無框致動器設備、系統(tǒng)和方法
【專利摘要】公開一種薄膜致動器。該致動器包括無框致動器薄膜。無框致動器薄膜包括設置在第一與第二電極之間的至少一個彈性介電薄膜，施加在無框致動器薄膜的一側(cè)上的至少一個粘合劑。它還能夠包括施加在無框致動器薄膜的相對側(cè)上的第二粘合劑。公開一種制作致動器的方法。還公開一種可配置致動器元件。
【專利說明】無框致動器設備、系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請的交叉引用
本申請根據(jù)35 USC § 119(e)要求2011年I月18日提交的標題為“FRAME-LESSDESIGN CONCEPT AND PROCESS”的美國臨時專利申請?zhí)?1/433640,2011年2月15日提交的標題為 “FRAME-LESS DESIGN” 的 61/442913、2011 年 3 月 I 日提交的標題為 “FRAMELESSACTUATOR, LAMINATION AND CASING” 的 61/447827、2011 年 4 月 21 日提交的標題為“FRAMELESS APPLICATION” 的 61/477712 以及 2011 年 10 月 10 日提交的標題為 “ANALTERNATIVE TO Z-MODE ACTUATORS”的61/545292的權益，通過引用將其每個的全部公開結(jié)合于此。
【技術領域】
[0002]在各個實施例中，本公開一般涉及用于結(jié)合薄膜電活性聚合物裝置的設備、系統(tǒng)和方法。更具體來說，本公開涉及用于移動和/或振動裝置的表面和組件的無框致動器模塊。具體來說，本公開涉及一種無框觸覺反饋模塊，該無框觸覺反饋模塊能夠與用于移動和/或振動裝置的表面和組件的裝置集成。
【背景技術】
[0003]一些手持裝置和游戲控制器采用常規(guī)觸覺反饋裝置，該常規(guī)觸覺反饋裝置使用小振動器、通過在進行視頻游戲的同時向用戶提供力反饋振動來增強用戶的游戲體驗。支持特定振動器的游戲能夠使裝置或游戲控制器在選擇情況中、例如在用武器射擊或者受到傷害時進行振動，以便增強用戶的游戲體驗。雖然這類振動器足以傳遞大引擎和爆炸的感覺，但是它們是相當單調(diào)的，并且要求較高的最小輸出閾值。相應地，常規(guī)振動器無法充分再現(xiàn)引起諸如按鈕點擊之類的特定觸 覺效果的出色振動或者非周期運動。除了低振動響應帶寬之外，常規(guī)觸覺反饋裝置的附加限制包括在附連到諸如智能電話或游戲控制器之類的裝置時的龐大和笨重。
[0004]為了克服常規(guī)觸覺反饋裝置所遭遇的這些及其它難題，本公開提供包括介電彈性體的基于電活性聚合物人工肌肉(EPAM?)的無框致動器模塊，介電彈性體具有制作反應迅速并且緊湊的無框觸覺裝置所需的帶寬和能量密度。這些無框致動器模塊可在多種應用中得到應用，而并不局限于觸覺反饋。這類基于EPAM?的無框觸覺反饋模塊包括薄片，薄片包括夾在兩個電極層之間的介電彈性體薄膜。當高電壓施加到電極時，兩個吸合電極壓縮被激勵區(qū)域中的膜厚度?；贓PAM ?的無框致動器裝置提供一種細長低功率致動器模塊，該致動器模塊能夠放置在活動懸架上的慣性質(zhì)量(通常為電池或觸摸表面)下面，以便生成能夠由用戶感知的觸覺反饋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一個實施例中，提供一種無框致動器。該無框致動器包括一種無框致動器，其中包括設置在第一與第二電極之間的至少一個彈性體介電薄膜。第一壓敏粘合劑施加在無框致動器薄膜的一側(cè)上。第二壓敏粘合劑施加在無框致動器薄膜的相對側(cè)上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]為了進行說明而不是限制，現(xiàn)在將結(jié)合附圖來描述本發(fā)明，其中:
