本申請要求2015年8月25日提交的標(biāo)題為“Ultrathin Bilayer Haptic Feedback Signal Generating Actuator(超薄雙層觸覺反饋信號生成致動器)”的第62/209,820號美國臨時專利申請的權(quán)益，其公開內(nèi)容以引用方式全部并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請通常涉及觸覺反饋致動器以及它們在基于觸摸的系統(tǒng)中的構(gòu)造和使用。觸覺反饋致動器適當(dāng)?shù)貫殡p層結(jié)構(gòu)，其包括具有不同熱系數(shù)的至少兩種材料，允許所述結(jié)構(gòu)響應(yīng)于結(jié)構(gòu)的加熱和/或冷卻而從第一位置偏轉(zhuǎn)到第二位置。

背景技術(shù)：

觸覺效果用于增強(qiáng)個人與電子裝置的互動。觸覺效果使得用戶能夠體驗(yàn)觸覺，其通常由嵌入在裝置中的致動器來生成。替代地或除經(jīng)由顯示器或音頻裝置的視覺和/或聽覺效果之外，此觸覺效果致動器提供用戶與電子裝置的互動的應(yīng)答或反饋。仍然需要經(jīng)由各種大小的裝置中的不可見的用戶接口提供此反饋。由于具有用戶接口的越來越多的電子裝置需要有效的功耗，此觸覺效果致動器的大小和功耗變得更加重要。本領(lǐng)域中仍然需要具有低型面(profile)(例如薄的或緊湊的)且消耗較少功率的觸覺效果致動器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于前文，本文提供了用于向用戶提供觸覺反饋的系統(tǒng)和方法，特別是經(jīng)由具有觸覺反饋生成器的裝置。

在實(shí)施例中，本文提供了用于向用戶提供觸覺反饋的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)適當(dāng)?shù)匕ň哂杏|覺反饋生成器的裝置，其中觸覺反饋生成器包括雙層材料條帶。在實(shí)施例中，響應(yīng)于溫度變化，雙層材料條帶配置為在第一位置與第二位置之間偏轉(zhuǎn)以向用戶提供觸覺反饋。

本文還提供了響應(yīng)于用戶接觸觸覺反饋生成器系統(tǒng)而在觸覺反饋生成器系統(tǒng)中生成觸覺反饋的方法。在實(shí)施例中，所述方法包括提高觸覺反饋生成器系統(tǒng)中的第一熱能源/散熱器(sink)的溫度，由此提高系統(tǒng)中的雙層材料條帶的溫度，且將雙層材料條帶在第一位置與第二位置之間偏轉(zhuǎn)以生成觸覺反饋至用戶。

附圖說明

根據(jù)本技術(shù)的且如附圖中說明的實(shí)施例的以下描述可更好地理解本技術(shù)的前述以及其它特征和方面。并入本文并且形成說明書的一部分的附圖進(jìn)一步用于說明本技術(shù)的原理。圖中的部件不一定按比例繪制。

圖1A至1B是根據(jù)此處的實(shí)施例用于向用戶提供觸覺反饋的系統(tǒng)的截面圖。

圖2A至2C是根據(jù)此處實(shí)施例的觸覺反饋生成器的截面圖。

圖3是說明根據(jù)此處實(shí)施例的雙金屬條帶的偏轉(zhuǎn)與溫度的曲線圖。

圖4是根據(jù)此處實(shí)施例的包括流體通道的熱能源/散熱器的圖示。

圖5是根據(jù)此處另一實(shí)施例的包括流體通道的熱能源/散熱器的圖示。

圖6是根據(jù)此處實(shí)施例的用于向用戶提供觸覺反饋且包括多個雙層材料條帶的系統(tǒng)的圖示。

圖7是根據(jù)此處實(shí)施例的用于向用戶提供觸覺反饋且包括多個雙層材料條帶的系統(tǒng)的剖面圖。

圖8A至8B是根據(jù)此處實(shí)施例的觸覺反饋生成器的截面圖。

圖9是根據(jù)此處實(shí)施例的雙層材料條帶的截面圖。

具體實(shí)施方式

將參考圖式詳細(xì)地描述各個實(shí)施例。對各個實(shí)施例的參考并不限制在此所附的權(quán)利要求書的范圍。另外，本說明書中陳述的任何實(shí)例均不旨在具有限制性并且僅僅陳述所附權(quán)利要求書的許多可能實(shí)施例中的某些實(shí)施例。

