TW201405024A - 用於電流驅動聚合物裝置的轉動慣性驅動系統及軸承系統 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一裝備，其包括一具有一第一端及一第二端之可移式表面。第一及第二端係配置於可移式表面的相對端上。至少一第一致動器耦合至可移式表面的第一端。至少一第二致動器耦合至可移式表面的第二端。至少第一及第二致動器係相對於彼此可操作地異相位且沿由可移式表面所界定的一慣性矩處於一轉動慣性組態。亦揭露一磁性軸承，其組構以懸設可移式表面。此外，揭露一磁性軸承扣持系統。

Description

用於電流驅動聚合物裝置的轉動慣性驅動系統及軸承系統 相關申請案

本申請案係依據35 USC § 119(e)對於2012年6月29日提申名為“磁性表面軸承”的美國臨時申請案No.61/666,127；2012年3月27日提申名為“使平板及類似手持式裝置用的致動器功率要求達到最小之轉動慣性驅動系統”的美國臨時申請案No.61/615,915；及2012年12月21日提申名為“磁性表面軸承機構”的美國臨時申請案No.61/740,609作權利主張，其整體內容合併於本文中以供參考。

發明領域

本發明概括有關用於包含致動器的裝置之轉動慣性驅動系統。本發明更特別有關一使包含電流驅動聚合物匣及致動器的裝置用之致動器功率要求達到最小之轉動慣性驅動系統。本發明亦有關包含致動器的裝置用之磁性軸承。在特定實施例中，致動器可包含一電流驅動聚合物匣。

發明背景

現今所採用的裝置有非常多係仰賴某種致動器將電能轉換成機械能。反之，許多發電應用藉由將機械作用轉換成電能來運作。利用此方式收取機械能的同類型裝置可稱為發電器。同理，當利用結構將諸如振動或壓力等物理刺激轉換成電信號以供測量用途時，其特徵可歸類為感測器。然而，可使用「換能器(transducer)」用語概括地指稱裝置的任一者。

數種設計考量係喜好選擇及使用先進介電彈性體材料、亦稱為「電流驅動聚合物」以供製造換能器。這些考量係包括力勢(potential force)、功率密度、功率轉換/消耗、尺寸、重量、成本、響應時間、任務循環、服務需求、環境衝擊、等等。因此，在許多應用中，電流驅動聚合物技術對於壓電、形狀記憶合金及諸如馬達及螺線管等電磁裝置提供了理想取代方案。

一電流驅動聚合物換能器係包含具有可變形特徵且由一薄彈性體介電材料所分離之兩電極。當一電壓差施加至電極時，帶相反電荷的電極彼此吸引藉此壓縮其間的聚合物介電層。隨著電極被拉近在一起，介電聚合物膜隨著其在平面性方向(沿著X及Y軸)擴張、亦即膜的位移位於平面內而變得更薄(Z軸分量收縮)。電流驅動聚合物膜亦可組構以產生垂直於膜結構的一方向(沿著Z軸)之運動，亦即膜的位移位於平面外。美國專利案No.7,567,681係揭露提供如是平面外位移-亦稱為表面變形或厚度模式偏向之電流驅動聚合物膜構造。

電流驅動聚合物膜的材料及物理性質可被改變及控 制，以客製化換能器所經歷的變形。更確切來說，諸如聚合物膜與電極材料之間的相對彈性、聚合物膜與電極材料之間的相對厚度及/或聚合物膜及/或電極材料的變化厚度、聚合物膜及/或電極材料的物理圖案(以提供局部化主動及非主動區域)、整體置於電流驅動聚合物膜上之張力或預應變、及施加至膜的電壓量或在膜上所誘發的電容等因素係可被控制及改變，以在一主動模式時客製化膜的特徵構造。

不論是單獨使用膜還是在一電流驅動聚合物致動器中使用膜，存在有眾多種應用可從如是電流驅動聚合物膜所提供的優點獲得益處。許多應用之一係涉及使用電流驅動聚合物換能器作為致動器，以產生使用者介面裝置中的觸覺回饋(經由施加至使用者身體的力將資訊導通予一使用者)。具有許多種採用觸覺回饋的已知使用者介面裝置，其典型地回應於一由使用者所引發的力。可採用觸覺回饋之使用者介面裝置的範例係包括鍵盤、小鍵盤、遊戲控制器、遙控器、觸控螢幕、電腦滑鼠、軌跡球、觸控筆、搖桿等。使用者介面表面可包含供一使用者操縱、接合、及/或觀察關於來自裝置的回饋或資訊之任何表面。如是介面表面的範例係包括但不限於一鍵(譬如一鍵盤上的鍵)、一遊戲墊或鈕、一顯示器螢幕等。

這些類型介面裝置所提供的觸覺回饋係為物理感受諸如振動、脈衝、簧力等的形式，其被一使用者直接地(譬如經由碰觸螢幕)、間接地(譬如經由諸如當一行動電話在口袋裡振動時等之一振動效應)所感受、或以其他方式(譬如經由一移動中體部的一作用，其生成使用者感受的一壓力擾動)被感受。諸如智慧型電話、 個人媒體播放器、可攜式運算裝置、可攜式遊戲系統、電子閱讀器等消費電子媒體裝置激增係會生成一種其中有一客戶次群組欲取得電子媒體裝置的經改良觸覺效應或自其獲益之情形。然而，由於裝置的成本增高或輪廓增大，可能未能使每種型號電子媒體裝置之觸覺能力增加皆被合理解釋。並且，特定電子媒體裝置的客戶可能意欲對於特定活動暫時地改良電子媒體裝置的觸覺能力。

在消費電子媒體裝置暨許多其他商業及消費應用中採用電流驅動聚合物材料係突顯出對於增加產量同時使膜維持精密度及一致性之需求。

平板電腦及類似的手持式裝置(譬如IPads及如是裝置)具有顯著的質量(500克到1500克)。當試圖使用慣性驅動致動器對於一握持裝置的使用者產生介面觸覺回饋時，需要一顯著量的致動器功率來產生易被注意到的加速度位準。這係增大致動器尺寸、增高電功率驅動要求、且提高成本。已經試圖採用很高的觸覺頻率以幫助降低致動器功率、尺寸及成本要求來解決此問題。一範例係使用採用175至225Hz範圍頻率的觸覺頻率之壓電致動器。然而，較高的觸覺頻率未能在觸覺裝置中提供合乎現實的回饋且對於遊戲來說不太容易被注意到且有時候相當令人困擾。