圖1是按照一個實施例的致動器系統(tǒng)的剖面圖。
[0007]圖2是示出操作原理的致動器系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。
[0008]圖3示出與圖1所示致動器模塊相似的、包括剛性框架和分隔段的致動器的一個實施例。
[0009]圖4示出本文中稱作無框致動器的沒有框架結(jié)構(gòu)的致動器的一個實施例。
[0010]圖5是與圖4所示無框致動器相似的無框二層(2L)致動器的一個實施例的安裝過程的流程圖。
[0011]圖6是二層無框致動器薄膜、例如按照圖4和圖5所示實施例的致動器薄膜的一個實施例的印刷和組裝過程的流程圖。
[0012]圖7示出包括彎曲頂板、彎曲底板以及滑動地附連在它們之間的無框致動器的彎曲形狀因數(shù)致動器模塊。
[0013]圖8是無框致動器的一個實施例的分解圖。
[0014]圖9A、圖9B、圖9C和圖9D示出用于構(gòu)成具有以下如圖11所示的可拋棄框架的二層(2L)致動器模塊的過程的一個實施例。
[0015]圖10示出用于構(gòu)成具有以下如圖12所示的可拋棄壓敏粘合劑的二層(2L)致動器模塊的一個實施例的過程的一個實施例。
[0016]圖11是包括可拋棄框架的無框致動器的一個實施例的側(cè)截面圖。
[0017]圖12是包括作為框架的壓敏粘合劑的無框致動器的一個實施例的側(cè)截面圖。
[0018]圖13是包括具有可拋棄框架的多個單獨無框致動器的印刷無框致動器的一個實施例的集合。
[0019]圖14示出分割無框致動器的一個實施例，其中可拋棄框架仍然被附連以在分割之后保持預應變薄膜。
[0020]圖15示出附連到襯底的無框致動器和可拋棄框架的切掉的一個實施例。
[0021]圖16是具有在三側(cè)圍繞致動器薄膜的印刷擴展壓敏粘合劑的無框致動器的一個實施例的局部分解圖。
[0022]圖17示出切割為限定預切割輪廓的九個獨立單元的封裝箔的一個實施例。
[0023]圖18示出包括設計成易于接合到封裝箔的另一部分的切割圖案的封裝箔的一個實施例。
[0024]圖19示出對齊到圖18所示預切割封裝箔并且準備好通過真空進行層疊的四致動
器薄膜層。
[0025]圖20示出在致動器薄膜被切割并且與封裝箔拉伸框架分離之后的圖19所示致動
器薄膜。
[0026]圖21示出圖19所示的封裝箔，其中一個剩余致動器薄膜致動器留在拉伸框架中。
[0027]圖22示出從圖19所示封裝箔拉伸框架移開的九個致動器薄膜致動器中的八個。
[0028]圖23是無框致動器到頂板和底板以及此后經(jīng)過壓縮的一個實施例的安裝過程的流程圖。
[0029]圖24A-24F示出安裝在彎曲表面上的無框致動器的各個實施例。
[0030]圖25A和圖25B示出可配置致動器元件的一個實施例。
[0031]圖26是如圖25A、圖25B所示的可配置致動器元件陣列的一個實施例。
[0032]圖27是各種加框致動器以及按照本公開的無框致動器的各個實施例的慣性驅(qū)動時間響應的圖形表示。
[0033]圖28是各種加框致動器以及按照本公開的無框致動器的各個實施例的慣性驅(qū)動頻率響應的圖形表示。
[0034]圖29是各種三條加框致動器以及按照本公開的三條無框致動器的各個實施例的慣性驅(qū)動時間響應的圖形表示。
[0035]圖30是各種三條加框致動器以及按照本公開的三條無框致動器的各個實施例的慣性驅(qū)動頻率響應的圖形表示。
