KR20170024564A - 이중층 햅틱 피드백 액추에이터 - Google Patents

이중층 햅틱 피드백 액추에이터 Download PDF

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KR20170024564A
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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

본 출원은 일반적으로 햅틱 피드백 액추에이터들 및 터치 기반 시스템들에서의 그들의 구성 및 사용에 관한 것이다. 햅틱 피드백 액추에이터들은 상이한 열 계수들을 갖는 적어도 2개의 재료를 포함하는 적절한 이중층 구조체들이므로, 구조체가 구조체의 가열 및/또는 냉각에 응답하여 제1 위치로부터 제2 위치로 편향되는 것을 허용한다.

Description

이중층 햅틱 피드백 액추에이터{BILAYER HAPTIC FEEDBACK ACTUATOR}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 발명의 명칭이 "Ultrathin Bilayer Haptic Feedback Signal Generating Actuator"이고, 2015년 8월 25일에 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 62/209,820의 이득을 주장하며, 그 개시내용은 본 명세서에 전체적으로 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 출원은 일반적으로 햅틱 피드백 액추에이터들 및 터치 기반 시스템들에서의 그들의 구성 및 사용에 관한 것이다. 햅틱 피드백 액추에이터들은 상이한 열 계수들을 갖는 적어도 2개의 재료를 포함하는 적절한 이중층 구조체들이므로, 구조체가 구조체의 가열 및/또는 냉각에 응답하여 제1 위치로부터 제2 위치로 편향되는 것을 허용한다.
햅틱 효과들은 전자 디바이스와 개인의 상호작용을 강화하기 위해 사용된다. 햅틱 효과들은 사용자가 터치 감각을 경험할 수 있게 하며, 터치 감각은 디바이스에 내장되는 액추에이터에 의해 전형적으로 발생된다. 그러한 햅틱 효과 액추에이터는 디스플레이 또는 오디오 디바이스를 통한 시각 및/또는 오디오 효과들에 대안으로 또는 이 효과들에 더하여, 전자 디바이스와 사용자 상호작용의 확인 응답 또는 피드백을 제공한다. 그러한 피드백을 비가시 사용자 인터페이스들을 통해 디바이스들의 광범위한 크기들로 제공하는 요구가 계속 있다. 그러한 햅틱 효과 액추에이터들의 크기 및 전력 소비는 사용자 인터페이스들을 갖는 증가하는 수의 전자 디바이스들이 효율적 전력 소비를 필요로 함에 따라 더욱 중요해진다. 예컨대 얇거나 소형인 것에 의해 낮은 프로파일을 갖고, 더 적은 전력을 소비하는 햅틱 효과 액추에이터들에 대한 본 기술분야에서의 요구가 남아 있다.
전술한 것을 고려하여, 특히 햅틱 피드백 발생기를 갖는 디바이스를 통해, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템들 및 방법들이 본원에 제공된다.
실시예들에서, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템들이 본원에 제공된다. 시스템들은 햅틱 피드백 발생기를 갖는 디바이스를 적절히 포함하며, 햅틱 피드백 발생기는 이중층 재료 스트립을 포함한다. 실시예들에서, 온도의 변화에 응답하여, 이중층 재료 스트립은 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하기 위해 제1 위치와 제2 위치 사이에서 편향되도록 구성된다.
또한 햅틱 피드백 발생기 시스템과 사용자의 접촉에 응답하여 햅틱 피드백 발생기 시스템에서 햅틱 피드백을 발생시키는 방법들이 본원에 제공된다. 실시예들에서, 방법들은 햅틱 피드백 발생기 시스템에서 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 것에 의해, 시스템에서 이중층 재료 스트립의 온도를 증가시키는 단계, 및 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이중층 재료 스트립을 편향시켜 햅틱 피드백을 사용자에게 발생시키는 단계를 포함한다.
본 기술의 전술한 및 다른 특징들 및 양태들은 그것의 실시예들의 이하의 설명으로부터 및 첨부 도면들에 예시된 바와 같이 더 잘 이해될 수 있다. 본원에 포함되고 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면들은 본 기술의 원리들을 예시하는 역할을 더 한다. 도면들 내의 구성요소들은 반드시 축척에 따라 도시되는 것은 아니다.
도 1a 내지 도 1b는 본 기술의 일 실시예에 따른 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템의 단면도들이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 기술의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 발생기의 단면도들이다.
도 3은 본 기술의 일 실시예에 따른 이종금속 스트립의 편향 대 온도를 예시하는 그래프이다.
도 4는 본 기술의 일 실시예에 따른 유체 채널들을 포함하는 열 에너지 소스/싱크의 예시이다.
도 5는 본 기술의 추가 실시예에 따른 유체 채널들을 포함하는 열 에너지 소스/싱크의 도면이다.
도 6은 본 기술의 일 실시예에 따른 다수의 이중층 재료 스트립들을 포함하는, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템의 도면이다.
도 7은 본 기술의 일 실시예에 따른 다수의 이중층 재료 스트립들을 포함하는, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템의 절개도이다.
도 8a 내지 도 8b는 본 기술의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 발생기의 단면도들이다.
도 9는 본 기술의 일 실시예에 따른 이중층 재료 스트립의 단면도이다.
다양한 실시예들은 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 다양한 실시예들에 대한 참조는 여기에 첨부되는 청구항들의 범위를 제한하지 않는다. 부가적으로, 본 명세서에 진술되는 임의의 예들은 제한적이도록 의도되지 않고 첨부된 청구항들에 대한 많은 가능한 실시예들의 일부만을 진술한다.
실시예들에서, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템들이 본원에 제공된다. 도 1a 및 도 1b에 예시적으로 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 햅틱 피드백 발생기(106A)를 갖는 디바이스(104)를 적절히 포함하며, 햅틱 피드백 발생기는 실시예들에서, 또한 사용자 터치가능 햅틱 신호 발생기로 본원에서 설명된다.
본원에 사용되는 바와 같이, "햅틱 피드백"은 터치의 감지를 통해, 본원에 설명되는 바와 같은 시스템으로부터 사용자로 전달되는 진동, 질감, 및/또는 열 등과 같은 정보를 언급한다. 햅틱 피드백은 또한 본원의 실시예들에서 햅틱 피드백 신호로 설명될 수 있다.
햅틱 피드백 발생기(106A)를 포함할 수 있는 디바이스(104)의 예들은 다양한 웨어러블들, 이동 전화들 및 태블릿들, 터치 패드들, 키보드들, 게임 콘솔들 및 컨트롤러들 등을 포함한다.
실시예들에서, 사용자(102)는 디바이스(104)와 상호작용한다. 상호작용에 응답하여, 햅틱 피드백 발생기(106A)는 사용자(102)를 향해 상승하는 것에 의해 햅틱 피드백 발생기(106A)로부터 햅틱 피드백(108)(예를 들어, 압력, 터치 또는 진동)을 생성함으로써 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)(또한 본원의 실시예들에서 편향된 햅틱 신호 발생기로 설명됨)로 변형되거나 편향된다. 사용자 상호작용은 디바이스(104)의 표면, 예를 들어 디바이스(104)의 기판(110)(예컨대 터치 패드 표면, 터치 스크린, 글래스 또는 플라스틱 커버 등)을 터치하는 것을 적절히 포함하지만, 부가 실시예들에서, 상호작용은 햅틱 피드백 발생기(106A)를 직접 터치하는 것을 포함할 수 있다. 사용자 상호작용은 또한 사용자가 햅틱 피드백 발생기를 실제로 터치하는 것 없이 편향을 개시하기 위해 햅틱 피드백 발생기에 충분히 접근하는 것을 포함할 수 있다.
실시예들에서, 햅틱 피드백 발생기(106A)는 사용자에 의해 느껴질 수 있는 햅틱 피드백 힘을 발생시키거나 제공하는 이중층 재료 스트립(202)(도 2a 내지 도 2b 참조)을 포함한다. 이중층 재료 스트립의 작동에 의해 제공되는 발생된 햅틱 피드백은 사용자가 햅틱 피드백 발생기(106A) 및 기판(110)을 포함하는 터치 표면 또는 터치가능 사용자 인터페이스에 대해 인가할 수 있는 사용자의 정상 접촉 압력에 의해 억제되거나 차단되지 않도록 충분한 힘이다. 즉, 햅틱 피드백 힘은 사용자(102)가 이중층 재료 스트립(202)의 편향을 사용자의 터치에 대해 위로 느낄 수 있도록 충분히 강하다. 햅틱 피드백 힘을 증가시키는 방법들은 본원에 설명되고 재료들, 예컨대 추가 층들 또는 부가 질량을 이중층 재료 스트립(202)에 추가하여 그것의 두께 또는 전체 중량을 증가시키는 사용을 포함한다.
