TW201439816A - 具有選擇性可撓密封件之電活性聚合物致動表面 - Google Patents

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Abstract

揭示一種設備。該設備包含一殼體、包含一表面之一元件、以及一預形成膜片，其係位於該表面與該殼體之間以在該表面與該殼體之間形成一密封件。該設備可包含經定位成與該表面緊鄰及接觸的至少一電活性聚合物致動器以提供回應使用者之刺激的觸覺反饋。

Description

具有選擇性可撓密封件之電活性聚合物致動表面 相關申請案
本申請案依照USC第35條第119(e)項主張申請於2013年1月4日、標題為“MOVING TOUCH PANEL SEAL”之美國臨時申請案第61/748,785號以及申請於2012年12月13日、標題為“VIVITOUCH HAPTIC KEYBOARD”之美國臨時申請案第61/736,601號的權益，其全部揭示內容併入本文作為參考資料。
發明所屬之技術領域
本發明大體針對基於電活性聚合物的輸入/輸出裝置。更特別的是，本發明針對基於電活性聚合物的鍵盤及觸控顯示器。更特別的是，本發明針對用於基於電活性聚合物之輸入/輸出系統的密封件。更特別的是，本發明針對用於基於電活性聚合物之鍵盤及觸控螢幕顯示器的密封件。
現今所用的各種各樣裝置依賴一或另一種致動器來把電能轉換成機械能。反之，許多發電應用系統是藉由把機械動作轉換成電能來操作。以此樣式被用來採集機械能的這種裝置可稱為發電機。同樣，當結構被用來把物理刺激(例如，振動或壓力)轉換成測量用的電子訊號時，可特徵化成為感測器。然而，用語“傳感器”可用來泛指描述於本文的任何電活性裝置。
為了製造傳感器，許多設計考量偏愛選擇及使用也被稱為“電活性聚合物”的先進介電彈性體材料。這些考量包括位力(potential force)、功率密度、電力轉換/消耗、尺寸、重量、成本、反應時間、工作週期、維修要求、環境影響等等。就這點而論，在許多應用中，電活性聚合物技術提供壓電、形狀記憶合金及電磁裝置(例如，馬達及螺線管)的理想替代物。
電活性聚合物傳感器包含有可變形以及用薄彈性體介電材料隔開的兩個電極。當電壓差施加於該等電極時，電性相反的電極相互吸引從而壓縮在其間的聚合物介電層。當該等電極被更靠近地拉在一起時，介電聚合物薄膜隨著在平面方向(X、Y軸)膨脹(亦即，在薄膜面內移位)而變得更薄(Z軸分量收縮)。也可將電活性聚合物薄膜組態成可產生方向與薄膜結構正交的移動(沿著Z軸)，亦即，移到薄膜面外。美國專利第7,567,681號揭示提供這種平面外位移(也被稱為表面變形或厚度模式變位(thickness mode deflection))的電活性聚合物薄膜構造物。
可改變及控制電活性聚合物薄膜的材料及物理性質以定製傳感器所經受的變形。更特別的是，可改變及控制諸如聚合 物薄膜與電極材料的相對彈性，聚合物薄膜與電極材料的相對厚度及/或聚合物薄膜及/或電極材料的不同厚度，聚合物薄膜及/或電極材料的物理形貌(以提供局部的主動區與非主動區)，使整個電活性聚合物薄膜處於緊繃或預拉緊，以及該薄膜的外加電壓或感應電容之類的因素以定製該薄膜處於主動模式時的特徵。
有許多應用系統受益於由此類電活性聚合物薄膜所提供的優點，不論單獨使用該薄膜或使用該薄膜於電活性聚合物致動器者。許多應用系統中之一種涉及使用電活性聚合物傳感器作為致動器以在使用者介面裝置中產生觸覺反饋(通過施加於使用者身體的力傳達資訊給使用者)。利用觸覺反饋的許多習知使用者介面設備通常回應由使用者啟動的力。可利用觸覺反饋的使用者介面設備實施例包括鍵盤、小鍵盤、遊戲控制器、遠端控制器、觸控螢幕、電腦滑鼠、軌跡球、手寫筆棒(stylus stick)、搖桿等等。使用者介面表面可包括使用者操縱、接合及/或觀察關於設備之反饋或資訊的任何表面。此類介面表面的實施例包括但不受限於：按鍵(例如，鍵盤上的按鍵)，遊戲墊或按鈕、顯示螢幕、等等。
這類介面設備所提供的觸覺反饋形式為身體感覺，例如振動、脈衝、彈簧力、等等，使用者係直接(例如，經由碰觸螢幕)、間接(例如，經由在包包或袋子中之手機振動時產生的振動效果)或以其他方式(例如，經由物體移動產生壓力擾動而被使用者感知的作用)感覺到。消費者電子媒體設備(例如，智慧型手機、個人媒體播放器、可攜式計算設備、可攜式遊戲系統、電子閱讀器、等等)的繁增可創造消費者次區隔會受益於或想要電子媒體設備有改良觸覺效果的情況。不過，增加每種電子媒體設備模型的反饋性能可能不合 理，因為設備的成本或外型會增加。此外，某些電子媒體設備的消費者對於某些活動可能想要暫時改善電子媒體設備的觸覺性能。
電活性聚合物材料用於消費者電子媒體設備以及許多其他商業及消費者應用系統凸顯需要提高生產量同時維持薄膜的精度和一致性。
電活性聚合物致動型電子媒體經常包含運轉中難以密封的活動部件。活動觸控顯示器表面或活動觸覺電子鍵盤元件之內部的密封應抵抗操作環境對於裝置之壽命的影響，而不限制裝置的運動以及對於該系統只增加可忽略的阻尼力。