【具體實施方式】
[0036]在詳細說明所公開實施例之前，應當注意，所公開實施例的應用或使用并不局限于附圖和描述中所示的部件的構(gòu)造和布置的細節(jié)。所公開實施例可在其它實施例、變化和修改中實現(xiàn)或者結(jié)合，并且可按照各種方式來實施或執(zhí)行。此外，除非另加說明，否則本文所采用的術語和表達為了方便讀者而選擇用于描述說明性實施例，而并不是為了對其進行限制。此外，應當理解，所公開實施例、實施例的表達以及示例中的任何一個或多個能夠非限制性地與其它所公開實施例、實施例的表達以及示例中的任一個或多個相結(jié)合。因此，一個實施例中公開的元件與另一個實施例中公開的元件的組合被認為處于本公開和所附權利要求書的范圍之內(nèi)。
[0037]本公開提供基于電活性聚合物人工肌肉(EPAM?)的無框裝置的各個實施例。在開始描述包括基于EPAM ?的無框致動器模塊的各種裝置之前，本公開簡要地參照圖1，圖1是可與手持裝置(例如裝置、游戲控制器、控制臺等)整體結(jié)合以增強輕便小巧模塊中的用戶觸覺反饋體驗的致動器系統(tǒng)的剖面圖。相應地，現(xiàn)在參照固定板類型致動器模塊100來描述致動器系統(tǒng)的一個實施例。致動器在由高電壓激勵時使輸出板102 (例如滑動表面)相對于固定板104(例如固定表面)滑動。板102、104通過鋼珠來分隔，并且具有將移動限制到預期方向、限制行進并且耐受跌落試驗的特征。為了集成到裝置中，頂板102可附連到慣性質(zhì)量，例如電池或裝置的觸摸表面、屏幕或顯示器。在圖1所示實施例中，致動器模塊100的頂板102由安裝到慣性質(zhì)量的滑動表面或者如箭頭106所示能夠雙向移動的觸摸表面的背面來組成。在輸出板102與固定板104之間，致動器模塊100包括至少一個電極108、至少一個分隔段110以及附連到滑動表面、例如頂板102的至少一個條112。剛性框架114和分隔段110附連到固定表面、例如底板104。致動器模塊100可包括配置為陣列的任何數(shù)量的條112，以便放大滑動表面的運動。致動器模塊100可經(jīng)由撓性電纜116耦合到致動器控制器電路的驅(qū)動電子器件。
[0038]基于EPAM?的致動器模塊10的優(yōu)點包括向用戶提供更逼真感受的力反饋感覺，該力反饋感覺能夠基本上立即感受，消耗明顯更少電池使用壽命，并且適合于可定制設計和性能選項。致動器模塊100表不由Artificial Muscle Inc.(AMI) (Sunnyvale,CA)所研制的致動器模塊。
[0039]仍然參照圖1，致動器模塊100的許多設計變量(例如厚度、占用面積)可根據(jù)模塊集成者的需要來固定，而其它變量(例如介電層數(shù)量、工作電壓)可根據(jù)成本來限制。將占用面積(相對地)分配給剛性支承結(jié)構(gòu)與活動介電致動器幾何結(jié)構(gòu)是使致動器模塊10的性能適應其中致動器模塊100與裝置集成的應用的適當方式。
[0040]在與此同一日期提交的標題為“FLEXURE APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD”的共
同受讓和同時提交的國際PCT專利申請N0.PCT/US2012/_中描述了與用于移動和/
或振動裝置的表面和組件的裝置集成的觸覺反饋模塊的附加公開，通過引用將其完整公開結(jié)合于此。