도 2a 및 도 2b는 디바이스(104) 내에 수용되거나 디바이스에 의해 지지되는 예시적 햅틱 피드백 발생기(106A) 및 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)의 단면도들이다. 본원에 설명되는 바와 같이, 실시예들에서, 햅틱 피드백 발생기(106A)는 터치가능 피드백 발생기이지만, 직접 터치는 본원에 설명되는 바와 같이 햅틱 피드백을 개시하도록 요구되지 않는다.
햅틱 피드백 발생기(106A)는 예를 들어 도 2b에 도시된 바와 같이, 이중층 재료 스트립(202)의 대향 단부들(214 및 216)에서, 기판(110) 또는 디바이스(104)에 결합되는 이중층 재료 스트립(202)을 적절히 포함한다. 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)은 예를 들어 이중층 재료 스트립이 햅틱 피드백 발생기(106A)로부터 분리되는 것 없이, 발진 및 진동을 허용하는 것을 포함하는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 피봇되거나 편향되는 것을 허용하는 다양한 접착제들 또는 글루들, 고무 부착 포인트들, 또는 기계적 피봇들, 힌지들, 또는 다른 연결 요소들을 사용하여 대향 단부들(214 및 216)에 부착될 수 있다.
햅틱 피드백 발생기(106A)(또는 기판(110))와 사용자 접촉 시에, 햅틱 피드백(108)을 사용자(102)에게 제공하기 위해, 이중층 재료 스트립이 사용자에서 떨어져서 돌출되는 실질적인 오목 프로파일을 갖는 제1 위치(도 2a)로부터, 이중층 재료 스트립이 사용자를 향해 돌출되는 실질적인 볼록 프로파일을 갖는 제2 위치(도 2b)로, 이중층 재료 스트립(202)이 편향되게 하는 공정이 개시된다. 햅틱 피드백(108)은 햅틱 피드백 발생기(106A)와의 사용자 접촉(또는 충분히 가까운 상호작용)을 확인한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 햅틱 피드백 발생기(106A)는 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)로 편향(즉, 변형 또는 "스냅(snap)")된다.
실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)은 제1 층(204) 및 제2 층(206)을 포함한다. 제1 층(204) 및 제2 층(206)은 제1 층(204)과 제2 층(206) 사이의 공통 경계(208)를 따라 모두 서로에 연관되거나, 접합되거나 다른 방법으로 접착되는 적절한 2개의 스트립 형상(또는 층) 재료들이다. 스트립 형상은 제1 층(204) 및 제2 층(206), 및 따라서 이중층 재료 스트립(202)이, 구조체의 길이가 그것의 폭보다 더 긴 구조체를 갖고, 그것의 폭보다 더 작은 두께를 갖는 것을 나타낸다.
부가 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)은 본원에 설명되는 바와 같이, 다층 구조체가 온도의 변화에 응답하여 제1 위치로부터 제2 위치로 편향된다는 점에서, 이중층 재료 스트립(202)의 실질적으로 유사한 기계적 특성들을 디스플레이하는 구조체를 야기하는 다수의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 다층 구조체는 이중층 재료 스트립(202)을 최종적으로 형성하기 위해, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개 등의 층들을 포함할 수 있다. 다층 구조체는 본원에서 설명되는 바와 같이, 상이한 재료 성질들을 갖는 스트립의 본래 2개의 개별 부분들(그것의 각각은 다수의 층들로 구성됨)에서, 이중층 재료 스트립(202)의 것과 유사한 구조체를 야기하기 위해 서로 결합되거나 접착될 수 있다.
실시예들에서, 제1 층(204)은 제1 재료를 포함하고, 제2 층(206)은 제1 재료와 상이한 제2 재료를 포함한다. 실시예들에서, 제1 및 제2 재료들은 본원에 설명되는 바와 같이 금속 재료들이므로, 이종금속 스트립을 야기한다. 본원에 설명되는 바와 같이, 제1 재료 및 제2 재료는 상이한 열 팽창 계수들(coefficients of thermal expansion)(CTE)을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 층(204)의 제1 재료는 실시예들에서 제2 층(206)의 제2 재료보다 더 높은 CTE를 가질 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서, 제1 재료는 구리일 수 있고 제2 재료는 철일 수 있다. 이종금속들을 포함하는 이중층 재료 스트립(202)에서의 사용을 위한 예시적 재료들 및 구조체들은 예를 들어 [S. Boisseau, et al., Semi-flexible Bimetal-based Thermal Energy Harvesters, Smart Mater. Struct. 22(2013) 025021 (8pp)]에 설명되어 있으며, 그것의 개시는 이로써 본원에 전체적으로 참조로 포함된다.
실시예들에서, 제1 층(204)은 제2 층(206)보다 더 높은 CTE를 가질 수 있다. 가열 시에, 제1 층(204)은 제2 층(206)보다 더 빠르게 팽창되어, 토크 또는 다른 힘일 수 있는 응력이 이중층 재료(202)에서 발생되게 한 다음에 이중층 재료(202)이 "스내핑(snapping)" 움직임에서 제1 위치로부터 제2 위치로 편향되게 한다. 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)을 구성하는 층들은 이중층 재료 스트립(202)에 대한 특정 사전 설정, 형상 설정, 또는 형상 기억 구성을 확립하는 방식으로 서로 접합되고 처리된다. 예를 들어, 재료들은 곡선 형상(즉, 도 2a의 볼록 형상)으로 형성되도록 처리될 수 있거나, 재료들은 예컨대 스탬핑되는 것에 의해, V 형상으로 형성되도록 처리될 수 있어, 본원에 설명되는 온도의 변화들 전에, 이중층 재료 스트립의 초기 또는 형상 설정/기억 구성을 제공한다. 예를 들어, 곡선 형상 또는 V 형상 구성에서의 설정은 스탬핑을 통해(예를 들어, 이중층 재료 스트립을 곡선 또는 V 형상으로 형성하기 위해 기계 다이 또는 스탬프를 사용하여) 달성될 수 있다.
이중층 재료 스트립(202)을 가열함으로써, 재료 층들(본원에서 설명되는 바와 같이 2개 이상)은 온도에 있어서 증가한다. 이중층 재료 스트립(202) 내의 상이한 재료들의 상이한 열 팽창 계수들(CTE)은 이중층 재료 스트립(202)의 2개의 층들 사이의 차동력들(differential forces)이 증가되게 한다. 가열 동안에, 결합 모멘트들은 이중층 재료 스트립(202)의 고정 단부들(즉, 도 2b의 214 및 216)에서 발생한다. 높은 가로 방향력들(lateral forces)은 스트립을 구성하는 재료들의 열 팽창 계수들의 차이들로 인해 상이한 열 팽창 속도들에서 기인한다. 커플들의 크기가 이중층 재료 스트립에서 곡률을 극복하는 임계 지점에서, 그것이 스냅되거나 변형되게 한다. 스트립이 냉각될 때, 이중층 재료 스트립(202) 내의 차동력들 또는 응력들은 소산되거나 이완되고, 수축은 이전 응력 형성의 반전을 야기하고 스트립을 그것의 원래 형상 설정 곡률, 또는 V 형상, 또는 다른 구성으로 복귀시킨다. 가열 및 냉각에 응답하여 이중층 재료 스트립(202)의 이동에 수반되는 물리의 추가 설명을 위해 Timoshenko, S., "Analysis of Bi-Metal Thermostats", Journal of the Optical Society of America 11:233-255(1925)(그것의 개시는 본원에 전체적으로 참조로 포함됨)를 참조한다.