為此，本發明的實施例提供機械性異相位操作之致動器，藉此將觸覺信號改變成轉動慣性組態而非平移慣性組態。此組態顯著地降低致動器所必須驅動的有效質量，同時仍對於使用者手部產生相同觸覺感受。這亦容許使用較低頻率及較大慣性質量，其有益於系統層級設計。

尚且，習見的手持式裝置不具有低摩擦軸承表面，其容許一移動中的表面得以支撐負荷且相對於一參考表面以很低的摩擦容易地移動、同時亦拘限住移動中的表面不移動超過預設的動作極限(線性或轉動地)而不在靜止或操作期間造成顯著摩擦。

為此，本發明的實施例係提供用於支撐一表面使其相對於一參考表面具有很小摩擦之手段，同時拘限住移動中的表面不移動超過預設的線性或轉動動作極限而不在靜止或操作期間造成顯著摩擦。

在殼體與一可移式表面之間包括有軸承以減小摩擦之裝置中係存在額外的缺點。因為如是軸承為極小，其常會掉出且因此未被扣持在原廠裝設位置。

本發明的不同實施例係提供一軸承扣持系統以將軸承扣持在其原廠裝設位置。

一裝備係包含包括一具有一第一側及一第二端之可移式表面。第一及第二端係配置於可移式表面的相對端上。至少一第一致動器耦合至可移式表面的第一端。至少一第二致動器耦合至可移式表面的第二端。至少第一及第二致動器係相對於彼此可操作地異相位且沿由可移式表面所界定的一慣性矩處於一轉動慣性組態。

熟習該技術者經由閱讀更完整描述於下文的本發明細節，將得知本發明的這些及其他特徵構造與優點。此外，本文所描述的方法及裝置之變異例係包括本揭示的範圍內所可能具有 之實施例的形態或實施例之組合，縱使這些組合未作明確圖示或討論亦然。

8‧‧‧剛性框架

10‧‧‧電流驅動聚合物膜或薄膜/換能器膜

12‧‧‧薄彈性體介電膜或層/匣

14‧‧‧順應性或可拉伸性電極板或層/電流驅動致動器

16‧‧‧順應性或可拉伸性電極板或層

18,20‧‧‧傳導導孔

22,24‧‧‧引線

26‧‧‧電流驅動聚合物換能器膜

30‧‧‧撓曲連接器

32‧‧‧薄彈性電極

34‧‧‧機械輸出條桿

50,604a,604b,704a,704b,804a ₁ -804a _n ,804b ₁ -804b _n ,904a ₁ -904a _n ,904b ₁ -904b _n ,904c ₁ -904c _n ,904d ₁ -904d _n ‧‧‧慣性質量

52‧‧‧腔穴

56‧‧‧外殼

300,400,800,900,1100,1300,1400‧‧‧裝置

302‧‧‧慣性質量慣性驅動致動器

303,403‧‧‧體部

304‧‧‧慣性驅動致動器

306‧‧‧螢幕

308a,308b,404a,404b‧‧‧握柄

310‧‧‧質心

402a,402b,602a,602b,702a,702b,802a ₁ -802a _n ,802b ₁ -802b _n ,902a ₁ -9 02a _n ,902b ₁ -902b _n ,902c ₁ -902c _n ,902d ₁ -902d _n ,1114‧‧‧致動器

406‧‧‧螢幕

408a‧‧‧轉動驅動力

410,810,910‧‧‧慣性矩

500‧‧‧實心碟盤

600,700‧‧‧電路

706‧‧‧反相器

808a‧‧‧裝置800的側

808b‧‧‧裝置800的相對側

908a‧‧‧裝置900的端

908b‧‧‧裝置900的第二端

908c‧‧‧裝置900的第三側

908d‧‧‧裝置900的第四側

1000,1102,1302‧‧‧可移式組件

1002‧‧‧平面

1004‧‧‧正交方向

1104,1304‧‧‧磁性軸承

1106‧‧‧殼體或框架

1108‧‧‧槽

1110‧‧‧脊

1112‧‧‧磁鐵

1304‧‧‧磁性軸承

1306‧‧‧參考框架

1308a,1308b‧‧‧機械性異相位操作的對應致動 器

1314‧‧‧致動器

1402‧‧‧可移式組件

1404‧‧‧軸承扣持系統

1406‧‧‧殼體或框架

1408‧‧‧槽

1410‧‧‧脊

1412,1416‧‧‧磁鐵

1414‧‧‧杯狀附件

1418‧‧‧含鐵的軸承

A,B‧‧‧箭頭

g‧‧‧空氣間隙

l‧‧‧長度

r‧‧‧半徑

t‧‧‧厚度

V‧‧‧驅動電壓

-V‧‧‧第二驅動電壓

w‧‧‧寬度

連同附圖閱讀下列詳細描述將最能夠瞭解本發明。為利於瞭解，已使用相同編號(若合乎實際)代表圖中共用的類似元件。圖中包括下列：圖1A及1B顯示根據本發明的一實施例之一換能器在施加一電壓之前與之後的俯視立體圖；圖2A顯示根據本發明的一實施例之一示範性電流驅動聚合物匣；圖2B顯示根據本發明的一實施例之一電流驅動聚合物致動器、慣性質量及致動器殼體的分解圖；圖3顯示一具有一習見單一慣性質量慣性驅動系統之裝置；圖4顯示一具有至少二慣性質量之裝置，至少二慣性質量耦合至機械性異相位操作的對應致動器；圖5顯示一實心碟盤的動能之原理