習知密封解決辦法通常是用發泡墊片、迷宮密封件(labyrinth seal)或膜片密封件(membrane seal)。不過，此類習知密封技術有以下缺點。發泡墊片會抵著表面壓縮以及對系統增加太多磨擦。迷宮密封件製作複雜、需要高公差、未如所欲那麼有效、以及可能增加磨擦。膜片密封件在膜片的剪切方向增加太多勁度。
電活性聚合物致動器包括但不受限於：平面、隔膜、厚度模式、捲軸及被動耦合裝置(結合體)以及描述於本文提及之共同受讓專利及申請案的任何一種電活性聚合物裝置。
在一具體實施例中，本發明提供一種元件，其係包含一表面以及經定位成與元件之表面緊鄰及接觸的至少一電活性聚合物致動器以提供回應使用者之刺激輸入的觸覺反饋。
在一具體實施例中，本發明提供一種元件，其係包含一表面以及位於該表面與殼體之間的預形成膜片以在該表面與該殼體之間形成一密封件。在一具體實施例中，該預形成膜片由一細薄可撓彈性體薄膜構成。在一具體實施例中，該預形成膜片被鬆鬆地定位成可建立弛度(slack)。
在一具體實施例中，該元件為一電子元件，例如小鍵盤及/或觸控顯示器。
熟諳此藝者在閱讀下文所詳述的本發明細節後可明白本發明以上及其他的特徵、目標及優點。此外，描述於本文之方式及裝置的變體包括該等具體實施例的組合或具體實施例之方面的組合，這些都可能在本揭示內容的範疇內，即使沒有明確地圖示或討論該等組合。
10‧‧‧電活性聚合物薄膜或膜片
12‧‧‧薄彈性體介電薄膜或層
14、16‧‧‧柔性或可拉伸電極板或層
18、20‧‧‧導電通孔
22、24‧‧‧引線
26‧‧‧電活性聚合物傳感器薄膜
30‧‧‧軟質連接器
32‧‧‧電極
34‧‧‧機械輸出條
50‧‧‧慣性質量
52‧‧‧空腔
56‧‧‧獨立盒
100‧‧‧活動面板系統
102‧‧‧殼體
104‧‧‧活動面板
106‧‧‧預形成膜片
108‧‧‧軸承
110‧‧‧間隙
112‧‧‧內部
114‧‧‧外部
150‧‧‧活動面板系統
200‧‧‧電活性聚合物致動器總成
202‧‧‧電活性聚合物致動器
204‧‧‧軟質連接器
206‧‧‧安裝底板
208‧‧‧凹槽
300‧‧‧系統總成
302‧‧‧活動元件
304‧‧‧殼體
400‧‧‧電子鍵盤總成
402‧‧‧插槽連接器
404‧‧‧按鈕或按鍵
500‧‧‧系統總成
502‧‧‧平板電腦
602、604‧‧‧梁體
h‧‧‧高度
l、x、y‧‧‧長度
t‧‧‧厚度
w‧‧‧寬度
F‧‧‧剪切力
閱讀以下結合附圖的詳細說明可完整地了解本發明。為了利於了解，在切實可行的情況下，附圖中相同的元件用相同的元件符號表示。附圖有：
第1A圖及第1B圖的俯視透視圖根據本發明之一具體實施例圖示在施加電壓至電極之前及之後的電活性裝置；第2A圖根據本發明之一具體實施例圖示示範電活性聚合物匣盒；第2B圖根據本發明之一具體實施例圖示電活性聚合物致動器、慣性質量及致動器殼體的展開圖；第3A圖的剖視圖根據本發明之一具體實施例圖示包含容納於殼體內之活動面板的活動面板系統；第3B圖的剖視圖根據本發明之一具體實施例圖示第3A圖之活動面板系統，其係容納於有耦合至活動面板之電活性聚合物致動器總成的殼體內；第4圖的上視圖根據本發明之一具體實施例圖示電活性聚合物致動器配置。
第5圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示包含位於活動元件與殼體間之電活性聚合物致動器總成(第4圖)的系統總成；第6圖根據本發明之一具體實施例圖示包含第5圖之系統總成及接受平板電腦之插槽連接器的電子鍵盤總成；第7圖根據本發明之一具體實施例圖示包含連接至平板電腦之電子鍵盤總成(第6圖)的系統總成； 第8圖圖示梁體在彎力F沿著x方向作用於梁體的影響下的變位模型；以及第9圖圖示梁體在剪切力F沿著x方向作用於梁體的影響下的變位模型。
預期圖示於附圖的實施例仍有本發明的變體。
例如，描述電活性聚合物裝置及其應用之實施例的有美國專利第7,394,282號；第7,378,783號；第7,368,862號；第7,362,032號；第7,320,457號；第7,259,503號；第7,233,097號；第7,224,106號；第7,211,937號；第7,199,501號；第7,166,953號；第7,064,472號；第7,062,055號；第7,052,594號；第7,049,732號；第7,034,432號；第6,940,221號；第6,911,764號；第6,891,317號；第6,882,086號；第6,876,135號；第6,812,624號；第6,809,462號；第6,806,621號；第6,781,284號；第6,768,246號；第6,707,236號；第6,664,718號；第6,628,040號；第6,586,859號；第6,583,533號；第6,545,384號；第6,543,110號；第6,376,971號；第6,343,129號；第7,952,261號；第7,911,761號；第7,492,076號；第7,761,981號；第7,521,847號；第7,608,989號；第7,626,319號；第7,915,789號；第7,750,532號；第7,436,099號；第7,199,501號；第7,521,840號；第7,595,580號；第7,567,681號；第7,595,580號；第7,608,989號；第7,626,319號；第7,750,532號；第7,761,981號；第7,911,761號；第7,915,789號；第7,952,261號；第8,183,739號；第8,222,799號；第8,248,750號，以及於早期公開美國專利第2007/0200457號；第 2007/0230222號；第2011/0128239號；及第2012/0126959號，該等文獻的全部內容併入本文作為參考資料。