이중층 재료 스트립(202)의 재료들 사이의 CTE 차이는 이중층 재료 스트립(202)이 가열되거나 냉각될 때 굽혀질 수 있게 하는 것에 의해, 기계적 이동 또는 편향을 야기한다. 일 예에서, 이중층 재료 스트립(202)이 초기 상태에, 만곡(도 2a에 도시된 바와 같이), 또는 V 형상인 경우, 이중층 재료 스트립(202)은 가열 시에 도 2a의 제1 위치로부터 도 2b의 제2 위치로 변형되거나 편향된 다음에, 냉각 시에 다시 도 2a의 제1 위치로 변형되거나 편향될 수 있다.
도 3은 본원에 설명되는 실시예들에서의 사용을 위한 예시적 이중층 재료 스트립(202)(적절히 이종금속 스트립)에 대한 히스테리시스 사이클을 도시한다. 도 3은 대략 42℃ 내지 대략 48℃의 온도 범위에 걸친 편향을 예시하며, 최대 편향을 미크론으로 나타낸다. 도 3은 이중층 재료 스트립의 온도가 상승함에 따라(도 3의 점선), 스트립이 "스냅 활성화 온도"(도 3의 대략 47℃)에 도달하는 것을 증명하며, 스트립은 추가 검출가능 온도 상승 없이 빠른 편향을 겪는다. 이러한 온도에서, 이중층 재료 스트립(202)은 아래에 설명되는 바와 같이, 상부 열 에너지 소스/싱크, 즉 상부 또는 상단 콜드 소스(cold source)와 접촉하도록, 하부 열 에너지 소스/싱크, 즉 하부 또는 하단 핫 소스(hot source)로부터 편향되거나 "스냅"된다. 스트립의 냉각을 야기하는, 이중층 재료 스트립(202)으로부터 열 에너지 소스/싱크로의 열의 전달 시에, 이중층 재료 스트립의 온도는 그것이 거의 42.5℃의 변곡 온도에 도달할 때까지 감소한다(도 3의 실선 참조). 이러한 변곡 온도에 도달할 시에, 재료는 상부 콜드 소스와 접촉하는 것으로부터, 하부 핫 소스와 다시 접촉하는 것으로 편향되거나 스냅된다.
실시예들에서, 편향에서 기인하는 이중층 재료 스트립(202)의 변위는 수백 미크론 내지 수 밀리미터 정도(on the order of 100's of microns to several millimeters)일 것이다. 이러한 변위 또는 편향은 스트립의 초기 위치(예를 들어, 도 2a의 오목 구성)로부터 스트립의 편향된 위치(예를 들어, 도 2b에서, 사용자를 향하여, 볼록 구성)으로 측정된다. 추가 실시예들에서, 편향에 의해 야기되는 이중층 재료 스트립의 변위는 다양한 햅틱 피드백 효과들을 사용자에게 제공하도록, 대략 0.1mm 내지 대략 5mm, 대략 0.1mm 내지 대략 2mm, 대략 0.1mm 내지 대략 1mm, 또는 대략 0.1-0.5mm이다. 그러한 변위는 사용자에 의한 각각의 상호작용, 즉 사용자가 시스템과 상호작용할 때마다 단일 편향 또는 변형을 위해 1회만 발생할 수 있거나, 사용자에 의한 각각의 상호작용을 위해 수회 또는 복수회 발생할 수 있다.
상기 언급된 바와 같은 다른 실시예들에서, 변위는 수십 미크론 내지 수백 미크론 정도일 수 있지만, 사용자 상호작용 당 1회 초과, 즉, 사용자가 시스템과 상호작용할 때마다 다수의 또는 복수의 편향들 또는 변형들의 주파수로 발생하여, 발진 또는 진동을 야기한다. 발진이 발생하는 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)의 발진 주파수는 1Hz 내지 대략 1000Hz 정도, 및 적절하게는 대략 1Hz 내지 대략 100Hz이거나, 10-100Hz, 10-50Hz, 또는 대략 10-20Hz 정도일 수 있다.
가열 및 냉각 둘 다를 포함하는 온도의 변화에 응답하여 초기 또는 원래 상태 또는 구성으로 빠르게 변형되거나 복귀되기 위해, 이중층 재료 스트립(202)은 또한 햅틱 피드백을 허용하는 동안에 구조 완전성을 유지하기 위해 최소 두께가 적절하다. 얇은 이중층 재료 스트립의 사용은 빠른 가열 및 냉각, 및 따라서 신속한 편향 또는 스냅을 허용한다. 적절히, "얇은"이라는 것은 본 명세서에서, 이중층 재료 스트립(202)의 두께가 대략 1㎛ 내지 대략 1mm, 대략 1㎛ 내지 대략 500㎛, 더 적절하게는 대략 1㎛ 내지 대략 400㎛, 대략 1㎛ 내지 대략 300㎛, 대략 10㎛ 내지 대략 300㎛, 대략 50㎛ 내지 대략 300㎛, 대략 50㎛ 내지 대략 200㎛, 대략 50㎛ 내지 대략 150㎛, 대략 50㎛ 내지 대략 100㎛, 대략 20㎛, 대략 30㎛, 대략 40㎛, 대략 50㎛, 대략 60㎛, 대략 70㎛, 대략 80㎛, 대략 90㎛, 대략 100㎛, 대략 110㎛, 대략 120㎛, 대략 130㎛, 대략 140㎛, 대략 150㎛, 대략 160㎛, 대략 170㎛, 대략 180㎛, 대략 190㎛, 또는 대략 200㎛ 정도인 것을 의미한다.
이중층 재료 스트립(202)의 형상 및 기하학(geometry)은 직사각형 또는 규칙적 형상 요소들에만 제한되는 것이 아니라, 다양한 디스크 형상들, 원형 형상들, 오블롱 형상들, 불규칙 형상들, 또는 다른 적절한 기하학들을 포함하는, 적용 또는 사용자에 의해 요구되는 임의의 기하학을 가질 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 이중층 재료 스트립(202)의 치수들(즉, 길이, 폭, 직경, 원주 등)은 또한 최종 적용에 의존할 수 있지만, 일반적으로 수 밀리미터 내지 센티미터 내지 수십 센티미터 정도일 것이다.
본원에 설명되는 바와 같이, 이중층 재료 스트립(202)이 제1 위치(도 2a)로부터 제2 위치(도 2b)로 편향되어 사용자(102)에게 햅틱 피드백(108)을 제공하게 하는(및 따라서 접촉 또는 거의 접촉을 확인하게 하는) 조건/상황의 공정, 자극 또는 변화는 온도의 변화이거나 또한 본원에서 열 공정으로 설명된다. 본원에 사용되는 바와 같이, "열 공정"은 열이 이중층 재료 스트립(202)으로 및/또는 이중층 재료 스트립으로부터 전달되어, 이중층 재료 스트립의 온도의 변화 및 스트립의 편향을 야기하는 공정을 언급한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 평형 온도에서(예를 들어, 실내 온도(대략 20 내지 25℃)에서)(또는 시스템(100)의 어떤 정상 동작 온도일지라도), 이중층 재료 스트립(202)은 볼록 구성(즉, 사용자(102)로부터 곡선임)이고 열 에너지 소스/싱크(212)를 향한다. 실시예들에서, 스트립의 제1 층(204)은 더 높은 CTE를 갖고 더 낮은 CTE를 갖는 제2 층(206) 위에 배치된다. 이러한 구성에서, 이중층 재료 스트립(202)은 제1 위치(또는 하향 상태)에 있고 이중층 재료 스트립(202)은 열 에너지 소스/싱크(212)와 접촉할 수 있다. 도 2a에 도시된 제1 위치는 적절히 스트립의 형상 설정 또는 형상 기억 곡선 또는 V 형상 구성이다.
실시예들에서, 온도의 변화는 디바이스(104)의 햅틱 피드백 발생기(106A) 또는 기판(110) 또는 다른 부분에서, 사용자의 접촉, 또는 충분히 가까운 상호작용에 의해 야기되는, 사용자(102)로부터 제1 열 에너지 소스/싱크(212)로의 열 에너지의 전달의 결과로서 발생한다. 예시적 실시예들에서, 햅틱 피드백 발생기(106A)는 예를 들어 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 2개의 열 에너지 소스들/싱크들(210, 212)을 포함할 수 있다. 부가 열 에너지 소스들/싱크들이 또한 이용될 수 있다. 사용자(102)로부터 예를 들어 열 에너지 소스/싱크(212)로의 열 에너지의 전달은 본원에 설명되는 바와 같이, 열 에너지 소스/싱크(212)의 온도를 증가시켜, 그것은 결과적으로 이중층 재료 스트립(202)의 온도를 증가시킨다.