圖6是一用於異相位驅動致動器及因此異相位驅動慣性質量之電路的示意圖；圖7是一用於異相位驅動致動器及因此異相位驅動慣性質量之電路的示意圖；圖8顯示一具有多重致動器之裝置，多重致動器沿著一裝置的相對端設置，其中多重致動器耦合至機械性異相位操作的對應慣性質量；圖9顯示一具有多重致動器之裝置，多重致動器沿著一裝置的所有側設置，其中多重致動器耦合至機械性異相位操作的對應慣性質量； 圖10顯示一能夠在三維度移動的裝置之一可移式表面；圖11顯示一包含一可移式表面及磁性軸承之裝置的剖視圖，其中可移式表面能夠在三維度的預設極限內移動；圖12顯示包含圖11所示的一可移式表面之裝置的細部圖；圖13顯示一包含一磁性軸承上的一可移式表面及二慣性質量之裝置的剖視圖，可移式表面能夠在三維度的預設極限內移動，二慣性質量耦合至機械性異相位操作的對應致動器

圖14顯示一包含一軸承扣持系統上的一可移式表面之裝置的剖視圖，其中可移式表面能夠在預設極限內移動；及圖15顯示圖14所示之一裝置的軸承部分及可移式表面之細部圖。

可想見具有相較於圖示而言之本發明的變異。

發明詳細描述

電流驅動聚合物裝置及其應用的範例係譬如描述於下列各案：美國專利案No.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；6,343,129：7,952,261；7,911,761；7,492,076；7,761,981；7,521,847；7,608,989；7,626,319；7,915,789；7,750,532；7,436,099；7,199,501；7,521,840；7,595,580；及7,567,681，及美國專利申請案公告No.2009/0154053；2008/0116764；2007/0230222；2007/0200457；2010/0109486；及2011/128239，及PCT公告No.WO2010/054014，其完整內容合併於本文以供參考。

在不同實施例中，本發明提供一裝備，其包括一具有一第一端及一第二端之可移式組件，其中第一及第二端係彼此相對配置於可移式組件上，至少一第一致動器耦合至可移式組件的第一端，且至少一第二致動器耦合至可移式組件的第二端，其中至少第一及第二致動器係相對於彼此可操作地異相位且沿由可移式表面所界定的一慣性矩處於一轉動慣性組態。

本發明的這些及其他實施例係詳細描述於下文。然而，在描述如是製程之前，圖1及2提供一般電流驅動聚合物結構的簡單描述。

為此，現在描述圖1A及圖1B，圖中顯示一電流驅動聚合物膜或薄膜10結構的一範例。一薄彈性體介電膜或層12嵌夾於順應性或可拉伸性電極板或層14及16之間，藉此形成一電容性結構或膜。介電層的長度「l」及寬度「w」、暨複合結構的長度及寬度係遠大於其厚度「t」。較佳地，介電層具有從約10μm至約100μm範圍之一厚度，其中結構的總厚度位於從約15μm至約10cm的範圍。此外，意欲選擇電極14、16的彈性模數、厚度及/或幾何結構使其貢獻予致動器的額外勁度(stiffness)概括小於具有相對低彈性模數、亦即小於約100MPa且更佳小於約10MPa的介電層12之勁度，但可能厚於電極各者。適合配合這些順應性電容性結構使用之電極係為承受大於約1%的週期性應變但不由於機械疲勞而失效者。

如圖1B所見，當一電壓施加橫越電極時，兩電極14、16中的不同電荷彼此吸引，且這些靜電引力係壓縮介電膜12(沿著Z軸)。介電膜12因此隨著一電場變化而被迫偏向。由於電極14、16為順應性，其隨著介電層12而改變形狀。在本揭示的脈絡中，「偏向」係指介電膜12的一部分之任何位移、擴張、收縮、扭曲、線性或面積應變、或任何其他變形。依據其中採用電容性結構之架構、譬如一框架(合稱為一「換能器」)而定，可利用此偏向產生機械功。各種不同的換能器架構係揭露及描述於上述專利參考文件中。

若施加一電壓，換能器膜10繼續偏向直到機械力與驅動偏向的靜電力呈平衡為止。機械力係包括介電層12的彈性恢復力、電極14、16的順應性(compliance)或拉伸及一耦合至換能器 10的裝置及/或負荷所提供之任何外部阻力。由於所施加電壓導致之換能器10所產生的偏向亦可能依據諸如彈性體材料的介電常數及其尺寸與勁度等數項其他因素而定。電壓差及誘發電荷之移除係造成逆反效應。

在部分實例中，電極14及16可相對於膜的總面積而言覆蓋住介電膜12的一有限部分。可具有此作用以防止介電質邊緣周圍的電性崩潰或在其特定部分中達成客製化偏向。位於一主動區域(係為具有足夠靜電力使該部分能夠偏向之介電材料的一部分)外之介電材料係可能被迫在偏向期間作為主動區域上的一外部簧力。更確切來說，位於主動區域外之材料係可能藉由其收縮或擴張來抵抗或增強主動區域偏向。

介電膜12可能預受應變。預應變係改良電能與機械能之間的轉換，亦即，預應變係容許介電膜12偏向更大且提供較大的機械功。一膜的預應變可被描述成：相對於預應變前在一方向的維度而言，預應變之後在該方向的維度變化。預應變係可包括介電膜的彈性變形並可譬如藉由利用張力拉伸膜且在受拉伸時將邊緣的一或多者固定而形成。預應變係可施加於膜的邊界或者僅針對膜的一部分、並可利用一剛性框架或藉由將膜的一部分勁化來實行。