在實(shí)施例中，本文提供了用于向用戶提供觸覺反饋的系統(tǒng)。如圖1A和1B中說明性地所示，系統(tǒng)100適當(dāng)?shù)匕ň哂杏|覺反饋生成器106A的裝置104，在實(shí)施例中觸覺反饋生成器106A在本文還被描述為用戶觸摸式觸覺信號生成器。

如本文所使用，“觸覺反饋”是指諸如經(jīng)由觸感從如本文所述的系統(tǒng)傳送至用戶的振動、紋理和/或熱量等的信息。觸覺反饋也可被描述為本文實(shí)施例中的觸覺反饋信號。

可包括觸覺反饋生成器106A的裝置104的實(shí)例包括各種可穿戴設(shè)備、移動電話和平板計(jì)算機(jī)、觸摸板、鍵盤、游戲機(jī)和控制器等。

在實(shí)施例中，用戶102與裝置104互動。響應(yīng)于互動，觸覺反饋生成器106A通過朝用戶102上升而變形或偏轉(zhuǎn)為偏轉(zhuǎn)式觸覺反饋生成器106B(在本文實(shí)施例中還被描述為偏轉(zhuǎn)式觸覺信號生成器)從而產(chǎn)生觸覺反饋108(例如，壓力、觸摸或振動)。雖然用戶互動適當(dāng)?shù)匕ㄓ|摸裝置104的表面，例如，裝置104的基底110(諸如觸摸板表面、觸摸屏、玻璃或塑料蓋等)，但是在另外的實(shí)施例中，互動可包括直接觸摸觸覺反饋生成器106A。用戶互動還可包括用戶足夠充分地接近觸覺反饋生成器以開始偏轉(zhuǎn)而不實(shí)際上觸摸觸覺反饋生成器。

在實(shí)施例中，觸覺反饋生成器106A包括用于生成或提供可以由用戶感覺到的觸覺反饋力的雙層材料條帶202(參照圖2A至2B)。由雙層材料條帶的致動提供的所生成的觸覺反饋具有足夠大的力以免被用戶可以施加于觸摸表面或觸摸式用戶接口(包括觸覺反饋生成器106A和基底110)的用戶法向接觸壓力抑制或阻斷。即，觸覺反饋力足夠強(qiáng)使得用戶102將能夠感覺到雙層材料條帶202向上偏轉(zhuǎn)抵抗用戶的觸摸。用于提高觸覺反饋力的方法在本文已加以描述并且包括使用添加材料(諸如其它層或另外的質(zhì)量)于雙層材料條帶202以提高其厚度或總重量。

圖2A和2B是容置在裝置104內(nèi)或由裝置104支撐的示例性觸覺反饋生成器106A和偏轉(zhuǎn)式觸覺反饋生成器106B的截面圖。如本文所述，在實(shí)施例中，觸覺反饋生成器106A是觸摸式反饋生成器，但是開始如本文所述的觸覺反饋不需要直接觸摸。

觸覺反饋生成器106A適當(dāng)?shù)匕p層材料條帶202，其(例如)如圖2B中所示般在雙層材料條帶202的相對端214和216處耦合至基底110或裝置104。在實(shí)施例中，雙層材料條帶202可使用(例如)各種粘附劑或膠水、橡膠附接點(diǎn)或機(jī)械樞軸、鉸鏈或允許雙層材料條帶在第一位置與第二位置之間樞轉(zhuǎn)或偏轉(zhuǎn)(包括允許振蕩和振動)的其它連接元件附接在相對端214和216處，而不會脫離觸覺反饋生成器106A。

當(dāng)用戶接觸所述觸覺反饋生成器106A(或基底110)時，開始使雙層材料條帶202從第一位置(圖2A)偏轉(zhuǎn)至第二位置(圖2B)的過程以向用戶102提供觸覺反饋108，在所述第一位置中雙層材料條帶具有基本上凹入型面(profile)、突出遠(yuǎn)離用戶，在所述第二位置中雙層材料條帶具有基本上凸出型面、朝用戶突出。觸覺反饋108確認(rèn)用戶與觸覺反饋生成器106A接觸(或足夠接近互動)。如圖2B中所示，觸覺反饋生成器106A偏轉(zhuǎn)(即，變形或“跳變(snap)”)至偏轉(zhuǎn)式觸覺反饋生成器106B。