사용자(102)와 열 에너지 소스/싱크(212) 사이의 열 전달은 열 에너지 소스/싱크(210)(또는 기판(110)을 포함하는 디바이스(104)의 다른 부분)와 사용자의 접촉에 의해 발생할 수 있는 다음에, 그것은 열을 열 에너지 소스/싱크(212)에 전달할 수 있다. 이중층 재료 스트립(202)의 온도의 증가는 이중층 재료 스트립(202)과 열 에너지 소스/싱크(212) 사이의 직접 물리 상호작용(접촉을 통한 전도를 포함함)에서 기인한다. 본원에 설명되는 바와 같이, 온도의 증가는 더 높은 CTE 재료(층(204))가 층(206)보다 더 빠르게 가열되는 결과로서, 이중층 재료 스트립(202)이 제1 위치(도 2a)로부터 제2 위치(도 2b)로 편향되게 하여, 그것은 재료 내의 힘 효과, 열 응력, 온도 휨, 또는 토크, 및 제1 위치로부터 제2 위치로의 편향을 야기한다.
온도의 증가는 또한 간단히 주위 온도의 가열(예를 들어, 대류) 또는 햅틱 피드백 발생기(106A)의 다른 요소들에 의해, 열 에너지 소스/싱크(210)로부터의 열이 이중층 재료 스트립(202)으로 전달되는 것에서 기인할 수 있다. 실시예들에서, 사용자(102) 접촉에 의해 야기되는 열 에너지 소스/싱크(210)의 가열은 (하나의 열 에너지 소스/싱크로부터 다른 것으로의) 전도에 의해 열을 열 에너지 소스/싱크(212)로 전달하는 것에 의해, 충분한 열을 열 에너지 소스/싱크(212)에 최종적으로 제공하여 이중층 재료 스트립(202)의 온도를 증가시키고, 편향을 야기할 수 있다.
본원에 사용되는 바와 같이, "열 에너지 소스/싱크"는 열의 소스(열을 다른 재료에 전도함)로서, 또는 열의 싱크(다른 재료로부터 열을 제거하거나 소산시킴)로서, 열을 흡수하고 전달할 수 있는 재료를 언급한다. 실시예들에서, 본원에 설명되는 시스템들에서의 사용을 위한 열 에너지 소스들/싱크들은 시스템들의 구성 및 설계에 따라, 소스 및 싱크 둘 다의 역할을 할 수 있다.
실시예들에서, 도 2b에 도시된 바와 같이 제2 위치로 이중층 재료 스트립(202)의 편향은 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)의 표면이 사용자와 접촉하거나, 예컨대 도 1b에 도시된 바와 같이, 사용자를 향해 지향되게 한다. 실시예들에서, 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)는 디바이스(100)의 표면 위에 또는 표면을 넘어 돌출하도록 휘어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 편향된 햅틱 피드백 발생기는 터치 패드 표면, 터치 스크린, 또는 글래스 또는 플라스틱 커버 등일 수 있는 기판(110)을 사용자(102)를 향해 이동시킬 수 있다.
부가 실시예들에서, 온도의 변화는 이중층 재료 스트립의 온도의 감소를 더 포함할 수 있다. 이러한 온도의 변화는 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)와 사용자(102)의 접촉의 제거의 결과로서, 이중층 재료 스트립(202)으로부터 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 210)로의 열 에너지의 전달로 인해 발생할 수 있다. 즉, 사용자(102)가 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)로부터 접촉을 제거할 때, 열 에너지 소스/싱크(210)는 열 에너지 소스/싱크(210)로부터의 열의 수동 확산을 통해 냉각되어, 이중층 재료 스트립(202)으로부터의 열 에너지가 열 에너지 소스/싱크(210)로 전달되는 것을 허용하여, 그것은 결과적으로 온도를 감소시키거나, 이중층 재료 스트립(202)을 냉각시킨다.
본원에 설명되는 바와 같이, 이중층 재료 스트립(202)에 대한 두께 및 재료 선택을 최적화함으로써, 이러한 냉각은 이중층 재료 스트립(202)의 온도 감소 때문에 이중층 재료 스트립(202)이 제2 위치(도 2b)로부터 다시 제1 위치(도 2a)로 편향되게 하거나, 명시된 다른 방식으로 이중층 재료 스트립(202)이 제2 위치(도 2b)로부터 그것의 형상 설정 또는 형상 기억 제1 위치(도 2a)로 복귀되거나 이완되게 하기에 충분히 빠를 수 있다. 이러한 가열, 편향, 냉각, 및 복귀 편향의 공정은 특정 적용에 의해 소망되거나 요구되는 만큼 종종 반복될 수 있다. 열 소스들/싱크들을 가열(및 최종적으로 냉각)하기 위해 사용자로부터의 열 에너지의 사용에 의존하는 그러한 실시예들은 본원에서 "수동" 열 공정들 또는 "수동" 온도 변화들로 칭해진다.
추가 실시예에서, 이중층 재료 스트립(202)은 열 에너지를 능동적으로 냉각된 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 210)로 전달할 수 있으며, 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 210)는 햅틱 피드백 발생기와 사용자의 접촉의 제거(또는 중지)에 의해, 또는 제거(또는 중지)에 응답하여 트리거될 때 능동 냉각을 제공할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 능동 냉각으로 인해 이중층 재료 스트립(202)의 온도가 감소되어, 스트립이 제2 위치로부터 다시 제1 위치로 편향되게 한다. 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, 그러한 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)은 도 2a의 제1 위치에서 시작된다. 가열 후에 사용자(102)로부터의 에너지 전달의 결과로서, 이중층 재료 스트립(202)은 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2 위치로 편향된다. 사용자(102)가 햅틱 피드백 발생기(지금 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B))와의 접촉을 중지할 때, 이것은 예를 들어 본원에 설명되는 다양한 능동 방법들(예를 들어, 팬들, 액체 채널들 또는 튜브들 등)을 통해, 열 에너지 소스/싱크(210)의 냉각을 트리거시킨다. 그 다음, 열 에너지는 이중층 재료 스트립(202)으로부터 열 에너지 소스/싱크(210)로 전달되어, 스트립의 온도의 감소를 야기할 수 있다. 이러한 열 에너지 전달은 도 2a에서 상부 또는 제1 층(204)의 더 높은 CTE가 더 빠른 냉각을 야기함에 따라, 스트립이 다시 제1 위치로 편향되게 하고, 이중층 재료 스트립(202)의 초기 곡선 구성으로의 복귀를 허용한다. 본원의 다른 공정에 대해 설명되는 바와 같이, 이러한 가열, 편향, 냉각, 및 복귀 편향의 공정은 특정 적용에 의해 소망되는 만큼 종종 반복될 수 있다.
열 에너지 소스/싱크들(예를 들어, 210 및 원하는 경우 212)을 냉각하는 방법들은 팬들, 물 또는 다른 액체들의 사용, 또는 열을 빠르게 소산시키는 다른 방법들을 포함한다. 예시적 실시예들에서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 및 본원에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 열 에너지 소스들/싱크들은 유체들의 순환이 열 에너지 싱크들의 냉각(열 소산)을 원조하는 것을 허용하는 유체 채널들을 포함할 수 있고, 다른 실시예들에서 열 에너지 소스들(가열)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 유체 채널들은 액체 냉각 매체, 또는 냉각 액체가 통과하도록 하나 이상의 통로들을 제공할 수 있으며, 액체 냉각 매체는 햅틱 피드백 발생기로부터 열적으로 분리되는 열 교환기를 통해 순환된다. 열은 액체로부터 제거되고, 그 다음 액체는 이중층 스트립(202)과 접촉하는 열 에너지 소스/싱크로부터 열을 계속 제거하기 위해 재순환된다. 다른 실시예에서, 이중 압전 냉각기는 또한 열 에너지 소스들/싱크들의 냉각을 원조하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 압전 냉각기들은 일반적으로 열 소스에 걸쳐 공기의 펄스들을 방출하기 위해 벨로우잉 액션(bellowing action)에 의존한다. 액션은 디바이스를 갖는 압전 액추에이터에 의해 구동되어 공기를 밖으로 밀어내고 주위 공기를 유입시키는 난류를 생성하여 제트 유사 스트림(jet-like stream)을 생성하고 열 전달을 증가시킨다. 예를 들어, AAVID Thermalloy's "Dual Cool Jets", low profile air movers(San Jose, CA)를 참조한다.