[0041]圖2是示出操作原理的致動器系統(tǒng)200的一個實施例的示意圖。致動器系統(tǒng)200包括電耦合到致動器模塊204、示為低電壓直流(DC)電池的電源202。致動器模塊204包括設置在(例如夾在)兩個導電電極208A、208B之間的薄彈性電介質(zhì)206。在一個實施例中，導電電極208A、208B是可拉伸的(例如適形的)，并且可使用任何適當技術、例如絲網(wǎng)印刷來印刷在彈性電介質(zhì)206的頂部和底部。致動器模塊204通過閉合開關212以將電池202耦合到致動器電路210來激活。致動器電路210將低DC電壓VBatt轉(zhuǎn)換為適合于驅(qū)動致動器模塊204的高DC電壓Vin。當高電壓Vin施加到導電電極208A、208B時，彈性電介質(zhì)206在靜電壓力下沿垂直方向(V)收縮以及沿水平方向(H)膨脹。彈性電介質(zhì)206的收縮和膨脹能夠作為運動來利用。運動或位移量與輸入電壓Vin成比例。運動或位移可通過致動器或者多個致動器的適當配置來放大，如與此同一日期提交的標題為“FLEXURE APPARATUS,
SYSTEM, AND METHOD”的共同轉(zhuǎn)讓和同時提交的國際PCT專利申請N0.PCT/US2012/_
中所述，通過引用將其完整公開結(jié)合于此。
[0042]本公開中描述無框致動器模塊的各個實施例。圖3示出與圖1所示致動器模塊100相似的、包括剛性框架302和分隔段304的致動器300的一個實施例。致動器300是三條致動器，例如其中每個條包括耦合到剛性框架302的電極310和彈性電介質(zhì)312。將會理解，致動器300根據(jù)預期的機械放大水平可包括一個或多個條。激活能量源耦合到電輸入端子306A、306B。致動器300的剛性框架302結(jié)構(gòu)促成致動器300的總厚度。在各個實施例中，致動器300對于二層裝置可具有大約400 μπι±50 μ m的總厚度，并且包括安裝壓敏粘合劑(PSA)，總厚度對于二層裝置為500 μπι±50 μ m，例如，其中框架302的厚度范圍可從大約280 μ m至大約320 μ m。相應地，為了顯著減小致動器300的總厚度，可去除框架302結(jié)構(gòu)，因為它是致動器300的總厚度的主要促成因素。沒有框架結(jié)構(gòu)302的致動器的一個實施例在本文中稱作無框致動器，如圖4所示。對于采用壓敏粘合劑的實施例，無框致動器可薄至200 μ m。
[0043]圖4是無框致動器400的一個實施例的分解圖。無框致動器400包括第一防粘襯里402和第二防粘襯里404。致動器薄膜406分別通過第一印刷壓敏粘合劑416和第二印刷壓敏粘合劑414以粘合方式附連到第一和第二防粘襯里402、404。在各個實施例中，致動器薄膜406可包括一層或多層。非限制性地，在一個實施例中，致動器薄膜406可包括兩層(2L)，以及在其它實施例中，致動器薄膜406可包括四層(4L)。在所示實施例中，致動器薄膜406包括三條，其中每個條408包括電極410、彈性電介質(zhì)406和輸入端子412A、412B。電極處于薄膜的兩側(cè)上，但是它可能在一側(cè)上為公共地(無圖案)。將會理解，致動器薄膜406根據(jù)預期的機械牽連水平可包括一個或多個致動器條。在一個實施例中，致動器薄膜406經(jīng)過預應變。下面描述組裝期間在沒有使薄膜回卷的情況下保持預應變薄膜406的各種方法。防粘襯里402、404充當用于壓敏材料的基礎層并且服務于若干目的。在那些目的之中，防粘襯里使用壓敏粘合劑的粘附力來保持預應變薄膜，以及襯里保護基礎粘合層，直到致動器400準備好施加到裝置。當致動器400準備好施加到裝置時，防粘襯里402、404還應當易于去除。相應地，如以下更詳細論述，應當平衡防粘襯里402、404和壓敏粘合劑414、416的性質(zhì)。