圖1A及1B的換能器結構以及其他順應性結構及其建構細節係更完整描述於本文揭露的許多參照專利案及公告中。

圖2A顯示一示範性電流驅動聚合物匣12，其具有一置於剛性框架8之間的電流驅動聚合物換能器膜26，其中電流驅動聚合物膜26在框架8的開口中露出。膜26的經曝露部分係 包括位於匣12任一側上之兩工作對的薄彈性電極32，其中電極32嵌夾或圍繞膜26的經曝露部分。電流驅動聚合物膜26可具有任何數量的組態。然而，在一實施例中，電流驅動聚合物膜26包含一薄層的彈性體介電聚合物(譬如由丙烯酸酯(acrylate)、矽氧(silicone)、胺基甲酸酯(urethane)、熱塑性彈性體(thermoplastic elastomer)、碳氫橡膠(hydrocarbon rubber)、氟彈性體(fluoroelastomer)、共聚物彈性體(copolymer elastomer)、或類似物)製成。當一電壓差被施加橫越各工作對之帶電相反的電極32(亦即橫越位於膜26任一側之成對電極)時，相反的電極係彼此吸引，藉此壓縮其間的介電聚合物層26。相反電極之間的區域被視為主動區域。隨著電極被拉近在一起，介電聚合物26在平面性方向擴張(亦即X及Y軸分量擴張)而變薄(亦即Z軸分量收縮)(請見圖1B的軸參考)。尚且，在電極含有傳導粒子之變異例中，橫越各電極所分佈的類似電荷係可能造成嵌入該電極內的傳導粒子彼此驅斥，因此助長彈性電極及介電膜的擴張。在替代性變異中，電極不含有傳導粒子(譬如，紋路狀濺鍍的金屬膜(textured sputtered metal films))。介電層26因此被迫隨著一電場變化而偏向。由於電極材料也是順應性，電極層連同介電層26一起改變形狀。如上文所述，偏向係指介電層26的一部分之任何位移、擴張、收縮、扭曲、線性或面積應變、或任何其他變形。可利用此偏向產生機械功。如圖所示，介電層26亦可包括一或多個機械輸出條桿34。條桿34可選用性地提供附接點以供一慣性質量(如上述)所用、抑或以供直接耦合至電子媒體裝置中的一基材。

在製造一換能器時，通常可藉由一剛性框架8將一 彈性膜26拉伸及固持於一預應變狀況。在採用一件四側式框架之變異例中，膜可被雙軸拉伸。若該框架的開口係圓形，該膜可被徑向地拉伸。已觀察到預應變改良聚合物膜26的介電強度，因此能夠使用較高的電場並改良電能與機械能之間的轉換，亦即預應變容許膜偏向更大且提供較大機械功。較佳地，電極材料係在將聚合物層預施應變之後被施加，但亦可先行施加。設置於層26同側上之兩電極、本文稱為同側電極對(same-side electrode pairs)，亦即介電層26的頂側上之電極及介電層26的一底側上之電極係可彼此電性隔離。位於聚合物層的相反側之相反的電極係形成兩組的工作電極對，亦即被電流驅動聚合物膜26分隔之電極係形成一工作電極對，且圍繞相鄰曝露的電流驅動聚合物膜26之電極形成另一工作電極對。各同側電極對可具有相同極性，而各工作電極對的電極極性則彼此相反。各電極具有一電接觸部分，電接觸部分係組構以電性連接至一電壓源。在部分變異中，同側電極可以一匯流排條桿被電性連接在一起。

在如圖2A所示的一變異例中，電極32經由一具有引線22、24的撓曲連接器30連接至一電壓源，引線22、24可連接至電壓源的相反極。匣12亦包括傳導導孔18、20。傳導導孔18、20可提供一依據電極極性而定以一各別引線22或24將電極8電性耦合之手段。

圖2A所示的匣12顯示一種三條桿致動器組態。然而，除非具體地主張，本文所描述的裝置及方法不限於任何特定組態。較佳地，條桿34的數目係依據意圖應用所欲有之主動區域而定。主動區域的總量，譬如電極之間區域的總量係可依據致動 器所試圖移動的質量及運動的所欲頻率而變。在一範例中，藉由首先評估待移動物體的尺寸、然後決定該物體的質量，來決定條桿數的選擇。然後藉由組構一將在所欲頻率範圍移動該物體之設計，以獲得致動器設計。顯然，任何數量的致動器設計皆位於本揭示的範圍內。

可以數種不同方式形成一供本文所描述方法及裝置中使用的電流驅動聚合物致動器。譬如，可藉由將一數量的匣12堆積在一起、具有單一之擁有多層的匣、或具有多重之擁有多層的匣，來形成電流驅動聚合物。基於製造及產率考慮，可能喜好將單一的匣堆積在一起以形成電流驅動聚合物致動器。如此一來，可藉由將導孔18、20電性耦合在一起來維持匣之間的電性連接，故使相鄰的匣耦合至相同電壓源或電源供應器。

圖2A所示的匣12係包括被單一介電層26分隔之三對的電極32。在一變異例中，如圖2B所示，二或更多個匣12堆積在一起以形成一耦合至一慣性質量50之電流驅動致動器14。替代性地，電流驅動致動器14可經由一附接板或框架(此板或框架可為永久性或暫時性)直接地耦合至電子媒體裝置。如下文討論，電流驅動致動器14可被放置在一依意願容許致動器運動之腔穴52內。囊袋52可直接形成於一觸覺外殼的一殼體中。替代性地，囊袋52可形成在一位於裝置殼體內之分離的外殼56中。若是後者，可以致動器14需求為基礎來選擇分離的外殼56之材料性質。譬如，若觸覺殼體總成的主體部為撓性，分離的外殼56可製成剛性以對於電流驅動致動器及/或質量50提供保護。不論如何，本文所描述裝置及方法之變異例係包括具有足夠空隙以容許致動器14及 /或質量50運動但具有夠緊密公差以使腔穴52障壁(譬如觸覺殼體或分離的外殼56)作為限制以防止電流驅動致動器14過度運動之腔穴52的尺寸。如是一特徵構造係防止致動器14的主動區域過度位移，其會縮短致動器的壽命或以其他方式損害致動器。

圖3顯示一具有一習見單一慣性質量慣性驅動致動器302系統之裝置300。裝置300包括一體部303、一螢幕306，及選用性地包括握柄308a、308b。慣性驅動致動器302概括被安裝在螢幕306下方且與質心310呈偏移。因此，當慣性驅動致動器302被啟動時，其如箭頭A及B所示側向地移動，以對於握持住握柄308a、308b的使用者提供一觸覺回饋(譬如加速度、振動、及類似物)。慣性驅動致動器302在箭頭A及B方向之側向運動係稱為平移性(或線性)慣性。