열 소스들/싱크들을 가열하기 위해 사용자 접촉(또는 냉각하기 위해 사용자 중지 접촉)으로부터의 열 에너지의 사용에 의존하지 않는 부가 실시예들은 본원에서 "능동" 열 공정들로 칭해지고, 하나 이상의 가열 요소들 또는 소스들, 및/또는 냉각 메커니즘들을 이용하여, 열 에너지 소스/싱크의 온도를 변화시키고 따라서 이중층 재료 스트립(202)의 온도를 변화시킨다.
예를 들어, 이중층 재료 스트립의 온도의 증가는 사용자(102)가 햅틱 피드백 발생기(106A)(또는 기판(100))와 접촉할 때 트리거될 수 있다. 이러한 접촉은 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 212)의 가열을 트리거시켜, 그것은 결과적으로 이중층 재료 스트립이 열 에너지 소스/싱크(212)와 접촉함에 따라 이중층 재료 스트립(202)의 온도를 증가시킬 수 있다. 온도의 증가는 특정 온도/응력이 스트립에 도달하면 이중층 재료 스트립이 제1 위치(도 2a)로부터 제2 위치(도 2b)로 편향되게 하여, 그것은 햅틱 피드백을 사용자(102)에게 야기한다. 그러한 실시예들에서, 사용자(102)의 접촉은 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 212)의 가열을 트리거하거나, 개시하기 위해 시스템(100)에 대한 신호의 역할을 간단히 한다. 따라서, 그것은 이중층 재료 스트립(202)의 온도를 상승시키기 위해 사용되는 사용자의 터치로부터의 열 전달이 아니라, 간단히 사용자가 햅틱 피드백 발생기(106A)(또는 디바이스(100)의 기판(110) 또는 다른 부분)를 터치하고 있다는 사실이며, 그것은 이때 열 에너지 소스/싱크가 가열되게 하고 따라서 온도의 증가를 야기한다. 이것은 이중층 재료 스트립(202)을 최종적으로 가열하고, 제1 위치(도 2a)로부터 제2 위치(도 2b)로의 편향을 야기한다.
본원에 설명되는 바와 같이, 열 에너지 소스/싱크(210 및 212)를 가열하는 방법들은 다양한 전도 방법들, 예컨대 본 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이 전기 가열 요소들, 마찰 가열 요소들, 진동 가열 요소들의 사용, 및 열 에너지 소스를 가열하는 다른 방법들을 포함한다. 열 에너지 소스/싱크들(210 및 212)의 가열은 컨벤션 가열, 전도 가열 또는 방사 가열을 포함하는 임의의 적절한 방법을 통해 발생할 수 있다. 그러한 방법들은 또한 본원에 설명되는 온도의 변화들을 케이싱(case)하기 위해 열을 에너지 소스/싱크들로부터 이중층 재료 스트립들로 전달하기 위해 사용될 수 있다.
실시예들에서, 열 에너지는 사용자(102)가 편향된 햅틱 피드백 발생기(106B)와의 접촉을 중지할 때, 제2 열 에너지 소스/싱크(예를 들어 210)에 전달된다. 실시예들에서, 본원에 설명되는 바와 같이, 열 에너지 소스/싱크(210)는 본원에 설명되는 다양한 방법들을 통해 냉각되어, 열 에너지가 이중층 재료 스트립(202)으로부터 열 에너지 소스/싱크(210)로 전달되는 것을 허용할 수 있다. 이것은 스트립의 냉각을 야기하고, 스트립이 다시 제1 위치로 편향되게 한다. 본원에 설명되는 바와 같이, 이러한 가열, 편향, 냉각, 및 복귀 편향의 공정은 특정 적용에 의해 소망되는 만큼 종종 반복될 수 있다.
본원에 설명되는 온도의 능동 및 수동 변화들 및 관련 열 공정들 모두는 적절히 이중층 재료 스트립(202)이 제1 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 212)와 제2 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 210) 사이의 캐비티(214), 예컨대 디바이스(104)의 캐비티에서 발진되게 할 수 있다. 본원에 설명되는 바와 같이, 발진은 예를 들어 이중층 재료 스트립이 햅틱 피드백 발생기(106A)로부터 분리되는 것 없이, 발진 및 진동을 허용하는 것을 포함하는 제1 위치 및 제2 위치로부터 피봇되거나 편향되는 것을 허용하는 다양한 접착제들 또는 글루들, 고무 부착 포인트들, 또는 기계적 피봇들, 축들 또는 다른 연결 요소들을 사용하여 대향 단부들(214 및 216)에 부착되는 이중층 재료 스트립(202)에서 적절히 발생한다.
이중층 재료 스트립(202)의 발진은 국부화된 표면적에서 진동 햅틱 피드백(예를 들어, 108로 도시된 햅틱 피드백)을 생성하여 햅틱 피드백 발생기(106A)와의 접촉을 확인하는 피드백을 사용자(102)에게 제공한다. 본원에 설명되는 바와 같이, 발진이 발생하는 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)의 발진 주파수는 1Hz 내지 대략 1000Hz 정도, 및 적절하게는 대략 1Hz 내지 대략 100Hz, 또는 10-100Hz, 10-50Hz, 또는 대략 10-20Hz 정도일 수 있다.
예시적 실시예들에서, 열을 이중층 재료 스트립(202)으로/으로부터 전달하기 위해 이용되는 열 에너지 소스들/싱크들(예를 들어, 210/212)은 다공성 재료를 적절히 포함한다. 다공성 재료의 사용은 요구되는 바와 같이, 열 에너지 소스들/싱크들의 빠른 가열 및 냉각을 허용한다.
더 추가 실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)의 적어도 하나의 재료(즉, 제1 층(204) 또는 제2 층(206) 중 하나, 및 적절히 둘 다)는 다공성이다. 열 에너지 소스들/싱크들과 같이, 다공성 재료를 사용하여 이중층 재료 스트립을 제조하는 것은 본원에 설명되는 시스템들(100)에서 더 빠른 편향을 허용하기 위해, 스트립을 빠르게 가열하고 냉각하는 능력을 원조한다. 적절히, 재료들의 다공성은 재료가 비다공성이면, 동일한 기하학적 형상을 갖는 대응하는 재료의 열 질량 아래의 적어도 대략 15%만큼 재료들의 열 질량을 감소시킨다. 실시예들에서, 열 질량은 동일한 기하학적 형상을 갖는 대응하는 비다공성 재료의 열 질량 아래의 적어도 대략 20%, 또는 적어도 대략 30%, 적어도 대략 40%, 또는 적어도 대략 50%만큼 감소된다.
온도의 변화가 능동 또는 수동 가열에 의해 제공되는 경우를 포함하는, 본원에 설명되는 실시예들에서, 시스템들(100)은 이중층 재료 스트립(202)의 하단 표면의 상단 표면에 결합되는 스프링(레버, 또는 다른 압축가능 또는 신축가능 요소를 포함함)을 더 포함할 수 있다. 도 2c는 스프링(220)이 이중층 재료 스트립(202)의 하단 표면(222)에 부착될 수 있는 배향을 도시한다. 스프링은 스트립의 편향 동안에, 기계적으로 연장되거나 기계적으로 압축되고(도 2c), 그 다음 사용자가 햅틱 피드백 발생기(106A)(적절히 편향된 사용자 터치가능 햅틱 피드백 발생기(106B))와의 접촉을 중지할 시에 이중층 재료 스트립(202)을 제1 위치로 복귀시키며, 도 2a를 참조한다. 스프링(220)은 기계 스프링 또는 레버이고, 스프링의 가열 또는 냉각에 의해 일반적으로 활성화되는 것이 아니라, 스프링이 그것의 원래 형상 및 배향으로 복귀되게 하는 연장 또는 압축에 의해 간단히 활성화된다.