在各種具體實施例中，本發明提供一種電子元件，其係包含一表面以及經定位成與電子元件之表面緊鄰及接觸的至少一電活性聚合物致動器以提供回應使用者輸入的觸覺反饋。在一實施例中，電活性聚合物致動器經定位成與鍵盤表面緊鄰及接觸以提供回應使用者輸入的觸覺反饋。在另一實施例中，電活性聚合物致動器經定位成與顯示器(例如，電子觸控顯示器)之表面緊鄰及接觸以提供回應使用者輸入的觸覺反饋。在各種具體實施例中，電活性聚合物致動器可實作成有低輪廓的細薄形狀以例如在電活性聚合物致動器位於鍵盤或顯示器之表面下時最小化總成全高。在其他實作中，電活性聚合物致動器可位在總成的側向部份以最小化總成全高。
在另一具體實施例中，本發明提供一種電子元件，其係包含一表面與一彈性體薄膜或膜片以形成有弛度的一可撓密封件以及鬆鬆地位於電子元件的活動表面與支撐面之間。本發明的各種具體實施例提供一種預形成膜片以密封該表面的內部同時對於系統只增加可忽略的阻尼力。由預形成膜片形成的密封件在不限制螢幕的運動下抵抗操作環境對於裝置之壽命的影響。在一實施例中，該預形成膜片定位於活動觸控顯示器的表面及殼體之間。在另一實施例中，該預形成膜片位於鍵盤的表面及殼體之間，例如，已知商品名稱為MICROSOFT表面鍵盤的扁平膜片型鍵盤。
在各種具體實施例中，該預形成膜片由細薄的彈性體薄膜或膜片構成，其係經形成可鬆鬆地在顯示器或鍵盤元件的表面與支撐面之間定位成有弛度。在一具體實施例中，該預形成膜片係 薄而且有弛度曲率以促進低力運動(low force movement)。該預形成膜片的具體實施例提供優於典型發泡墊片、迷宮密封件或習知膜片密封件的優點。例如，本發明預形成膜片不會抵著裝置的表面壓縮以及不會跟習知發泡墊片密封件一樣地對系統增加過度的磨擦。此外，本發明預形成膜片密封件製作簡單而且不需要高公差，對比之下，習知迷宮密封件製作複雜、需要高公差、未如所欲那麼有效地密封、以及可能增加磨擦。另外，本發明預形成膜片密封件在膜片的剪切方向可撓，這與在膜片剪切方向硬挺的習知膜片密封件相反。
本發明預形成膜片的各種具體實施例係薄且可撓以及可經鑄造、模造或熱成形成使得其可橋接裝置之外殼及表面的間隙。該表面可為活動表面，例如裝置的顯示器或觸控螢幕。藉由在預形成膜片中需要撓曲的部份(亦即，橋接部份)提供充分的弛度，本發明預形成膜片密封件避免顯著的阻尼力加入系統的活動部份。
本發明預形成膜片密封件的優點包括但不限於：更好地密封顯示器或鍵盤系統或有活動組件之任何適當電子總成的內部空間。在各種具體實施例中，本發明預形成膜片可提供防塵及/或防潮密封件，這可改善配備裝置用於布滿灰塵、水分或碎屑之環境的壽命。本發明預形成膜片提供密封功能而不使用與系統之活動部件接觸會誘發磨擦的壓縮墊片(例如，PORON聚氨酯發泡材)。本發明預形成膜片也不明顯抵抗運動，從而在使用現有的低功率致動器時允許觸覺運動發生。
應注意，本文的附圖皆示意圖示裝置的示範組態以及使用電活性聚合物薄膜或有此類電活性聚合物薄膜之傳感器的方法。 在本揭示內容的範疇內有許多變體，例如，在該裝置的數個變體中，可將電活性聚合物傳感器實作成可控制有可變幾何之孔徑的大小。
在任何應用中，電活性聚合物傳感器所產生的位移可以僅僅是在平面內而被感測為橫向運動，或可在平面外而被感測為垂直位移。替換地，該電活性聚合物傳感器材料可經分段成提供可獨立定址/移動的區段以便提供殼體或電子媒體裝置的角位移或其他類型的位移。此外，任意多個電活性聚合物傳感器或薄膜(如揭示於本申請案及列於本文的專利者)可併入描述於本文的使用者介面裝置。
可將該電活性聚合物傳感器組態成在施加電壓電位時可移位，這在使用於有反饋裝置的控制系統時有助於程式化孔徑的大小。基於許多理由，電活性聚合物傳感器用於許多應用系統很理想。例如，由於重量輕及組件極少，電活性聚合物傳感器的輪廓很低，照此用於感覺/觸覺/光學反饋應用系統很理想。
本發明的具體實施例可用各種方法製成。
以下用各種具體實施例詳述電活性聚合物傳感器或用於經定位成與電子元件之表面緊鄰及接觸之致動器以提供回應使用者輸入之觸覺反饋的裝置，以及數種預形成膜片密封件。不過，在描述該等具體實施例之前，第1A圖至第1B圖的俯視透視圖根據本發明之一具體實施例圖示在施加電壓至電極之前及之後的電活性裝置，以及簡要說明通用的電活性聚合物結構以及用於製造此類結構的方法。