[0044]圖5是與圖4所示無框致動器400相似的無框二層(2L)致動器的一個實施例的安裝過程的流程圖500。無框二層致動器安裝到包括頂板504和底板502的剛性框架，以便形成能夠耦合到裝置的剛性頂板和底板的致動器模塊。致動器400按照三個安裝階段以參考標號400A、400B、400C示出，其中無框致動器400A最初提供有第一和第二防粘襯里402、404。圖5所示無框致動器400A的實施例是包括第一防粘襯里402和第二防粘襯里404的預應變薄膜類型致動器400A。壓敏粘合劑414以可釋放方式將第二防粘襯里404附連到第一介電薄膜506，而壓敏粘合劑416以可釋放方式將第一防粘襯里402附連到第二介電薄膜508。膜間粘合劑510將第一介電薄膜506附連到第二介電薄膜508?？扇コ龎好粽澈蟿?12附連到第二防粘襯里404。釋放層514附連到第一介電薄膜506。在圖5所示的配置中，第一與第二防粘襯里402、404之間的無框二層(2L)致動器400A的部分的厚度“d”在大約175 μ m至大約215 μ m的范圍之內(nèi)。
[0045]在一個實施例中，在過程516，從致動器400A去除第一防粘襯里402以提供致動器400B，致動器400B通過壓敏粘合劑416附連、例如粘附到底板502。因此，致動器400B固定地耦合到底板502。
[0046]一旦致動器400B固定地耦合到底板502，在一個實施例中，在過程518，從致動器400B去除第二防粘襯里404以提供致動器400C，致動器400C附連、例如粘附到頂板504。要注意，可去除壓敏粘合劑512在通過適當選擇釋放能量被去除時保持為附連到第二防粘襯里404，如下所述。致動器400C這時包括以粘合方式附連到底板502的第一介電薄膜506以及以粘合方式附連到頂板504的第二介電薄膜508。如前面所述，第一和第二介電薄膜506,508通過膜間粘合劑510以粘合方式來耦合。釋放層514保持為附連到與頂板504的內(nèi)壁部分相對的第二介電膜508的一側(cè)。
[0047]將會理解，按照一個實施例，各種壓敏粘合劑、可去除壓敏粘合劑、第一和第二防粘襯里以及釋放層的釋放能量選擇如下。壓敏粘合劑416/第一防粘襯里402界面的釋放能量小于可去除壓敏粘合劑512/釋放層514界面的釋放能量，可去除壓敏粘合劑512/釋放層514界面的釋放能量小于第二防粘襯里404/壓敏粘合劑414界面的釋放能量，第二防粘襯里404/壓敏粘合劑414界面的釋放能量具有與第二防粘襯里404/可去除壓敏粘合劑512界面大致相同的釋放能量。表I提供釋放表面和粘合劑界面的各種組合的釋放能量數(shù)據(jù)。表2提供襯底和粘合劑界面的各種組合的剝離力數(shù)據(jù)。
[0048]表I釋放能量數(shù)據(jù)
【權利要求】
1.一種無框薄膜致動器，包括: 無框致動器薄膜，包括至少部分設置在第一與第二電極之間的至少一個彈性介電薄膜； 粘合劑，施加在所述無框致動器薄膜一側(cè)的至少一部分上。
2.如權利要求1所述的無框薄膜致動器，還包括: 第二粘合劑，施加在所述無框致動器薄膜相對側(cè)的至少一部分上。
3.如權利要求1和2中的任一項所述的無框薄膜致動器，其中，所述粘合劑從由壓敏粘合劑、可膨脹粘合劑、熱溶性粘合劑、b級粘合劑和可UV固化粘合劑所組成的組中選取。
4.如權利要求1至3中的任一項所述的無框薄膜致動器，還包括: 施加到所述粘合劑的防粘襯里。
5.如權利要求2所述的無框薄膜致動器，還包括: 施加到所述第一粘合劑的第一防粘襯里；以及 施加到所述第二粘合劑的第二防粘襯里。
6.如權利要求1至5中的任一項所述的無框薄膜致動器，還包括耦合到所述致動器薄膜以在預拉伸致動器薄膜附連到剛性襯底之前支承所述預拉伸致動器薄膜的可拋棄框架。