더 추가 실시예들에서, 사용자(102)는 이중층 재료 스트립(202)과 직접 접촉하여, 직접 열 전달을 사용자(102)로부터 스트립으로 야기하거나, 스트립으로부터 사용자로 야기하고, 스트립을 가열(또는 냉각)하고 편향을 제1 위치로부터 제2 위치로 야기할 수 있다. 본원에 설명되는 바와 같이, 이중층 재료 스트립(202)을 형성하는 제1 층(204) 및 제2 층(206)의 열 팽창 계수에 따라, 사용자(102)(즉, 사용자의 손가락)와 예를 들어 이중층 재료 스트립(202)의 제1 층(204) 사이의 접촉은 이중층 재료 스트립이 사용자의 피부 온도(거의 34℃)로 따뜻하게 됨에 따라 이중층 재료 스트립에서 차이 응력을 증가시키거나 감소시키기 위해 열 소스 또는 열 싱크의 역할을 할 수 있다. 이중층 재료 스트립(202)에 대한 예시적 재료들은 30 내지 40℃ 주위의 온도에서 최상으로 동작하는 상대 및 절대 열 팽창 계수들을 갖도록 선택될 수 있다. 따라서, 사용자(102)와 이중층 스트립(202) 사이의 접촉은 열 에너지를 전달하여 이중층 재료 스트립의 온도가 상승되게 하는 것에 의해 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 것이다. 그러한 실시예들에서, 가열 및 냉각의 모두가 사용자와 스트립 재료들 사이의 열 전달을 통해 간단하게 적절히 수행됨에 따라, 이중층 재료 스트립을 위한 온도의 변화를 제공하기 위해 개별 열 에너지 소스들/싱크들을 이용하는 것이 필요하지 않다.
본원에 설명되는 바와 같이, 다양한 시스템들(100)에서 아주 얇은 이중층 재료(적절히 이종금속) 스트립들을 이용하는 것이 유리하다. 예시적 재료들은 Al 및 실리카(SiO2)의 층들, 또는 실리카 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)(PVDF)의 층들을 포함하며, 그것은 이종금속 발진기들에 적절한 치수들의 범위 내의 전체 스트립 두께(예를 들어, 1 내지 100㎛)를 가질 수 있다. 다른 사례들에서, 다수의 얇은 스트립들은 상이한 열 및 재료 특성들을 갖는 재료들의 2개의 별개 층들 또는 부분들을 갖는 이중층 재료 스트립(202)을 생성하기 위해 평행 또는 적층 구성으로 배열될 수 있다.
실시예들에서, 이중층 재료 스트립(202)은 2개의 상이한 재료 층들 또는 부분들을 포함하며, 재료들은 상이한 열 팽창 계수들, 즉 (낮은 및 높은) 값들을 갖는다. 일 예는 2개의 합금 금속들(즉 이종금속 재료); 즉 CTE=26.4×10-6/°K를 갖는 B72M(Mn Cu 18 Ni 10) 및 CTE=2×10-6/°K를 갖는 INVAR®(Fe Ni)의 조합이다. 이종금속들뿐만 아니라, 부가 예시적 이중층 재료들은 N42(Fe Ni 42), NC4(Fe Ni 23 Cr 3), B6M(Fe Ni 21 Mn 6); Al(CTE=0.25×10-5/°K) 및 실리콘(CTE=2.6×10-6/K); PVDF(CTE=122×10-6/K) 및 SiO2(CTE=0.4×10-6/K); PVDF(CTE=122×10-6/K) 및 Al(CTE=0.25×10-6/K); 및 PVDF 및 폴리이미드(CTE=3×10-6/K)를 포함하지만, 이들에 제한되지 않는다.
부가 실시예들에서, 금속의 단일 층, 또는 이중층은 고성능 액추에이터를 생성하기 위해 형상 기억 합금들(shape memory alloys)(SMA) 또는 형상 기억 폴리머들(shape memory polymers)(SMP)과 같은 재료들과 조합될 수 있다. SMA 또는 SMP의 작동에서 기인하는 작동과 조합되는, 금속 재료의 온도의 변화에서 기인하는 형상 변화는 상승 효과를 야기할 수 있으며, 작동은 확대되고 증폭된다. 그러한 재료들은 본원에서 논의되는 다수의 층 구조체들에 준비되고 다양한 실시예들 및 적용들에 이용될 수 있다.
본원에 설명되는 바와 같이 이중층 재료 스트립(202)의 처리 및 제조는 예를 들어 2개의 금속 층들을 서로 접합하기 위해 롤링 또는 도금 공정에 의해 이종금속 합금과 같은 이중층 스트립을 제조하기 위해 사용되는 스트립 재료들을 처리하는 것을 포함한다. 알루미늄(Al) 및 실리콘을 사용할 때의 경우에, 열 증발(스퍼터링 방법)(PVD)은 재료를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 얇은 필름 Al은 실리콘 재료의 얇은 부분 위로 스퍼터링될 수 있다. 얇은 산화물 층(예컨대 Al2O3 또는 SiO2)은 전기적 보호를 제공하기 위해 Al 및 실리콘 재료 층들 사이에 형성될 수 있다(이러한 설명의 목적을 위해, 그러한 구조체는 본원의 설명에 따라 이중층 재료인 것으로 여전히 간주될 것임). 예를 들어, PVDF 및 Al을 사용할 때, 우선 PVDF 재료의 얇은 필름은 필름 캐스팅 방법들(스핀 코팅, 용매 증발)을 사용하여 퇴적될 수 있다. 다음 단계에서, Al의 얇은 층은 PVDF 재료 스트립의 일 측면 위로 퇴적될 수 있다. PVDF/폴리이미드와 같은 다른 재료 조합들을 사용할 때, 간단한 접합 메커니즘 또는 플라즈마 강화된 접착 방법들은 2개의 재료들 사이의 접착을 강화하기 위해 이용될 수 있다. 더욱이, 얇은 금속 재료 층은 (저항성) 가열 요소(소스)로 나중에 사용되기 위해 2개의 폴리머 층들 사이에 적층될 수 있다.
본원에 설명되는 방법들 및 시스템들은 열 전달이 매우 빠르게 발생하는 조건들 하에 동작하도록 설계되어, 매우 빠른 시스템 응답 시간(스트립 스내핑)을 야기한다. 이중층 재료 스트립들(202)의 매우 얇은 치수는 매우 낮은 열 질량으로 변환되어, 스트립 가열 및 냉각은 매우 빠르게 발생할 수 있다. 냉각의 속도는 이중층 재료 스트립(202)의 열 전도(전도성 열 전달을 통한 열 전달)의 속도에 의해 제한된다. 열 에너지는 이중층 재료 스트립(202)의 표면으로부터 적절히 제거되고, 따라서 얇은 이중층 재료 스트립(202)을 이용하는 것은 유지될 수 있는 열 에너지의 양을 최소화하여, 빠른 가열/냉각 및 빠른 편향을 원조한다.
본원에 설명되는 바와 같이, 이중층 재료 스트립의 수동 또는 능동 온도 변화를 사용하든지, 도 4 및 도 5에 도시된 것들과 같은 냉각 요소들이 구현될 수 있다. 도 4는 핀들을 통한 공기 흐름 사이드웨이들(화살표 참조)이 노출될 수 있는 큰 표면적을 제공하기 위해 방열기 기술들에 널리 공지된 바와 같이 상단 및 하단 부분 사이의 공간이 그들 사이에 연장되는 주름진 패턴으로 열 전달 핀들(408)을 가짐에 따라 열 에너지 소스/싱크의 상단 부분(404) 내의 마이크로 채널들(402)이 냉각수를 수용하고 냉각수 유체를 하부 부분(406)의 마이크로 채널들(402)로 안내하는 마이크로 채널 열 교환기(400)를 도시한다. 본원에 설명되는 바와 같이, 그러한 냉각 메커니즘의 사용은 빠른 편향을 허용하고 이중층 재료 층(202)의 편향을 복귀시키기 위해, 빠른 열 전달을 이중층 재료 층(202)으로부터 열 에너지 소스/싱크(예를 들어, 210)로 제공한다. 유사한 마이크로 채널 시스템은 또한 요구될 때, 본원에 설명되는 바와 같이, 예를 들어 가열된 액체의 사용을 통해, 열 에너지 소스/싱크를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 도 5는 마이크로 채널 열 교환기(510)의 유사한 실시예를 도시하며, 여기서 단일 세트의 마이크로 채널들(402)만이 이용된다.