因此，請翻到圖示電活性聚合物薄膜或膜片10結構之實施例的第1A圖及第1B圖。薄彈性體介電薄膜或層12夾在柔 性或可拉伸電極板或層14、16之間，從而形成電容結構或薄膜。介電層以及複合物結構的長度“l”及寬度“w”遠大於厚度“t”。較佳地，該介電層的厚度在約10微米至約100微米之間，以及結構的總厚度在約15微米至約10厘米之間。另外，最好選擇電極14、16的彈性模數、厚度及/或幾何使得貢獻給致動器的額外勁度大體小於介電層12的勁度，介電層12有相對低彈性模數，亦即，小於約100MPa，以及小於約10MPa為更佳，但是有可能比電極中之每一個厚。適用於該等柔性電容結構的電極為能夠忍受約大於1%之循環應變(cyclic strain)而不會因機械疲勞而失效者。
由第1B圖可見，當該等電極有電壓時，兩個電極14、16的不同電荷會互相吸引以及有靜電吸引力壓縮介電薄膜12(沿著Z軸)。從而，造成介電薄膜12隨著電場的變化而變位。由於電極14、16是柔性的，它們可跟介電層12一起改變形狀。在本揭示內容的背景下，“變位”係指任何位移、膨脹、收縮、扭轉、線或面積應變，或介電薄膜12之一部份的任何其他變形。取決於使用電容結構10的架構(一起稱作“傳感器”)，例如，框體，這種變位可用來產生機械功。上列專利文獻揭示及描述各種不同的傳感器架構。
在有外加電壓下，傳感器薄膜10繼續變位直到機械力抵消驅動變位的靜電力。機械力包含介電層12的彈性回復力，電極14、16的柔度或拉伸作用，以及由裝置及/或耦合至傳感器10之負荷提供的任何外部抵抗。傳感器10由外加電壓造成的所得變位也取決於許多因素，例如彈性體材料的電介質常數及其大小和勁度。電壓差及感應電荷的去除造成相反效果。
在有些情形下，相對於薄膜的全部面積，電極14及 16可覆蓋介電薄膜12的有限部份。可製作成這樣以防止介電層邊緣附近的電擊穿或實現定製在彼之某些部份的變位。可造成主動區外的介電材料(主動區為介電材料之一部份，它有充分的靜電力使得該部份能夠變位)在變位期間在主動區上起外部彈簧力的作用。更特別的是，主動區外的材料可藉由收縮或膨脹來抵抗或增強主動區的變位。
可預拉緊介電薄膜12。預拉緊改善電能與機械能的轉換，亦即，預拉緊使得介電薄膜12有可能變位更多以及提供更大的機械功。薄膜的預拉緊可描述成預拉緊後之尺寸相對於預拉緊前之尺寸在一方向中的變化。預拉緊可包含介電薄膜的彈性變形，以及，例如，藉由拉伸薄膜使其緊張以及在拉伸時固定邊緣中之一或更多來形成。預拉緊可施加於薄膜的邊界或只有薄膜的一部份以及可用剛性框體或藉由使薄膜之一部份變硬來實現。
第1A圖及第1B圖的傳感器結構以及其他相似柔性結構及其構造物的細節在揭示於本文的許多參考專利及公告中有更完整的描述。
第2A圖圖示有位於剛性框體8間之電活性聚合物傳感器薄膜26的示範電活性聚合物匣盒12，在此電活性聚合物薄膜26暴露框體8的開口。薄膜26的暴露部份包括在匣盒12兩側上之薄彈性電極32的兩雙工作對，在此電極32夾著或包圍薄膜26的暴露部份。電活性聚合物薄膜26可具有任意多個組態。不過，在一實施例中，電活性聚合物薄膜26包含一層薄薄的彈性體介電聚合物(例如，由丙烯酸酯(acrylate)、矽氧樹脂(silicone)、聚氨酯(urethane)、熱塑彈性體、烴類橡膠(hydrocarbon rubber)、含氟彈性體 (fluoroelastomer)、共聚物彈性體(copolymer elastomer)或其類似物製成者)。當各工作對的電性相反電極32(亦即，在薄膜26兩側上的成對電極)有電壓差時，對置電極相互吸引從而壓縮在其間的介電聚合物層26。在對置電極之間的區域被視為主動區。當電極被更靠近地拉在一起時，介電聚合物26隨著在平面方向膨脹(亦即，X、Y軸分量膨脹)而變得更薄(亦即，Z軸分量收縮)(參考第1B圖的軸線)。
此外，在電極含有導電粒子的變體中，分散於各個電極上的同類電荷可能造成埋在該電極內的導電粒子相互排斥，從而促成彈性電極及介電薄膜膨脹。在替代變體中，電極不包含導電粒子(例如，紋理化濺鍍金屬薄膜)。藉此造成介電層26隨著電場的變化而變位。由於電極材料也是柔性的，電極層跟著介電層26一起改變形狀。由上述，變位係指任何位移、膨脹、收縮、扭轉、線或面積應變，或介電層26之一部份的任何其他變形。此變位可用來產生機械功。如圖示，介電層26也可包含一或更多機械輸出條(mechanical output bar)34。條34可視需要提供用於慣性質量(如下述)或者是用於直接耦合至電子媒體裝置之基板的附接點。
在製造傳感器時，通常可用剛性框體8拉伸彈性薄膜26以及使其處於預拉緊狀態。在使用四邊框體的變體中，可雙軸向拉伸該薄膜。已發現，預拉緊可改善聚合物層26的介電強度，從而使得它能夠使用較高的電場以及改善電能與機械能的轉換，亦即，預拉緊使得薄膜有可能變位更多以及提供更大的機械功。在預拉緊聚合物層之後施加電極材料為較佳，但是可在之前施加。設於層26之同側的兩個電極，在此被稱為同側電極對，亦即，在介電層26之正面上的電極與在介電層26之下側上的電極，可互相電氣隔離。 在聚合物層之相對兩面上的對置電極形成兩組工作電極對，亦即，被電活性聚合物薄膜26隔開的電極形成一個工作電極對，以及包圍鄰接暴露電活性聚合物薄膜26的電極形成另一個工作電極對。各同側電極對可具有相同的極性，而各工作電極對中之電極的極性彼此相反。各電極有組態成可電性連接至電壓源的電接觸部。