如是裝置300、譬如平板電腦及類似手持式裝置(譬如IPADS等)係相對於慣性致動器具有一顯著量的質量(500或1500g)。當試圖使用慣性驅動致動器304對於握持住裝置300的使用者產生觸覺回饋時，需要一顯著量的致動器功率來產生易被注意到的加速度位準。這增大了致動器304尺寸、增加電功率驅動要求、且提高成本。已試圖藉由採用很高的觸覺頻率來幫助降低致動器功率、尺寸、及成本要求以解決此問題。一範例係使用採用175至225Hz範圍的觸覺頻率之壓電致動器。然而，較高觸覺頻率係未能提供觸覺裝置中的實用回饋且對於遊戲來說不太容易被注意到且有時會相當令人困擾。

為此，本發明的實施例係提供可以轉動慣性組態而非平移慣性組態提供觸覺信號的慣性致動器。此組態顯著地降低 致動器所須驅動之有效質量，同時仍對於使用者的手產生相同的觸覺感受。這亦容許使用較低頻率及較大慣性質量，其有益於系統層級設計。在一實施例中，本發明提供轉動慣性致動器。在另一實施例中，本發明提供包含有安裝至慣性質量的電流驅動聚合物匣之轉動慣性致動器。這些及其他實施例描述於下文。

在本發明的一實施例中，單一慣性質量慣性驅動致動器可座落於握柄308a或308b的一者上，其被致動時具有平行於握柄長度的動作以生成一轉動力矩。

圖4顯示另一實施例，其中一裝置400包含至少兩致動器402a、402b，其耦合至裝置的對應握柄404a、404b。兩致動器402a、402b機械性異相位操作以在同方向提供一轉動驅動力408a。裝置400係包括一體部403、一螢幕406、及選用性包括握柄404a、404b。轉動慣性驅動系統係使供比致動器質量具有顯著更大質量的裝置所用之致動器達成最小的功率要求。雖然圖4的配置顯示順時針方向的一轉動驅動力，將瞭解兩致動器402a、402b的定向可被逆反，以在圖4所示的相反方向、譬如逆時針方向誘發轉動驅動力。進一步將瞭解：兩致動器402a、402b中只有一者生成往前或逆反方向的動量。

圖4所描繪的轉動慣性驅動系統組態係採用轉動動力學來盡量降低致動器要求並能夠使用較低的觸覺頻率。兩致動器402a、402b機械性異相位操作以藉此將觸覺信號改變成沿一慣性矩410之一轉動慣性組態，而非圖3所示的平移慣性組態。這顯著地降低致動器402a、402b所須驅動之有效質量，但仍產生對於使用者手部的相同觸覺感受。

因此，圖4所描繪的轉動慣性驅動系統係能夠使用較低觸覺頻率及較大慣性質量，其有益於系統層級設計。一般而言，以習見平移慣性驅動系統產生較低觸覺頻率係需要較大的致動器功率(這是不欲見的)但對於使用者經驗而言則大為有利。較大的慣性質量一般係降低致動器功率要求，這是一項優點。因為慣性矩410決定有效質量而非整體體部質量，故利用較小之致動器、譬如電流驅動致動器的質量。為此，轉動慣性驅動系統可組構於一較低的有效質量周圍，這是一項優點。

將連同顯示一實心碟盤500的動能原理之圖5，來描述關於移動一實心碟盤的邊緣而言之轉動vs.線性(平移)慣性的比較。

參照圖5所示的實心碟盤500，碟盤500具有半徑r、質量m、位於x-y平面中、且繞軸線z旋轉。

碟盤500的轉動慣量由下式提供：

線性慣量由下式簡單地提供：I _線性=m (2)

實心盤碟500的轉動動能由下式提供：

實心盤碟500的線性動能由下式提供：

考量在一時間t之線性距離x或弧長s的盤碟500周邊之一增量位移。位移具有某速度：v _線性 rω，對於小的角度旋轉θ (5)

轉動動能對於線性動能的比值由下式提供：

能量比值係與功率比值相同：

因此，轉動模式總是耗費線性模式的瞬間功率之一半。取積分以達到平均功率並不會改變該比值。為此，此0.5的因子對於任何的任意波形皆成立，不論是正弦曲線或其他。

圖6是一電路600的示意圖，電路600係用於驅動異相位耦合至慣性質量604a、604b的致動器602a、602b且因此異相位驅動慣性質量604a、604b。一能量源係產生一驅動電壓V以驅動耦合至慣性質量604a、604b之致動器602a、602b。用來驅動致動器602a、602b之驅動電壓V係為同相位，因此，致動器602a、602b相對於彼此被物理性定向於相反方向，使其可相對於彼此被機械性異相位驅動。電路600對於異相位驅動慣性質量604a、604b並因此將觸覺信號改變成一轉動慣性組態而非平移慣性組態提供 了一種合乎經濟的解決方案。此組態亦顯著地降低對應致動器602a、602b所須驅動的慣性質量604a、604b之有效質量，同時仍對於使用者手部產生相同的觸覺感受。這亦容許使用較低頻率及較大慣性質量，其有益於系統層級設計。將瞭解：在一實施例中，致動器602a、602b可為如本文就圖1及2所揭露的電流驅動聚合物致動器。在其他實施例中，致動器602a、602b可選自多種不同的其他致動器，包括但不限於壓電性、螺線管、音圈、及其他機械性馬達。

圖7是一電路700的示意圖，電路700係用於驅動異相位耦合至慣性質量704a、704b的致動器702a、702b且因此異相位驅動慣性質量704a、704b。驅動電壓V被反相器706所反相以產生相對於驅動電壓V呈異相位的一第二驅動電壓-V。致動器702a、702b耦合至慣性質量704a、704b。因為兩驅動電壓V、-V相對於彼此為異相位，致動器702a、702b相對於彼此被物理性定向於同方向，使其可相對於彼此被機械性異相位驅動。電路700對於異相位驅動慣性質量704a、704b並因此將觸覺信號改變成一轉動慣性組態而非平移慣性組態提供了一種較具彈性的解決方案。此組態亦顯著地降低對應致動器702a、702b所須驅動的慣性質量704a、704b之有效質量，同時仍對於使用者手部產生相同的觸覺感受。這亦容許使用較低頻率及較大慣性質量，其有益於系統層級設計。將瞭解：在一實施例中，致動器702a、702b可為如本文就圖1及2所揭露的電流驅動聚合物致動器。在其他實施例中，致動器702a、702b可選自其他致動器，包括但不限於壓電性、螺線管、音圈、及其他機械性馬達。

