 햅틱 피드백을 제공하도록 구성된 전기활성 중합체 막을 가짐 -;
상기 전기활성 중합체 막에 연결된 액추에이션 프레임 - 상기 전기활성 중합체 막의 움직임이 상기 액추에이션 프레임의 움직임을 야기시킴 -; 및
상기 베이스 프레임의 일부를 상기 액추에이션 프레임의 일부에 연결하는 적어도 하나의 기계 굴곡 부재(mechanical flexure member) - 상기 굴곡 부재는 상기 베이스 프레임에 대하여 상기 액추에이션 프레임을 서스펜딩하고(suspend) 상기 베이스 프레임과 상기 액추에이션 프레임 사이의 상대적 움직임을 허용함 -
를 포함하는 피드백 장치. - 제1항에 있어서, 상기 기계 굴곡 부재는 복수의 개별 기계 굴곡 부재들을 포함하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 사용자 인터페이스 컴포넌트를 더 포함하고, 상기 액추에이션 프레임은 상기 사용자 인터페이스 컴포넌트에 연결되거나 상기 사용자 인터페이스 컴포넌트의 일부를 형성하는 피드백 장치.
- 제3항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 컴포넌트는 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드 및 게임 컨트롤러로 이루어진 그룹으로부터 선택된 인터페이스 장치를 포함하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기계 굴곡 부재는 평면 바를 포함하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기계 굴곡 부재는 상기 베이스 프레임에 평행인 평면에서 상기 베이스 프레임과 상기 액추에이션 프레임 사이의 상대적 움직임을 제한하도록 구성되는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 기계 굴곡 부재의 제1 부분은 상기 베이스 프레임에 단단하게 부착되고 상기 기계 굴곡 부재의 제2 부분은 상기 액추에이션 프레임에 단단하게 부착되어, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 위치하는 상기 기계 굴곡 부재의 구속받지 않는 제3 부분이 상기 베이스 프레임과 상기 액추에이션 프레임 사이의 상대적 움직임에 응답하여 편향하는 피드백 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 기계 굴곡 부재의 상기 구속받지 않는 제3 부분은 상기 전기활성 중합체 막의 움직임을 상기 전기활성 중합체 막의 최대 변위보다 작게 제한하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 액추에이션 프레임은 적어도 하나의 액추에이션 탭을 포함하고 상기 베이스 프레임은 적어도 하나의 베이스 탭을 포함하고, 상기 액추에이션 탭 및 베이스 탭은 상기 액추에이션 프레임 및 베이스 프레임과 비평면이고 상기 액추에이션 탭과 상기 베이스 탭 사이에 적어도 하나의 기계 굴곡 부재가 고정되는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 스톱 조립체(stop assembly)를 더 포함하고, 상기 스톱 조립체는 상기 베이스 프레임 상의 돌출부 및 상기 액추에이션 프레임 내의 슬롯을 포함하고, 상기 슬롯은 상기 돌출부를 수용하도록 구성되고 상기 슬롯은 상기 베이스 프레임의 움직임을 제한하도록 상기 돌출부보다 더 큰 사이즈를 갖는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 스톱 조립체를 더 포함하고, 상기 스톱 조립체는 상기 액추에이션 프레임 상의 돌출부 및 상기 베이스 프레임 내의 슬롯을 포함하고, 상기 슬롯은 상기 돌출부를 수용하도록 구성되고 상기 슬롯은 상기 베이스 프레임의 움직임을 제한하도록 상기 돌출부보다 더 큰 사이즈를 갖는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 활성화 신호는 상기 전기활성 중합체로부터 출력 신호와 관련되는 햅틱 피드백 힘을 생성하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기활성 중합체 액추에이터는 햅틱 피드백 힘을 생성하기 위한 관성 질량을 포함하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기활성 중합체 액추에이터는 사용자 인터페이스 장치의 구조에 연결되어, 변위시에 상기 전기활성 중합체 액추에이터가 상기 구조를 움직여 관성력을 생성하는 피드백 장치.
- 제14항에 있어서, 상기 구조는 상기 사용자 인터페이스 장치의 웨이트(weight), 전원, 배터리, 회로 보드 및 커패시터로부터 선택된 구조를 포함하는 피드백 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 액추에이션 프레임과 상기 베이스 프레임 사이에 적어도 하나의 베어링을 더 포함하고, 상기 베어링은 그것들 사이의 마찰을 감소시키는 피드백 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 적어도 하나의 베어링은 가이드 레일에 마운팅된 복수의 베어링들을 포함하는 피드백 장치.
- 제15항에 있어서, 사용자 인터페이스 컴포넌트의 제1 및 제2 측면을 따라서 각각 적어도 2개의 가이드 레일들이 배치되는 피드백 장치.