在此變體中，電極32與電壓源的連接經由有可連接至電壓源之對應極點之引線22、24的軟質連接器30。匣盒12也包含導電通孔(conductive via)18、20。導電通孔18、20可提供一種手段以取決於電極的極性，各自用引線22或24來電氣耦合電極8。
圖示於第2A圖的匣盒12顯示三條式致動器組態(three-bar actuator configuration)。不過，描述於本文的裝置及方法不受限於任何特定組態，除非特別聲明。條34的數目取決於想要用於所欲應用系統的主動區為較佳。主動區的總數，例如，電極之間的總面積數，可隨著致動器企圖移動的質量及所欲運動頻率而改變。在一實施例中，條數的選擇用以下方式決定：首先評估待移動物件的大小，然後確定該物件的質量。然後，得到致動器設計係藉由組態會以所欲頻率範圍來移動該物件的設計。顯然，在本揭示內容的範疇內有任意多種致動器設計。
然後，可用許多不同的途徑來形成用於描述於本文之方式及裝置的電活性聚合物致動器。例如，形成電活性聚合物可藉由堆疊許多匣盒12在一起，使單一匣盒有多層，或使多個匣盒有多層。製造及良率上的考量偏愛堆疊數個單一匣盒在一起以形成電活性聚合物致動器。這樣做時，維持匣盒的電氣連接可藉由電氣耦合通孔18、20在一起藉此耦合相鄰的匣盒至同一個電壓源或電源供應 器。
第2A圖的匣盒12包含用單一介電層26分離的3對電極32。在一變體中，如第2B圖所示，兩個或更多匣盒12堆疊在一起以形成耦合至慣性質量50的電活性致動器14。替換地，通過過渡附接板或框體，電活性致動器14可直接耦合至電子媒體裝置。如下述，電活性致動器14可放在允許致動器按需要移動的空腔52。袋體52可直接形成於觸覺盒的殼體中。替換地，袋體52可形成於位在裝置之殼體內的獨立盒56中。以後者而言，可基於致動器14的需要來選擇獨立盒56的材料性質。例如，如果觸覺殼體總成的主體是可撓的，可使獨立盒56呈剛性以提供電活性致動器及/或質量50的保護。在任何情況下，描述於本文之方式及裝置的變體包括空腔52的尺寸有充分的餘隙以允許致動器14及/或質量50移動，但是有夠緊的公差使得空腔52障壁(例如，觸覺殼體或獨立盒56)用作防止電活性致動器14過度移動的極限。此特徵防止致動器14的主動區過度位移而可能縮短致動器的壽命或者損傷致動器。
在揭示及併入參考資料的共同受讓專利及專利申請案中可找到電活性聚合物薄膜的其他實施例。
第3A圖的剖視圖根據本發明之一具體實施例圖示活動面板系統100，其係包含容納於殼體102內的活動面板104。活動面板系統100的活動面板104容納在殼體102內，其係裝在軸承108上以允許與剖切平面垂直地移動。跨越面板104表面與殼體102之間隙110的預形成膜片106在活動面板系統100的內部112與外部114之間提供密封件。活動面板系統100的活動面板104也可裝在彎曲件(flexure)上以允許與剖切平面垂直地移動。
在一具體實施例中，活動面板系統100的面板104為包含活動表面的電子元件。預形成膜片106包含經形成有弛度而且位於電子元件之面板104活動表面與殼體102支撐面之間的彈性體薄膜。根據本發明各種具體實施例的預形成膜片106從外部114密封面板104的內部112同時對於活動面板系統100只增加可忽略的阻尼力。預形成膜片106在不限制面板104的運動下抵抗操作環境對於活動面板系統100之壽命的影響。在一實施例中，預形成膜片106位於活動觸控顯示器面板104的表面及殼體102之間。在另一實施例中，預形成膜片106位於鍵盤的表面及殼體102之間，例如，已知商品名稱為MICROSOFT表面鍵盤的扁平膜片型鍵盤。
在各種具體實施例中，預形成膜片106由細薄的彈性體薄膜或膜片構成，其係經形成在面板104(例如，顯示器或鍵盤元件)的表面與殼體102的支撐面之間有弛度。在一具體實施例中，預形成膜片106薄而且有弛度曲率以促進低力運動。預形成膜片106的具體實施例提供優於典型發泡墊片、迷宮密封件或膜片密封件的優點。例如，本發明預形成膜片106不會抵著裝置的表面壓縮而跟習知發泡墊片密封件一樣地增加過度的磨擦。此外，本發明預形成膜片106製作簡單而且不需要高公差，對比之下，習知迷宮密封件製作複雜、需要高公差、未如所欲那麼有效、以及可能增加磨擦。另外，本發明預形成膜片106在膜片106剪切方向可撓，這與在膜片剪切方向硬挺的習知膜片密封件相反。以下用第8圖及第9圖描述逼近預形成膜片106處於彎曲及剪切模式時之勁度特性的模型。
此時回到第3A圖，在各種具體實施例中，本發明的預形成膜片106薄且可撓以及可經鑄造、模造或熱成形成可橋接外 殼102與面板104的間隙110。面板104可包含活動表面，例如活動面板系統100的顯示器、觸控螢幕或鍵盤。藉由在預形成膜片106中需要撓曲的部份(亦即，橋接部份)提供充分的弛度，本發明的預形成膜片106避免顯著的阻尼力加入活動面板系統100的活動部份。