열 에너지 소스들/싱크들을 통한 마이크로 채널들에 더하여, 채널들(802) 내의 유체는 또한 온도를 제어하기 위해 열 에너지 소스들/싱크들(예를 들어, 210/212) 위 또는 아래에 전달될 수 있다(도 8a 참조). 다른 실시예들에서, 유체는 열 에너지 소스들/싱크들(예를 들어, 210/212)의 역할을 하는 부가 요소들에 대한 요구 없이, 가요성 튜브들 또는 채널들(804) 내의 이중층 재료 스트립(202) 위 또는 아래에 전달될 수 있다(도 8b 참조). 가요성 튜브들 또는 채널들(804)이 이중층 재료 스트립(202)의 일부 부분에 걸쳐 및 일부 부분 위에 단지 연장되는 것으로 도시되지만, 튜브들 또는 채널들(804)은 적절히 이중층 재료 스트립(202)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
더 추가 실시예들에서, 냉각 또는 가열 요소들, 예컨대 전자 가열 요소들, 또는 유체 채널들은 예를 들어 제1 및 제2 층들(204, 206)의 다공성 재료를 통해 유체 채널들 또는 튜브들(806)을 통과시킴으로써, 스트립들을 편향 요소들로서 뿐만 아니라, 자기 가열 및 자기 냉각 요소들로서 이용하는 것을 포함하여, 이중층 재료 스트립(202)에 직접 추가될 수 있다. 도 9를 참조한다. 단일 또는 다수의 채널들 또는 튜브들(806)은 이중층 재료 스트립(202)의 온도를 적절히 제어하도록 요구되는 바와 같이 사용될 수 있다. 실시예들에서, 튜브들(806)은 이중층 재료 스트립(202)에서 발생하는 편향 및 이동을 허용하기 위해 가요성 재료들로 제조될 수 있다.
다른 실시예들에서, 시스템(100)은 저전력 능동 냉각 에어 무버의 역할을 하기 위해 이중 압전 냉각기를 포함할 수 있다(도 9의 냉각기(902) 참조). 다른 사례에서, 한 세트의 대향 판들은 그들이 이동할 때, 강화된 냉각을 위한 공기 움직임을 이동시키고 또한 유도하기 위해 이온화 분자에 인접한 공기 분자들에 영향을 미치는 공기 분자들의 이온 충전을 제공하기 위해 충전될 수 있다(도 9의 판들(904)의 세트 참조).
이중층 재료들에 대한 전이 온도 및 온도 차이는 가능한 한 적절히 낮다. 예를 들어, 이중층 재료 스트립(202)은 대략 30℃와 47℃ 사이의 온도에서 편향 또는 "스냅"되도록 구성된다. 이중층 재료들은 여러 가지 원하는 온도들 및 온도 차이들 하에 작용하도록 적절히 선택되고 구성(프로그래밍)된다.
본원에 설명되는 바와 같은 아주 얇은 시스템들은 햅틱 피드백을 제공하고 (사용자의 체온 또는 외부 가열 디바이스들로부터) 최소 에너지를 요구하기 위해 많은 디바이스들(웨어러블, 이동, 게임, 이동 전화들, 터치 패드들 등) 상에 구현될 수 있다.
시스템(100)의 기판(110) 또는 햅틱 피드백 발생기(106A)에 사용자의 손가락의 적용과 이에 응답하는 사용자 검출 햅틱 피드백 사이의 시간 경과는 시스템의 응답 시간으로 칭해진다. 시스템의 응답 시간은 본원에 설명되는 바와 같이 이중층 재료 스트립을 구성하도록 선택되는 재료들, 및 물리 구성에 의존한다. 게다가, 특정 시스템의 응답 시간은 핫 및 콜드 열 소스들/싱크들 사이의 열 전달의 열 질량 및 속도 및 이중층 재료 스트립의 재료들에 의존한다. 적절히, 본원에 설명되는 시스템들의 응답 시간은 대략 밀리초(즉, 1 내지 100 밀리초)이다.
실시예들에서, 이하의 파라미터들은 시스템들의 응답 시간(성능)을 개선하기 위해 고려된다:
● 더 좋은 성능(개선된 응답 시간)을 달성하기 위해 이중층 재료 스트립의 각각의 층의 열 질량을 최소화하도록 다공성 재료들(예를 들어, 다공성 Si, PVDF, AL 등)의 사용;
● 매우 얇지만(미크론 크기) 강한 재료들의 사용;
● 냉각을 최대화하기 위해 이중 압전 냉각기들과 같은 얇은 냉각 디바이스들의 사용;
● 재료 층들 내에서 및 사이에서 전도성 열 전달을 개선하기 위해 2개 내지 3개 이상의 층들로부터 이중층 재료 스트립(202)의 수정;
● 작동 공정이 개시되고 진행됨에 따라 상이한 온도들을 갖는 시스템 구성요소들 사이에서 열 전달의 속도를 개선하기 위해 각각의 구성요소들의 외부 또는 내부 냉각 통로 표면과 접촉하는 열 전달 유체의 사용을 포함할 수 있는 밀봉된(또는 폐쇄된 냉각) 시스템에 이중층 재료 스트립(202)의 구성.
햅틱 피드백 공정은 또한 이중층 재료 스트립의 가열을 가속화하기 위해 2개의 열 에너지 소스/싱크들, 즉 가열 소스들(또는 열 히트 싱크들) 사이에 이중층 재료 스트립(202)을 구성함으로써 가속화될 수 있다. 예를 들어, 이중층 재료 스트립의 상단 표면은 온도 T1(콜드 소스)을 갖는 열 질량에 노출될 수 있고 이중층 스트립의 하단 표면은 온도 T2(핫 소스)를 갖는 제2 열 질량과 열적으로 연결하도록 구성될 수 있다(도 2a 및 도 2b 참조). 이중층 재료 스트립 내의 더 높은 CTE 재료는 상단에 있어서, 이종금속 스트립이 이동하는 액추에이터 시스템 내의 콜드 소스에 면한다.
그러한 시스템 구성을 사용할 때, 햅틱 피드백 발생기가 진동되거나 변형되는 초기 활성화 시간 및 후속 속도는 시스템 어셈블리 동안에 설정되는 바와 같이, 열 에너지 소스들/싱크들(핫 및 콜드)로부터 이중층 재료 스트립(202)으로 열 에너지 전달의 속도 및 이중층 재료 스트립 내의 양 층들의 연관된 온도 하강과 상승, 이중층 스트립을 구성하는 2개의 재료의 CTE들(coefficients of thermal expansion; 열 팽창 계수들), 및 그들의 주위 온도 기하학(구성)에 의존한다.
도 6 및 도 7은 본원에 설명되는 바와 같이 햅틱 피드백 발생기의 대체 배열을 도시한다. 도 6을 참조하여, 복수의 이중층 재료 스트립들(202)은 햅틱 피드백 발생기의 캐비티(702)(도 7 참조)에서 평행 구성으로 조립되는 것으로 도시되고, 또한 2개의 열 에너지 소스들/싱크들(210/212), 예를 들어 복수의 스트립들의 제1 측면들 상의 핫 소스와 복수의 스트립들의 제2 측면들 상의 콜드 소스 사이에 배치되는 것으로 도시된다.
도 7은 햅틱 피드백 발생기의 열 에너지 소스들/싱크들(210/212)이 제거되었고 이중층 재료 스트립들(202)이 묘사되는 절개도를 도시한다. 도 2는 도 6 및 도 7의 실시예에 도시된 복수의 이중층 재료 스트립들의 예시적 이중층 재료 스트립(202)의 단면도를 제공한다. 도시된 바와 같은 이중층 재료 스트립들은 본원에 설명되는 바와 같이, 2개의 상이한 열 팽창 계수들을 갖는 2개의 상이한 재료들로 제조되는 아주 얇은 스트립들(직선 또는 일부 곡률을 가짐)이다. 그들은 평행 구성으로 배열된다. 임의의 수의 이중층 재료 스트립들, 적절히 2 이상, 더 적절히 대략 2 내지 대략 100 이중층 재료 스트립들, 또는 대략 10 내지 대략 100, 대략 20 내지 대략 100, 대략 20 내지 대략 50, 또는 대략 10, 대략 20, 대략 30, 대략 40, 대략 50, 대략 60, 대략 70, 대략 80, 대략 90 또는 대략 100 이중층 재료 스트립들이 사용될 수 있다. 이중층 재료 스트립들은 적절히 대략 10㎛ 내지 100㎛의 범위에서, 유사하거나 가변 두께들을 가질 수 있다.