圖8顯示一裝置800，裝置800具有沿著一裝置800的相對端設置之多重致動器802a ₁ 至802a _n 及802b ₁ 至802b _n ，其中多重致動器802a ₁ -802a _n 機械性異相位操作地耦合至對應的慣性質量804a ₁ 至804a _n ，以形成沿慣性矩810的一轉動驅動力。一第一組多達n個致動器802a ₁ -802a _n 沿著裝置800的一側808a相對於彼此以相同(同相位)物理定向作配置。一第二組n個致動器802b ₁ -802b _n 沿著裝置800的相對側808b相對於彼此以相同(同相位)物理定向、但相對於第一組n個致動器802b ₁ -802b _n 以相反物理定向且因此呈異相位作配置。

因為第一及第二組致動器被物理性異相位定向，可使用單一電壓源來驅動第一及第二組的致動器802a ₁ -802a _n 及802b ₁ -802b _n ，如同就圖6的電路600所描述。若第一或第二組致動器802a ₁ -802a _n 及802b ₁ -802b _n 的物理定向被逆反使得第一及第二組致動器802a ₁ -802a _n 及802b ₁ -802b _n 被物理定向於相同方向，則慣性質量804a ₁ -804a _n 及804b ₁ -804b _n 可以就圖7所描述的電路700被機械性異相位驅動。為此，第一組致動器802a ₁ -802a _n 被電壓源V驅動且第二組致動器802b ₁ -802b _n 被-V驅動。

圖9顯示一裝置900，裝置900具有沿著一裝置900的所有側設置之多重致動器902a ₁ 至902a _n 、902b ₁ 至902b _n 、902c ₁ 至902c _n 、902d ₁ 至902d _n ，其中多重致動器902a ₁ -902a _n 、902b ₁ -902b _n 、902c ₁ -902c _n 、及902d ₁ -902d _n 機械性異相位操作地耦合至對應的慣性質量904a ₁ -904a _n 、904b ₁ -904b _n 、904c ₁ -904c _n 、及904d ₁ -904d _n ，以形成沿慣性矩910的一轉動驅動力。一第一組多達n個致動器902a ₁ -902a _n 沿著裝置900的一端908a相對於彼此以相同(同相位) 物理定向作配置。一第二組n個致動器902b ₁ -902b _n 沿著裝置900的一第二端908b相對於彼此且相對於第一組致動器902a ₁ -902a _n 以相同(同相位)物理定向作配置。一第三組n個致動器902c ₁ -902c _n 沿著裝置900的一第三側908c相對於彼此以相同(同相位)物理定向、但對於第一組致動器902a ₁ -902a _n 以相反物理定向作配置。一第四組n個致動器902d ₁ -902d _n 沿著裝置900的一第四側908d相對於彼此以相同(同相位)物理定向、但對於第二組致動器902b ₁ -902b _n 以相反物理定向作配置。

因為致動器被物理性異相位定向，可使用單一電壓源來驅動全部的致動器902a ₁ -902a _n 、902b ₁ -902b _n 、902c ₁ -902c _n 、及902d ₁ -902d _n 如同就圖6的電路600所描述。若第三組致動器902c ₁ -902c _n 及第四組致動器902d ₁ -902d _n 的物理定向被逆反使得第一及第三組致動器902a ₁ -902a _n 及902c ₁ -902c _n 被物理定向於相同方向且第二及四組致動器902b ₁ -902b _n 及902d ₁ -902d _n 被物理定向於相同方向，則慣性質量904a ₁ 至904a _n 、904b ₁ 至904b _n 、904c ₁ 至904c _n 、及904d ₁ 至904d _n 可利用圖7所描述的電路700以相同電壓源V被機械性異相位驅動。為此，第一及第二組致動器902a ₁ -902a _n 及902b ₁ -902b _n 被電壓源V驅動且第三及第四組致動器902c ₁ -902c _n 及902d ₁ -902d _n 被-V驅動。

如本文所使用，稱為相對於彼此被物理或機械性異相位定向之致動器概括係指致動器相對於彼此被定向於反方向或簡單地約呈180度異相位。同樣地，稱為相對於彼此異相位之電壓源、或其他能量源概括係指相對於彼此約呈180度異相位之能量源。

圖10顯示一能夠在三維度移動的裝置之一可移式組件1000。可移式組件1000可在平面1002中或正交1004於平面1002的方向中移動。

圖11顯示一裝置1100的剖視圖，裝置1100包含一磁性軸承1104上的一可移式組件1102，其中可移式組件1102能夠在三維度於預設極限內移動。裝置1100包括一包含一槽1108之殼體或框架1106，槽1108設定尺寸以接收從可移式組件1102的周邊邊緣往外突起之一脊1110部分。可移式組件1102的運動被槽之內側壁的至少一者限制於槽1108內。複數個磁鐵1112被定位為沿著槽1108及脊1110以產生一磁性軸承1104，磁性軸承1104在組件1102處於動作中的同時支撐住組件1102。一致動器1114在一側上耦合至可移式表面1104且在另一側上耦合至參考框架1106。因此，當致動器1114被啟動時，可移式表面1102相對於框架1106移動。

磁性軸承1104提供一手段以支撐組件1102使其相對於框架1106參考表面具有極小摩擦。在一實施例中，組件1102係為一觸控面板或螢幕，其經由面板/螢幕回應於使用者輸入藉由致動器1114提供觸覺動作。為了移動螢幕俾讓使用者感覺到觸覺動作，欲經由一很低摩擦軸承表面使螢幕懸設以使螢幕自由移動於一給定平面中的一動作範圍內(採用笛卡爾座標系讓吾人選擇XY平面作為一範例)。螢幕應自由移動於XY平面內、被拘限於Z軸、且被拘限於XY軸的預設極限內。