根據本發明，預形成膜片106的優點包括但不限於：更好地密封顯示器或鍵盤系統或有活動組件(例如，活動面板系統100)之任何適當電子總成的內部空間112。在各種具體實施例中，根據本發明的預形成膜片106提供防塵及/或防潮密封件，這可改善活動面板系統100用於布滿灰塵、水分或碎屑之環境的壽命。本發明預形成膜片106提供密封功能而不使用與系統之活動部件接觸會誘發磨擦的壓縮墊片(例如，PORON聚氨酯發泡材)。本發明預形成膜片106也不明顯抵抗運動，從而在使用現有的低功率電活性聚合物致動器時允許觸覺運動發生。
第3B圖的剖視圖根據本發明之一具體實施例圖示第3A圖的活動面板系統150，其係容納於有耦合至活動面板104之電活性聚合物致動器總成150的殼體102內。電活性聚合物致動器總成150包含數個電活性聚合物致動器以在用電壓差使其通電時移動活動面板104，如在說明第1A圖、第1B圖、第2A圖、第2B圖時所述，例如。以下用第4圖描述電活性聚合物致動器總成150的一具體實施例。
第4圖的上視圖根據本發明之一具體實施例圖示電活性聚合物致動器總成200。電活性聚合物致動器總成200包含至少一或多個個別電活性聚合物致動器202，如在說明第1A圖、第1B 圖、第2A圖、第2B圖時所述。電活性聚合物致動器202包含使電活性聚合物致動器202之電極電氣連接至電壓源的軟質連接器204。在一具體實施例中，軟質連接器204有可連接至電壓源之相反兩極的引線。如第4圖所示的電活性聚合物致動器總成200，電活性聚合物致動器202在安裝底板206上排列成矩陣組態。安裝底板206包含形成於安裝底板206的凹槽208以接受包含軟質連接器204的電活性聚合物致動器202。
應瞭解，額外或不多的電活性聚合物致動器202可裝設於電活性聚合物致動器總成200中。在一具體實施例中，可將電活性聚合物致動器202組態成可獨立操作。在另一具體實施例中，可將兩個或更多個電活性聚合物致動器202組態成可同時操作以放大力，例如。在其他具體實施例中，可將電活性聚合物致動器202組態成可提供局部反饋。此外，在其他具體實施例中，兩個以上的電活性聚合物致動器總成200可位在物件的不同側面上以及被組態成可以雙相組態操作。例如，一或更多電活性聚合物致動器202可位於物件的相反兩面上以及驅動電活性聚合物致動器202以使物件經受不同的力，例如扭力。在另一實施例中，一或更多電活性聚合物致動器202可位於物件的相鄰表面上以及驅動它使物件經受不同的力。這些力包含剪力、彎曲、扭力、以及其他的力。
電活性聚合物致動器總成200係經組態成可與活動元件緊鄰及接觸地安裝，例如，第3A圖的面板104、觸控顯示器面板、鍵盤(例如，已知商品名稱為MICROSOFT表面鍵盤的扁平膜片型鍵盤)、以及其他活動面板。在一具體實施例中，電活性聚合物致動器總成200可位於觸控螢幕、底盤之間或可位於鍵盤總成與底盤之間。 在一具體實施例中，電活性聚合物致動器總成200的每個鍵盤按鍵包含至少一電活性聚合物致動器202。在其他具體實施例中，數個鍵盤按鍵可共享至少一電活性聚合物致動器202。電活性聚合物致動器202可排列成任何適當圖案。
第5圖的展開圖根據本發明之一具體實施例圖示包含位於活動元件302、殼體304間之電活性聚合物致動器總成200(第4圖)的系統總成300。在一具體實施例中，在活動元件302(例如，鍵盤總成及/或觸控顯示器)與可由例如熱塑料製成的殼體304之間，可模造及密封電活性聚合物致動器總成200。在一具體實施例中，活動元件302包含含有按鍵、感測器及板上電子產品的鍵盤總成。電活性聚合物致動器總成200或任何前述變體位於鍵盤總成(例如，活動元件302)與底盤(例如，殼體304)之間。電活性聚合物致動器總成200經定位成它們與鍵盤總成的下面部分接觸以提供回應由使用者啟動之力的觸覺反饋，例如按下鍵盤總成的按鍵元件中之一者。在其他具體實施例中，系統總成300的活動元件302包含活動觸控顯示器，取代/或除了鍵盤總成外。電活性聚合物致動器總成200電氣耦合至電壓源以經由軟質連接器204來開動個別致動器202，如在說明第1A圖、第1B圖、第2A圖、第2B圖及第3圖時所述。
在第5圖的具體實施例中，電活性聚合物致動器總成200或彼之任何前述變體係位於MICROSOFT表面型鍵盤下以提供回應使用者輸入的觸覺反饋。在此實作中，在鍵盤下的電活性聚合物致動器總成200會增加系統總成300的總高度，但是在其他實作中，藉由使電活性聚合物致動器總成200位於系統總成300旁邊(例如，側向部份)有可能最小化系統總成300之高度的任何增加。
系統總成300也可包含如在說明第3A圖時所述的預形成膜片106密封件。預形成膜片106提供緊密可撓密封件以在不限制活動元件302(例如，鍵盤總成及/或觸控顯示器)的運動下抵抗操作環境對於系統總成300之使用壽命的影響。
第6圖根據本發明之一具體實施例圖示包含系統總成300(第5圖)及接受平板電腦之插槽連接器(slot connector)402的電子鍵盤總成400。系統總成300包含如以上在說明第4圖時所述的電活性聚合物致動器總成200及其任何變體，其係位於小鍵盤總成302、殼體304之間。小鍵盤總成302包含多個按鈕或按鍵404，或至少一按鈕或按鍵404。插槽連接器402係經組態成可接受例如平板電腦。如前述，電活性聚合物致動器總成200包含通過軟質連接器204電氣連接至電壓源的數個電活性聚合物致動器202。至少一電活性聚合物致動器202經定位成緊鄰、毗鄰或在按鍵404下面以提供回應由使用者啟動之力的觸覺反饋，例如按下小鍵盤總成302的按鍵404中之一者。