在實(shí)施例中，雙層材料條帶202包括第一層204和第二層206。第一層204和第二層206是全部沿第一層204與第二層206之間的公共邊界208彼此相關(guān)聯(lián)、粘合或以其它方式粘附的兩種條帶狀(或分層的)材料。條帶狀表示第一層204和第二層206以及因此雙層材料條帶202具有某種結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)的長度長于其寬度且其厚度小于其寬度。

在另外的實(shí)施例中，雙層材料條帶202可包括多層，產(chǎn)生一結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出雙層材料條帶202的基本上類似的機(jī)械特性，其中多層結(jié)構(gòu)如本文所述般響應(yīng)于溫度變化而從第一位置偏轉(zhuǎn)至第二位置。例如，多層結(jié)構(gòu)可包括三層、四層、五層、六層、七層、八層、九層、十層等，以最終形成雙層材料條帶202。多層結(jié)構(gòu)可結(jié)合或粘附在一起以產(chǎn)生類似于雙層材料條帶202的結(jié)構(gòu)，其基本上具有條帶的兩個不同部分(各自是由多層構(gòu)成)，所述兩個不同部分具有如本文所述的不同材料性質(zhì)。

在實(shí)施例中，第一層204包括第一材料，且第二層206包括不同于第一材料的第二材料。在實(shí)施例中，第一和第二材料是如本文所述的金屬材料，從而產(chǎn)生雙金屬條帶。如本文所述，第一材料和第二材料可以選擇為具有不同的熱膨脹系數(shù)(CTE)。例如，實(shí)施例中的第一層204的第一材料可具有高于第二層206的第二材料的CTE。例如，在實(shí)施例中，第一材料可以是銅，且第二材料可以是鐵。例如，S.Boisseau等人在Semi-flexible Bimetal-based Thermal EnergyHarvesters,Smart Mater.Struct.22(2013)025021(8pp)中描述了用于雙層材料條帶202(包括雙金屬)的示例性材料，其公開內(nèi)容據(jù)此以引用方式全部并入本文。

在實(shí)施例中，第一層204可具有高于第二層206的CTE。在加熱時，第一層204比第二層206更快速地膨脹，從而導(dǎo)致在雙層材料202中生成一應(yīng)力，可為扭矩或其它力，隨后使雙層材料202在“跳變(snapping)”運(yùn)動中從第一位置偏轉(zhuǎn)至第二位置。在實(shí)施例中，構(gòu)成雙層材料條帶202的層粘合在一起并且以某種方式處理使得建立具體的預(yù)設(shè)、定型或形狀記憶配置用于雙層材料條帶202。例如，材料可被處理成形成為彎曲形狀(即，圖2A的凸形)，或材料可處理成(諸如通過沖壓)形成為V形，從而在本文所述的溫度變化之前提供雙層材料條帶的初始或定型/記憶配置。例如，彎曲形狀或V形配置中的設(shè)置可以經(jīng)由沖壓(例如，使用機(jī)械沖?；蛴∧Ｒ允闺p層材料條帶形成為彎曲或V形)而完成。

通過加熱雙層材料條帶202，材料層(如本文所述的2個或更多個材料層)的溫度升高。雙層材料條帶202中的不同材料的不同熱膨脹系數(shù)(CTE)使雙層材料條帶202的兩層之間的力差值增大。在加熱期間，耦合力矩出現(xiàn)在雙層材料條帶202的固定端處(即，圖2B中的214和216處)。高的橫向力歸因于構(gòu)成條帶的材料的熱膨脹系數(shù)的差值而出現(xiàn)的不同熱膨脹速率所致。在其中耦合的幅度克服雙層材料條帶中的曲率的臨界點(diǎn)處，導(dǎo)致雙層材料條帶跳變或變形。當(dāng)條帶冷卻時，雙層材料條帶202中的力或應(yīng)力差值消失或松弛，且收縮使先前累積的應(yīng)力顛倒并且使條帶恢復(fù)至其原始定型曲率或V形或其它配置。參見Timoshenko,S.于1925年發(fā)表在Journal of the Optical Society of America(美國光學(xué)協(xié)會期刊)第11版第233頁至第255頁的“Analysis of Bi-Metal Thermostats(雙金屬恒溫器的分析)”(其公開內(nèi)容以引用方式全部并入本文)以進(jìn)一步描述雙層材料條帶202響應(yīng)于加熱和冷卻的移動中所涉及的物理學(xué)現(xiàn)象。