7.如權利要求6所述的無框薄膜致動器，其中，所述可拋棄框架由壓敏粘合劑來形成。
8.如權利要求1至7中的任一項所述的無框薄膜致動器，其中，所述無框致動器薄膜包括兩層或更多層彈性介電薄膜。
9.如權利要求8所述的無框薄膜致動器，其中，所述致動器薄膜包括四層彈性介電薄膜。
10.如權利要求8所述的無框薄膜致動器，其中，所述兩層或更多層彈性介電薄膜采用膜間粘合劑來層疊。
11.如權利要求4所述的無框薄膜致動器，還包括施加到所述防粘襯里的至少一部分的可去除粘合劑。
12.如權利要求4所述的無框薄膜致動器，還包括施加到所述彈性介電薄膜中的一層或多層的至少一部分的釋放層。
13.如權利要求1至12中的任一項所述的無框薄膜致動器，包括基本上平坦剛性頂板表面和基本上平坦剛性底板表面，其中所述無框致動器薄膜滑動地設置在頂板與底板之間。
14.如權利要求1至12中的任一項所述的無框薄膜致動器，包括彎曲剛性頂板表面和彎曲剛性底板表面，其中所述無框致動器薄膜滑動地設置在頂板與底板之間。
15.一種制造無框薄膜致動器的方法，所述方法包括: 預拉伸彈性介電薄膜，所述預拉伸彈性介電薄膜具有頂側(cè)和底側(cè)； 將所述預拉伸彈性介電薄膜接合到臨時框架材料，其中所述框架材料有足夠強度來支承所述預拉伸彈性介電薄膜的預應變； 將電極和匯流條施加到所述預拉伸彈性介電薄膜的至少一側(cè)；以及 將粘合劑施加到所述預拉伸彈性介電薄膜的至少一側(cè)。
16.如權利要求15所述的方法，其中，一個或多個窗口在所述框架材料中形成。
17.如權利要求15和16中的任一項所述的方法，其中，所述框架材料是抗撕拉材料。
18.如權利要求15至17中的任一項所述的方法，還包括將至少一個防粘襯里施加到所述粘合劑。
19.如權利要求15至18中的任一項所述的方法，其中，所述框架配置成支承多個無框薄膜致動器并且分割所述致動器。
20.如權利要求15至19中的任一項所述的方法，其中，所述框架和粘合劑材料中的至少一個是剛性可膨脹材料，以及所述剛性可膨脹材料在頂與底襯底之間經(jīng)過壓縮。
21.如權利要求20所述的方法，還包括在所述壓縮過程之前、期間或之后將熱量施加到所述可膨脹粘合劑。
22.一種可配置致動器元件，包括: 介電彈性薄膜； 由所述介電彈性薄膜所支承的電極； 多個可膨脹泡沫結(jié)構(gòu)，相對于所述介電彈性薄膜和所述電極來定位，其中所述多個可膨脹泡沫結(jié)構(gòu)相對于所述介電彈性薄膜來定位，并且所述電極在所述電極沒有被激勵時呈現(xiàn)第一高度以及在所述電極被激勵時呈現(xiàn)第二高度。
23.如權利要求22所述的可配置致動器元件，其中，當所述電極沒有被激勵時，所述介電彈性薄膜平面地拉伸，以及所述多個可膨脹泡沫結(jié)構(gòu)由所述拉伸介電彈性薄膜壓縮到所述第一高度。
24.如權利要求23所述的可配置致動器元件，其中，當所述電極被激勵時，所述多個可膨脹泡沫結(jié)構(gòu)膨脹并且推壓所述介電彈性薄膜以將所述介電彈性薄膜從所述第一高度升高到所述第二高度。`
25.一種如權利要求22所述的可配置致動器元件的陣列，其中，所述元件能夠單獨被激勵，以便使彈性薄膜的不同部分能夠升高到不同高度。
【文檔編號】G06F3/01GK103502908SQ201280014193
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年1月17日 優(yōu)先權日:2011年1月18日
【發(fā)明者】俞美京, W.D.蘇特蘭, 關淑文, A.奧比斯波, J.梅 申請人:拜耳知識產(chǎn)權有限責任公司