第7圖根據本發明之一具體實施例圖示包含連接至平板電腦502之電子鍵盤總成400(第6圖)的系統總成500。如以上在說明第5圖時所述，系統總成300包含如以上在說明第4圖時所述位於小鍵盤總成302、殼體304之間的電活性聚合物致動器總成200。小鍵盤總成302包含多個按鈕或按鍵404，或至少一按鈕或按鍵404。插槽連接器402係經組態成可接受例如平板電腦502。系統總成300包含如以上在說明第4圖時所述的電活性聚合物致動器總成200及其任何變體，其係位於小鍵盤總成302、殼體304之間。該小鍵盤總成包含多個按鈕或按鍵404，或至少一按鈕或按鍵404。插槽連接 器402係經組態成可接受例如平板電腦。如以上在說明第4圖時所述，電活性聚合物致動器總成200包含通過軟質連接器204電氣連接至電壓源的數個電活性聚合物致動器202。至少一電活性聚合物致動器202經定位成緊鄰、毗鄰或在按鍵404下面以提供回應由使用者啟動之力的觸覺反饋，例如按下小鍵盤總成302的按鍵404中之一者。平板電腦502也可包含電活性聚合物致動器總成200，其係包含通過軟質連接器204電氣連接至電壓源的數個電活性聚合物致動器202以提供回應由使用者啟動之力的觸覺反饋，例如按下小鍵盤總成302的按鍵404中之一者.
第8圖圖示梁體602在彎力F沿著x方向作用於梁體602的影響下的變位模型。梁體602有高度“h”、長度“y”及寬度“w”，以及在彎力F沿著x方向作用於梁體602的影響下。
在x方向的彎力F、彈性模數E及面積慣性矩I下，給出梁體602的彈性變位kb係數：，在此
第9圖圖示梁體604在剪切力F沿著x方向作用於梁體604的影響下的變位模型。梁體模型602定義為有高度“h”、長度 “x”及寬度“w”的梁體，以及在x方向施加剪切力F。
在x方向的剪切力F、彈性模數E及面積慣性矩I下，給出梁體604的彈性變位ks係數：
以不可壓縮材料而言，E=3G 此時參考第8圖及第9圖，總彈性變位係數kt為彎曲彈性變位係數kb與剪力彈性變位係數ks的總合如下：kt=kb+ks
根據高寬比來簡化
該方程式清楚顯示決定墊片剪切勁度的首因是高寬比。為了圖解說明，用有軟聚合物典型楊氏模量(E=1x106 Pascal)的材料製成一米平方的墊片(x=1，以及y=1)。此時比較兩個墊片。第一墊片代表寬度10倍大於高度的先前技術，因此(a=0.1)。方程式代入數值，得到勁度等於kprior=2.5x108N/m。第二個是本發明墊片，其係由容積與第一墊片相同的材料構成，但是它做成高度10 倍大於其厚度的膜片(a=10)。代入後，發現新墊片的勁度等於kinvention=3.4 x104N/m。比較這兩個彈簧率(spring rate)的指數(分別為108、104)，可注意到本發明的薄墊片比先前技術墊片更容易運動幾乎有10,000倍。因此，本發明墊片的壁厚小於墊片高度之約10%是有利的。
雖然此一簡化分析忽略剪切挫曲(shear buckling)在薄板中的複雜性，然而它涉及範圍很大(數量級效應)，因此充分指出設計在剪切下容易運動之墊片的方向。提供有弛度的墊片使得墊片可鬆鬆地定位，(參考第3B圖的彎度106)，確保膜片沒有任何部份被拉成有純張力。本發明墊片可變位以允許與其附接的元件以小於1E5N/m的彈簧率相對運動是有利的。
關於本發明之其他細節，如在熟習相關技術者之水平內，可使用材料及替代之相關組態。在如一般地使用或在邏輯上使用之額外動作方面，關於基於方法的本發明方面，上述情況可保持成立。此外，儘管已用視需要加入各種特徵的數個實施例來描述本發明，然而本發明不受限於經描述或陳明者，因為預期這些與本發明的各個變體有關。本發明可做出各種變化以及可置換等價物(不論本文有提及或者是為求說明簡潔而省略)而不脫離本發明的真正精神及範疇。任意多個個別部件或圖示子總成在設計中可整合。裝配設計的原理可保證及指導此類變化或其他。
此外，吾等預期可單獨或與本文中所闡述之特徵中之任一或更多者結合地提出及主張所描述之本發明變體的任一可選特徵。單數項目包括存在複數個相同項目之可能性。更具體而言，除非本文另有具體說明，否則本文及隨附申請專利範圍中所用的單數 形式「一(a)」、「一個(one)」、「該(said)」及「該(the)」包含複數個指涉對象。換言之，使用該等冠詞允許在上文之說明以及下文之申請專利範圍中存在「至少一個」標的物項目。進一步注意，可起草申請專利範圍以排除任一可選元件。就這點而論，此陳述旨在用作使用例如「單獨」、「唯一」之排他性術語及與敍述主張元件相關之類似術語或使用一「否定」限制之先行基礎。在不使用此排他性術語之情形下，申請專利範圍中之術語「包括」將允許包含任一額外元件-不管申請專利範圍中列舉給定數目個元件還是一特徵之添加可視為變換申請專利範圍中所闡明之一元件之性質。除非本文中另有陳述、具體界定，否則本文中所使用之所有技術及科學術語在維持申請專利範圍有效性之同時被賦予盡可能寬廣之一共知含義。
以下編號子句列出描述於本文之專利標的的各種方面：