雙層材料條帶202的材料之間的CTE差值使得雙層材料條帶202在加熱或冷卻時能夠彎曲，由此導(dǎo)致機(jī)械移動或偏轉(zhuǎn)。在一個實(shí)例中，當(dāng)雙層材料條帶202在初始狀態(tài)中彎曲(如圖2A中所示)或?yàn)閂形時，雙層材料條帶202在加熱時可變形或從圖2A中的第一位置偏轉(zhuǎn)至圖2B中的第二位置，且接著在冷卻時變形或偏轉(zhuǎn)回圖2A中的第一位置。

圖3示出了用于本文所述的實(shí)施例的示例性雙層材料條帶202(適當(dāng)?shù)貫殡p金屬條帶)的滯后循環(huán)。圖3說明了約42℃至約48℃的溫度范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，其示出了以微米為單位的最大偏轉(zhuǎn)。圖3表明隨著雙層材料條帶的溫度的上升(圖3中的虛線)，條帶達(dá)到“跳變啟動溫度”(圖3中的約47℃)，其中條帶經(jīng)歷快速偏轉(zhuǎn)而無需進(jìn)一步可檢測的溫度上升。在此溫度下，雙層材料條帶202從較低熱能源/散熱器(即，較低或底部熱源)偏轉(zhuǎn)或“跳變”至與上部熱能源/散熱器(即，上部或頂部冷源)接觸，如下文所述。當(dāng)熱量從雙層材料條帶202傳送至熱能源/散熱器(導(dǎo)致條帶冷卻)時，雙層材料條帶的溫度降低直至其達(dá)到約42.5℃的拐點(diǎn)溫度(參照圖3中的實(shí)線)。當(dāng)達(dá)到此拐點(diǎn)溫度時，材料從與上部冷源接觸偏轉(zhuǎn)或跳變至再次與較低熱源接觸。

在實(shí)施例中，雙層材料條帶202由于其偏轉(zhuǎn)所致的移位將為數(shù)百微米至若干毫米的數(shù)量級。此移位或偏轉(zhuǎn)是從條帶的初始位置(例如，圖2A的凹入配置)測量至條帶的偏轉(zhuǎn)位置(例如，圖2B中朝用戶的凸出配置)。在其它實(shí)施例中，由偏轉(zhuǎn)引起的雙層材料條帶的移位是約0.1mm至約5mm、約0.1mm至約2mm、約0.1mm至約1mm或約0.1-0.5mm，以向用戶提供各種觸覺反饋效果。此移位可以僅僅由于用戶的每一次交互而發(fā)生一次，即，用戶與系統(tǒng)交互時發(fā)生一次偏轉(zhuǎn)或變形，或用戶的每一次交互可以發(fā)生若干或多次移位。

在如上文提及的其它實(shí)施例中，移位可為數(shù)十微米至數(shù)百微米的數(shù)量級，但是頻率為每一次用戶交互發(fā)生一次以上移位，即，每當(dāng)用戶與系統(tǒng)交互時多次偏轉(zhuǎn)或變形，產(chǎn)生振蕩或振動。在發(fā)生振蕩的實(shí)施例中，雙層材料條帶202的振蕩頻率可為1Hz至約1000Hz和適當(dāng)?shù)丶s1Hz至約100Hz的數(shù)量級，或10-100Hz、10-50Hz或約10-20Hz的數(shù)量級。

為了響應(yīng)于溫度變化(包括加熱和冷卻二者)而快速地變形或恢復(fù)至初始或原始狀態(tài)或配置，雙層材料條帶202適當(dāng)?shù)鼐哂凶钚『穸纫跃S持結(jié)構(gòu)完整性并同時還允許觸覺反饋。薄的雙層材料條帶的使用允許快速加熱和冷卻，且因此允許快速偏轉(zhuǎn)或跳變。適當(dāng)?shù)?，“薄”在本文意味著雙層材料條帶202的厚度為約1μm至約1mm、約1μm至約500μm、更適當(dāng)?shù)丶s1μm至約400μm、約1μm至約300μm、約10μm至約300μm、約50μm至約300μm、約50μm至約200μm、約50μm至約150μm、約50μm至約100μm、約20μm、約30μm、約40μm、約50μm、約60μm、約70μm、約80μm、約90μm、約100μm、約110μm、約120μm、約130μm、約140μm、約150μm、約160μm、約170μm、約180μm、約190μm或約200μm的數(shù)量級。