- 피드백 장치를 제조하는 방법으로서,
전기활성 중합체 트랜스듀서를 제1 프레임에 부착하는 단계 - 상기 전기활성 중합체 트랜스듀서는 전압이 인가되면 변위하여 피드백을 제공하도록 구성된 전기활성 중합체 막을 포함함 -;
상기 전기활성 중합체 막을 제2 프레임에 연결하는 단계; 및
상기 제1 프레임을 기계 굴곡 부재의 제1 부분에 부착하고 상기 제2 프레임을 상기 기계 굴곡 부재의 제2 부분에 부착함으로써 상기 제2 프레임에 대하여 상기 제1 프레임을 서스펜딩하는 단계 - 상기 기계 굴곡 부재의 제3 부분은 구속받지 않고 상기 제1 및 제2 부분들의 상대적 움직임을 허용하도록 편향함 -
를 포함하는 방법. - 제19항에 있어서, 상기 제2 프레임에 대하여 상기 제1 프레임을 서스펜딩하는 단계는 상기 제1 및 제2 프레임들을 복수의 개별 기계 굴곡 부재들에 부착하는 단계를 포함하는 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 프레임은 사용자 인터페이스 컴포넌트를 포함하는 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 컴포넌트는 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드 및 게임 컨트롤러로 이루어진 그룹으로부터 선택된 인터페이스 장치를 포함하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 제2 프레임에 대하여 상기 제1 프레임을 서스펜딩하는 단계는 평면 바의 제1 부분을 상기 제1 프레임에 부착하고 평면 바의 제2 부분을 상기 제2 프레임에 부착하는 단계를 포함하고, 상기 평면 바는 상기 제1 및 제2 프레임들의 평면 움직임을 용이하게 하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 기계 굴곡 부재의 상기 제3 부분은 상기 전기활성 중합체 막이 최대 변위에 도달하지 못하게 하는 양만큼 편향하도록 선택되는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 제1 프레임 내에 제1 스톱 표면을 생성하고 상기 제2 프레임 상에 제2 스톱 표면을 생성하는 단계를 더 포함하여, 상기 제1 및 제2 스톱 표면들이 간섭하여 상기 전기활성 중합체 막이 최대 변위에 도달하지 못하도록 상기 제2 프레임에 대한 상기 제1 프레임의 움직임을 제한하는 방법.
- 장치 내의 움직일 수 있는 컴포넌트들 사이의 변위를 제어하기 위한 방법으로서,
기계 굴곡부에 의해 제2 프레임 컴포넌트에 대하여 서스펜딩된 제1 프레임 컴포넌트 - 상기 기계 굴곡부는 상기 제1 프레임 컴포넌트와 상기 제2 프레임 컴포넌트 사이의 상대적 움직임을 허용하고, 상기 제1 프레임 컴포넌트 및 제2 프레임 컴포넌트는 안정 위치(rest position) 및 변위된 위치를 가짐 -, 및
전압이 인가되면 변위하도록 구성된 전기활성 중합체 막을 갖는 전기활성 중합체 트랜스듀서 - 상기 전기활성 중합체 트랜스듀서는 상기 제1 프레임 컴포넌트에 연결되고 상기 전기활성 중합체 막은 상기 제2 프레임 컴포넌트에 연결됨 -
를 갖는 장치를 제공하는 단계;
상기 전기활성 중합체 막의 변위를 일으키도록 상기 전기활성 중합체 트랜스듀서를 활성화하는 단계 - 상기 전기활성 중합체 막의 변위는 상기 제1 및 제2 프레임 컴포넌트들을 상기 변위된 위치로 움직여 상기 기계 굴곡부에서 기계 스트레스를 일으킴 -; 및
상기 기계 굴곡부에서의 스트레스가 제1 프레임과 제2 프레임 사이의 서스펜션을 유지하면서 상기 제1 프레임 컴포넌트 및 제2 프레임 컴포넌트를 상기 안정 위치 쪽으로 복귀시키는 것을 돕게 하기 위해 상기 전기활성 중합체 트랜스듀서에의 신호를 감소시키는 단계
를 포함하는 방법. - 제26항에 있어서, 상기 제2 프레임 컴포넌트에 대하여 상기 제1 프레임 컴포넌트를 서스펜딩하는 것은 상기 제1 및 제2 프레임들을 복수의 개별 기계 굴곡부들에 부착하는 것을 포함하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제1 또는 제2 프레임 컴포넌트들은 사용자 인터페이스 컴포넌트를 포함하거나 사용자 인터페이스 컴포넌트의 일부인 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 사용자 인터페이스 컴포넌트는 버튼, 키, 게임패드, 디스플레이 스크린, 터치 스크린, 컴퓨터 마우스, 키보드 및 게임 컨트롤러로 이루어진 그룹으로부터 선택된 인터페이스 장치를 포함하는 방법.
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