1.一種設備，其係包含：一殼體；包含一表面之一元件；以及一預形成膜片，其係位於該表面與該殼體之間以及在該表面與該殼體之間形成一密封件。
2.如第1句所述之設備，其中該預形成膜片有小於該膜片高度之十分之一的壁厚以及包含一弛度曲率以促進低力運動。
3.如第1句所述之設備，其中該預形成膜片變位以允許表面與殼體以一個小於1E5N/m的彈簧率相對運動。
4.如第1句所述之設備，其中該預形成膜片包含一彈性體薄膜。
5.如第1句所述之設備，其中該預形成膜片小於1毫米厚，以及可撓，而且經組態成可橋接該殼體與該元件的間隙。
6.如第1句所述之設備，其中該預形成膜片係由實質上為下列各種方法組成之群組選出之方法所形成的：鑄造法、模造法、或熱成形法、以及彼等之任何組合。
7.如第1句所述之設備，其更包含至少一彎曲件或軸承，其中該元件容納於該殼體內以及裝在該至少一彎曲件或軸承上以允許該元件運動。
8.如第1句所述之設備，其更包含：至少一電活性聚合物致動器，其係經定位成與包含該表面之該元件緊鄰及接觸以提供回應使用者之刺激的觸覺反饋。
9.如第8句所述之設備，其中該至少一電活性聚合物致動器位於該元件的該表面與該殼體之間。
10.如第8句所述之設備，其中該至少一電活性聚合物致動器位於該元件的該表面及該殼體旁邊。
11.如第8句所述之設備，其更包含位於該元件之該表面之相對兩面上的至少兩個電活性聚合物致動器。
12.如第8句所述之設備，其更包含至少兩個電活性聚合物致動器，其中至少一電活性聚合物致動器位於該元件之該表面的一面上，以及至少一電活性聚合物致動器位於該元件的一側面上。
13.如第8句所述之設備，其中該元件為一鍵盤或小鍵盤。
14.如第8句所述之設備，其中該元件為一觸控螢幕或顯示器。
10‧‧‧電活性聚合物薄膜或膜片
12‧‧‧薄彈性體介電薄膜或層
14、16‧‧‧柔性或可拉伸電極板或層
l‧‧‧長度
t‧‧‧厚度
w‧‧‧寬度

Claims (14)

  1. 一種設備，其係包含：一殼體；包含一表面的一元件；以及一預形成膜片，其係位於該表面與該殼體之間以及在該表面與該殼體之間形成一密封件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該預形成膜片有一個小於該膜片高度之十分之一的壁厚以及包含一弛度曲率(curvature of slack)以促進低力運動(low force movement)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該預形成膜片變位以允許表面與殼體以一個小於1E5N/m的彈簧率相對運動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該預形成膜片包含一彈性體薄膜。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該預形成膜片小於1毫米厚，以及可撓，而且經組態成可橋接該殼體與該元件的一間隙。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該預形成膜片係由實質上為下列各種方法組成之群組選出之方法所形成的：鑄造法、模造法、或熱成形法、以及彼等之任何組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其更包含至少一彎曲件(flexure)或軸承，其中該元件容納於該殼體內以及裝在該至少一彎曲件或軸承上以允許該元件運動。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其更包含至少一電活性聚合物致動器，其係經定位成與包含該表面之該元件緊鄰及接觸 以提供回應使用者之刺激的觸覺反饋。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該至少一電活性聚合物致動器位於該元件的該表面與該殼體之間。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該至少一電活性聚合物致動器位於該元件的該表面及該殼體旁邊(laterally)。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其更包含位於該元件之該表面之相對兩面上的至少兩個電活性聚合物致動器。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其更包含至少兩個電活性聚合物致動器，其中至少一電活性聚合物致動器位於該元件之該表面的一面上，以及至少一電活性聚合物致動器位於該元件的一側面上。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該元件為一鍵盤或小鍵盤。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該元件為一觸控螢幕或顯示器。
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