또한 햅틱 피드백 발생기 시스템과 사용자의 접촉에 응답하여 햅틱 피드백 발생기 시스템에서 햅틱 피드백을 발생시키는 방법들이 본원에 제공된다. 실시예들에서, 그러한 방법들은 햅틱 피드백 발생기 시스템에서 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 것에 의해, 시스템에서 이중층 재료 스트립의 온도를 증가시키는 단계를 포함한다. 방법들은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이중층 재료 스트립을 편향시켜 햅틱 피드백을 사용자에게 발생시키는 단계를 더 포함한다.
본원에 설명되는 바와 같이, 실시예들에서, 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 것은 햅틱 피드백 발생기 시스템과 사용자의 접촉(즉, 본원에 설명되는 바와 같이 수동 온도 변화)의 결과로서 열 에너지를 사용자로부터 제1 열 에너지 소스/싱크로 전달하는 것을 수반한다. 추가 실시예들에서, 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 것은 햅틱 피드백 발생기와 사용자의 접촉(즉, 본원에 설명되는 바와 같이 능동 온도 변화)에 의해 트리거되는 제1 열 에너지 소스/싱크를 가열하는 것을 이용한다.
추가 실시예들에서, 방법들은 사용자가 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때, 열 에너지를 이중층 재료 스트립로부터 제2 에너지 소스/싱크로 전달하는 단계, 및 이중층 재료 스트립을 제2 위치로부터 제1 위치로 편향시키는 단계를 더 포함한다. 더 추가 실시예들에서, 열 에너지는 사용자가 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때, 이중층 재료 스트립으로부터 제2 열 에너지 소스/싱크로 전달되고, 이중층 재료 스트립을 제2 위치로부터 제1 위치로 편향시킨다.
다양한 실시예들이 상기 설명되었지만, 그들은 제한이 아닌 본 기술의 예시들 및 예들로만 제시되었다는 점이 이해되어야 한다. 형태 및 상세에 있어서의 다양한 변화들은 본 기술의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 그 안에서 이루어질 수 있다는 점이 관련 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명할 것이다. 따라서, 본 기술의 폭 및 범위는 상기 설명된 실시예들 중 어느 것에 의해 제한되어야 하는 것이 아니라, 첨부된 청구항들 및 그들의 균등물들에 따라서만 정의되어야 한다. 또한 본원에서 논의된 각각의 실시예, 및 본원에 열거된 각각의 참조의 각각의 특징은 임의의 다른 실시예의 특징들과 조합하여 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 본원에서 논의되는 모든 특허들 및 공보들은 본원에 전체적으로 참조로 포함된다.

Claims (21)

  1. 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 시스템으로서,
    햅틱 피드백 발생기를 갖는 디바이스를 포함하며, 상기 햅틱 피드백 발생기는,
    이중층 재료 스트립(bilayer material strip)을 포함하며,
    온도의 변화에 응답하여, 상기 이중층 재료 스트립은 상기 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하기 위해 제1 위치와 제2 위치 사이에서 편향되도록 구성되는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이중층 재료 스트립은 이종금속 스트립(bimetallic strip)인, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이종금속 스트립은 곡선 프로파일 및 V 형상 프로파일 중 하나를 갖는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이중층 재료 스트립은 대략 1㎛ 내지 대략 200㎛ 정도의(on the order of about 1㎛ to about 200㎛) 두께를 갖는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 피드백 발생기는 제1 에너지 소스/싱크를 더 포함하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 온도의 변화는 상기 사용자가 상기 햅틱 피드백 발생기와 접촉할 때, 상기 사용자로부터 상기 제1 열 에너지 소스/싱크로 열 에너지의 전달로 인해 발생하는 상기 이중층 재료 스트립의 온도의 증가이며, 상기 온도의 증가는 상기 이중층 재료 스트립이 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 편향되게 하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 햅틱 피드백 발생기는 제2 에너지 소스/싱크를 더 포함하고, 상기 온도의 변화는 상기 사용자가 상기 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때 상기 이중층 재료 스트립으로부터 상기 제2 에너지 소스/싱크로 열 에너지의 전달로 인해 발생하는 상기 이중층 재료 스트립의 온도의 감소이며, 상기 온도의 감소는 상기 이중층 재료 스트립이 상기 제2 위치로부터 상기 제1 위치로 편향되게 하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이중층 재료 스트립은 상기 사용자를 향하는 방향에서 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 편향되는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 상기 온도의 변화는 상기 사용자가 상기 햅틱 피드백 발생기와 접촉할 때 트리거되는 상기 제1 열 에너지 소스/싱크의 가열로 인해 발생하는 상기 이중층 재료 스트립의 온도의 증가이며, 상기 온도의 증가는 상기 이중층 재료 스트립이 상기 제1 위치로부터 상기 제2 위치로 편향되게 하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 햅틱 피드백 발생기는 제2 에너지 소스/싱크를 더 포함하고, 상기 온도의 변화는 상기 사용자가 상기 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때 상기 이중층 재료 스트립으로부터 상기 제2 에너지 소스/싱크로 열 에너지의 전달로 인해 발생하는 상기 이중층 재료 스트립의 온도의 감소이며, 상기 온도의 감소는 상기 이중층 재료 스트립이 상기 제2 위치로부터 상기 제1 위치로 편향되게 하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 피드백은 상기 이중층 재료 스트립의 발진에 의해 생성되는 진동 햅틱 피드백 효과인, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  12. 제5항에 있어서, 상기 제1 열 에너지 소스/싱크는 다공성 재료를 포함하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  13. 제5항에 있어서, 상기 제1 열 에너지 소스/싱크는 유체 채널들을 포함하는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  14. 제6항에 있어서, 상기 이중층 재료 스트립의 하단 표면은 사용자 터치가능 햅틱 피드백 발생기와 상기 사용자의 접촉의 제거 시에 상기 이중층 재료 스트립을 상기 제1 위치로 복귀시키는 스프링에 결합되는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 이중층 재료 스트립의 하단 표면은 상기 사용자가 사용자 터치가능 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때 상기 이중층 재료 스트립을 상기 제1 위치로 복귀시키는 스프링에 결합되는, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 이중층 재료의 적어도 하나의 재료는 다공성인, 햅틱 피드백을 제공하는 시스템.
  17. 햅틱 피드백 발생기 시스템과 사용자의 접촉에 응답하여 상기 햅틱 피드백 발생기 시스템에서 햅틱 피드백을 발생시키는 방법으로서,
    상기 햅틱 피드백 발생기 시스템에서 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 것에 의해, 상기 시스템에서 이중층 재료 스트립의 온도를 증가시키는 단계; 및
    제1 위치와 제2 위치 사이에서 상기 이중층 재료 스트립을 편향시켜 햅틱 피드백을 상기 사용자에게 발생시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 단계는 상기 햅틱 피드백 발생기 시스템과 상기 사용자의 접촉의 결과로서 열 에너지를 상기 사용자로부터 상기 제1 열 에너지 소스/싱크로 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1 열 에너지 소스/싱크의 온도를 증가시키는 단계는 상기 햅틱 피드백 발생기와 상기 사용자의 접촉에 의해 트리거되는 상기 제1 열 에너지 소스/싱크를 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 사용자가 상기 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때, 열 에너지를 상기 이중층 재료 스트립으로부터 제2 에너지 소스/싱크로 전달하는 단계, 및 상기 이중층 재료 스트립을 상기 제2 위치로부터 상기 제1 위치로 편향시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 사용자가 상기 햅틱 피드백 발생기와의 접촉을 중지할 때, 열 에너지를 상기 이중층 재료 스트립으로부터 제2 열 에너지 소스/싱크로 전달하는 단계, 및 상기 이중층 재료 스트립을 상기 제2 위치로부터 상기 제1 위치로 편향시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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