圖12顯示裝置1100的磁性軸承1104及圖1所示的可移式組件1102之細部圖。磁鐵1112係配置使得相對的北極(N) 面對彼此以產生一磁性軸承1104，磁性軸承1104支撐可移式組件1102的重量。將瞭解：可利用面對彼此之相對的南極(S)來實行磁性軸承1104。磁性軸承1104使用磁力將表面懸設及/或拘限於指定的動作範圍內，而支承Z軸中的負荷。藉由將磁鐵1112陣列式設置於螢幕周圍的不同區位，可生成一使用極小功率或不使用功率的很低摩擦軸承。類似地，磁鐵1112可陣列式設置以提供非接觸動作引導件或停止件以將表面拘限至所欲動作平面內，位於該平面的所欲動作範圍之內。

利用磁性拒斥來生成低摩擦軸承表面1104係能夠使移動的組件1102支撐負荷且容易地移動並亦拘限移動的組件1102不移動超過預設的動作極限(線性或轉動)而在靜止或操作期間不造成顯著摩擦。當受到對於軸承組件1102呈法向的力暨一非線性恢復力時，可提供小幅機械順應性。藉由磁性軸承表面1104的磁性懸設係具有很低的靜與動摩擦，由於所使用的力及動作範圍為小值，其在製造一可移式觸覺觸控組件1102時係為重要。

尚且，在一實施例中，可利用永久性磁鐵1112實行磁性軸承1104。在利用永久性磁鐵1112的實施例中，磁性軸承1104不需要額外電功率。此外，隨著對於磁性軸承表面1112呈法向施力，相對的磁鐵1112之間的空氣間隙g係減小(機械順應性)，然而，隨著空氣間隙g減小，磁性拒斥係以一非線性關係增大。實際上，難以將磁性軸承1112裝載至使空氣間隙g消除且移動的板碰觸到參考表面之程度，其將導致額外的摩擦。

在不同實施例中，磁鐵1112可為離散的永久性磁鐵、複數個燒結的永久性磁鐵、或複數個樹脂結合的永久性磁鐵。存 電功率沒有問題的其他實施例中，可利用電磁鐵實行磁性軸承1104。

尚且，在部分實施例中，耦合至可移式組件1102的致動器1114可藉由一組合的磁力及磁力以外的一力被預偏壓。如是致動器1114係組構以被選擇性偏壓以獲得確切所欲的效能特徵。偏壓的選擇係遵照一負偏壓彈簧模型，其中簧力隨著致動器1114從一預負載位置移動至其最高啟動位置而增大。該模型係可排他性採用一負偏壓彈簧、或可進一步併入有恆定力彈簧偏壓及/或一正或「標準」彈簧偏壓與平率或負率偏壓作組合。偏壓裝置可額外地包括偏壓組件，譬如一線圈彈簧、板片彈簧、伸縮節彈簧、彈性體彈簧、泡綿支撐件、空氣或流體壓力偏壓等，或亦可想見這些部件或類似物的任一者之一組合。

圖13顯示一裝置1300的剖視圖，裝置1300係包含一磁性軸承1304上的一可移式組件1302，其能夠在三維度於預設極限內移動，及兩或更多個慣性質量，其耦合至兩或更多個機械性異相位操作的對應致動器1308a、1308b。因此，裝置1300合併了利用轉動動力學盡量降低致動器要求且能夠以就圖10至12所描述的磁性軸承1304使用較低觸覺頻率之就圖4至9所描述的轉動慣性驅動系統組態之利益。將瞭解：圖13所示的裝置1300可採用就圖4至9所描述的轉動慣性驅動系統之不同實施例的任一者。選用性地，可提供一致動器1314。致動器1314係在一側被耦合至可移式組件1304且在另一側被耦合至參考框架1306。

圖14顯示一裝置1400的剖視圖，裝置1400係包含一軸承扣持系統1404上的一可移式組件1402，其中可移式組件1402能夠在預設極限內移動。圖15係顯示圖14所示之可移式組件1402及裝置1400 的軸承扣持系統1404之細部圖。裝置1400係包括一含有一槽1408之殼體或框架1406，槽1408係設定尺寸以接收一從可移式組件1402的周邊邊緣往外突起之脊1410部分。可移式組件1402的運動被限制於槽1408內。由含鐵的材料製成之軸承1418係介於可移式組件1402的脊1410部分與槽1408的內部壁之間，以使移動的組件1402能夠自由地移動於槽1408內。因為軸承1418可為相當小並傾向於被位移或遺失，複數個磁鐵1412被定位為沿著槽1408將軸承1418扣持就位，其限制條件在於軸承由一含鐵的材料製成。軸承1418係位居預定的杯狀附件1414中。磁鐵1416係位居裝置1400的框架體部1406內所形成之槽1408內。因此，磁鐵1416將扣持住含鐵的軸承1418。在不同實施例中，磁鐵1416係選自從下列各物組成的群組：一永久性磁鐵，燒結永久性磁鐵，樹脂結合永久性磁鐵，一電磁鐵及其組合。

在其他實施例中，裝置1400可與兩或更多個慣性質量作組合，該兩或更多個慣性質量係耦合至兩或更多個機械性異相位操作的對應致動器。因此，裝置1400合併了利用轉動動力學盡量降低致動器要求且能夠以就圖13至15所描述的軸承1404使用較低觸覺頻率之就圖4至9所描述的轉動慣性驅動系統組態之利益。將瞭解：圖14所示的裝置1400可採用就圖4至9所描述的轉動慣性驅動系統之不同實施例的任一者。

裝置400、800、900、1100、1300、及1400的任一者皆可與包括轉動慣性驅動系統、磁性軸承系統、磁性軸承扣持系統、及/或預偏壓致動器系統之本發明所討論的特徵構造之任一者作組合，而無限制。

在部分實施例中，磁性軸承系統可用來懸設及定位一慣性質量而非一顯示器或觸控螢幕表面。此質量可藉由一平面 性致動器諸如三條桿致動器、或藉由其他致動器架構諸如輥、堆積體、表面形變化(surface morphing)、壓電雙晶片(bimorphs)等被驅動。這些實施例簡化了懸設及支撐一慣性質量的任務，原因是其具有很低摩擦、具有優雅的移行停止、並可以多重形狀因數以一種很堅固方式製成。相較於可能需要精密的軸承系統或是複雜且常脆弱的撓屈件之譬如以撓屈件為基礎的系統、以軸承為基礎的系統等其他較傳統的支撐方法而言，此系統具有數項優點。

至於本發明的其他細節，可採用位居熟習相干技術者所瞭解程度內之材料及替代性相關組態。就通常或邏輯上採用的額外作用而言，對於以製程為基礎之本發明的形態，同理亦可成立。此外，雖然已參照數項範例、選用性併入不同特徵構造來描述本發明，本發明不限於對於本發明各變異例想見之所描述或指示者。可對於所描述的發明作出不同改變且可取代均等物(不論本文是否引用還是為求簡明而未被包括)而不脫離本發明的真實精神與範圍。任何數量的所顯示個別元件或次總成可被整合在其設計中。可藉由設計原理採行或引導如是改變或其他，以供組裝。

並且，可想見：所描述的創新變異例之任何選用性特徵構造係可獨立地被提出及請求、或連同本文所描述特徵構造的任一或多者被提出及請求。若提及單數項目係包括了存在複數個該等項目之可能性。更確切來說，如本文及申請專利範圍所使用，除非另外明述，單數形式“一”、“該”係包括複數個參照物。易言之，藉由使用冠詞係容許上文描述及下文申請專利範圍中具有“至少一個”該主體項目。進一步請注意：申請專利範圍可草擬成排除任何選用性元件。因此，此陳述係意圖作為連同引述請求元件 使用如“唯一”、“僅有”及類似物等排他性用語或使用一“負面”限制之先行基礎。若不使用如是排他性用語，申請專利範圍中的“包含”用語係容許包括任何額外的元件-而無關乎一給定數量的元件是否列舉於申請專利範圍、還是添加一特徵構造會被視為使申請專利範圍中提出的一元件本質產生轉變皆然。另方式來說，除非確切界定，本文所有技術及科學性用語係以盡量廣泛常見瞭解的意義提供、同時使申請專利範圍保持成立。

400‧‧‧裝置

404a‧‧‧握柄

402a,402b‧‧‧致動器

406‧‧‧螢幕

408a‧‧‧轉動驅動力

410‧‧‧慣性矩

Claims (20)

1. 一種裝備，係包含：一可移式組件，其具有一第一端及一第二端，其中該第一及第二端彼此相對地配置於該可移式組件上；至少一第一致動器，其耦合至該可移式組件的第一端；及至少一第二致動器，其耦合至該可移式組件的第二端；其中該至少第一及第二致動器係相對於彼此可操作地異相位(out of phase)且沿由該可移式組件所界定的一慣性矩(moment of inertia)處於一轉動慣性組態(rotational inertial configuration)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝備，其中該至少第一及第二致動器係相對於彼此被物理地定向(physically oriented)於相反方向且可操作地回應於一單一驅動電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝備，其中該至少第一及第二致動器係相對於彼此被物理定向於相同方向且其中該至少第一致動器可操作地回應於一第一驅動電壓且該至少第二致動器可操作地回應於一與該第一驅動電壓呈異相位的第二驅動電壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述之裝備，進一步包含一反相器以接收該第一驅動電壓並提供該第二驅動電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之裝備，進一步包含一磁性軸承，該磁性軸承係組構以懸設該可移式組件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之裝備，進一步包含一耦合至該可移式組件之軸承扣持系統，其中該軸承扣持系統包含至少一磁鐵。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝備，其中該至少第一及第二致動器包含電流驅動聚合物匣(electroactive polymer cartridges)。
8. 一種裝備，係包含：一殼體；一可移式組件，其可移地耦合至該殼體；及一磁性軸承，其組構以相對於該殼體懸設該可移式組件。
9. 如申請專利範圍第8項所述之裝備，其中該殼體包含一槽，且該可移式組件包含一從該可移式組件的周邊邊緣往外突起之脊，其中該脊係組構以被接收於該槽內。
10. 如申請專利範圍第9項所述之裝備，進一步包含一位居該殼體的槽部分中之第一磁鐵及一位居該可移式組件的脊部分中之第二磁鐵，其中該第一及第二磁鐵係配置成以相對極(opposing poles)面對彼此以產生一磁性軸承並將該可移式組件的脊部分懸設於該殼體的槽部分內。
11. 如申請專利範圍第9或10項所述之裝備，其中該可移式組件的運動係藉由該槽的至少一內側壁被限制於該槽內。
12. 如申請專利範圍第8項所述之裝備，進一步包含一致動器，該致動器在一側上耦合至該可移式組件且在另一側上耦合至該殼體，其中當該致動器被啟動時，該可移式組件相對於該殼體移動。
13. 如申請專利範圍第8項所述之裝備，進一步包含： 至少一第一致動器，其耦合至該可移式組件的一第一端；及至少一第二致動器，其耦合至該可移式組件的一第二端；其中該至少第一及第二致動器係相對於彼此可操作地異相位且沿由該可移式組件所界定的一慣性矩處於一轉動慣性組態。
14. 如申請專利範圍第12或13項所述之裝備，其中該致動器包含一電流驅動聚合物匣。
15. 如申請專利範圍第8項所述之裝備，其中該磁鐵選自下列各物組成的群組：一永久性磁鐵，燒結永久性磁鐵，樹脂結合永久性磁鐵，一電磁鐵及其組合。
16. 一種裝備，係包含：一殼體；一可移式表面，其可移地耦合至該殼體；及一軸承扣持系統。
17. 如申請專利範圍第16項所述之裝備，其中該軸承扣持系統係包含一含鐵的軸承及一磁鐵，該含鐵的軸承(ferrous bearing)係配置於該殼體與該可移式表面之間，該磁鐵位居該殼體中以磁性地扣持該含鐵的軸承。
18. 如申請專利範圍第16項所述之裝備，其中該磁鐵選自下列各物組成的群組：一永久性磁鐵，燒結永久性磁鐵，樹脂結合永久性磁鐵，一電磁鐵及其組合。
19. 如申請專利範圍第16項所述之裝備，進一步包含一致動器，該致動器在一端上耦合至該可移式表面且在另一側上耦合至 該殼體，其中當該致動器被啟動時，該可移式表面相對於該殼體移動。
20. 如申請專利範圍第1至17項中任一項所述之裝備，其中該可移式組件或表面選自下列各物組成的群組：一觸控螢幕，一感測器面板，及一顯示器面板。