應(yīng)注意，雙層材料條帶202的形狀和幾何形狀并不限于僅僅矩形或常規(guī)形狀的元件，而是可具有應(yīng)用或用戶所需要的任何幾何形狀，包括各種圓盤形狀、圓形形狀、橢圓形形狀、不規(guī)則形狀或其它合適的幾何形狀。雙層材料條帶202的尺寸(即，長度、寬度、直徑、周長等)還可取決于最終應(yīng)用，但是將大致上為毫米至厘米至數(shù)十厘米的數(shù)量級。

如本文所述，導(dǎo)致雙層材料條帶202從第一位置(圖2A)偏轉(zhuǎn)至第二位置(圖2B)以向用戶102提供觸覺反饋108(且因此確認(rèn)接觸或接近接觸)的條件/環(huán)境的過程、動力或改變是溫度變化或又如本文所述是熱過程。如本文所使用，“熱過程”是指借此熱量被傳送至雙層材料條帶202和/或從雙層材料條帶202傳送從而使雙層材料條帶的溫度變化和條帶偏轉(zhuǎn)的過程。

如圖2A中所示，例如在平衡溫度下(例如，室溫(約20℃至25℃)(或系統(tǒng)100可能的正常操作溫度)下)，雙層材料條帶202處于凸出配置(即，彎曲遠(yuǎn)離用戶102)并且朝向熱能源/散熱器212。在實(shí)施例中，條帶的第一層204具有較高CTE并且設(shè)置在具有較低CTE的第二層206上方。在此配置中，雙層材料條帶202處于第一位置(或向下狀態(tài))且雙層材料條帶202可與熱能源/散熱器212接觸。圖2A中所示的第一位置適當(dāng)?shù)貫闂l帶的定型或形狀記憶彎曲或V形配置。

在實(shí)施例中，溫度變化由于熱能從用戶102傳送至第一熱能源/散熱器212(由用戶與觸覺反饋生成器106A或基底110或裝置104的其它部分接觸或足夠接近交互引起)而發(fā)生。在示例性實(shí)施例中，觸覺反饋生成器106A可包括(例如)如圖2A和2B中所示的兩個熱能源/散熱器210、212。還可利用另外的熱能源/散熱器。熱能從用戶102傳送至例如熱能源/散熱器212提高了熱能源/散熱器212的溫度，這繼而又提高了雙層材料條帶202的溫度，如本文所述。

用戶102與熱能源/散熱器212之間的熱量傳送可由于用戶與熱能源/散熱器210(或包括基底110的裝置104的其它部分)接觸而發(fā)生，接著可將熱量傳送至熱能源/散熱器212。雙層材料條帶雙202的溫度升高是由雙層材料條帶202與熱能源/散熱器212之間的直接物理互動(包括經(jīng)由接觸進(jìn)行的傳導(dǎo))所致。如本文所述，溫度升高使雙層材料條帶202從第一位置(圖2A)偏轉(zhuǎn)至第二位置(圖2B)，這是由于較高CTE材料(層204)的加熱快于層206，導(dǎo)致力效應(yīng)、熱應(yīng)力、熱彎曲或材料中的扭矩以及從第一位置至第二位置的偏轉(zhuǎn)。

溫度升高還可由僅僅通過加熱周圍空氣(例如，對流)或觸覺反饋生成器106A的其它元件將熱量從熱能源/散熱器210傳送至雙層材料條帶202所致。在實(shí)施例中，由用戶的接觸引起的熱能源/散熱器210的加熱可通過對流(從一個熱能源/散熱器至另一個熱能源/散熱器)將熱量傳送至熱能源/散熱器212，由此最終給熱能源/散熱器212提供足夠多熱量以提高雙層材料條帶202的溫度并且引起偏轉(zhuǎn)。

如本文所使用，“熱能源/散熱器”是指能夠吸收和傳送熱量、作為熱源(將熱量傳導(dǎo)至另一種材料)或作為熱量散熱器(消除或耗散來自另一種材料的熱量)的材料。在實(shí)施例中，用于本文所述的系統(tǒng)的熱能源/散熱器可取決于系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)而用作熱源和散熱器。

在實(shí)施例中，雙層材料條帶202如圖2B中所示般偏轉(zhuǎn)至其第二位置使偏轉(zhuǎn)式觸覺反饋生成器106B的表面接觸用戶，或諸如圖1B中所示引導(dǎo)朝向用戶。在實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)的觸覺反饋生成器106B可以彎曲成突出至裝置100的表面上方或超過裝置100的表面。在其它實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)的觸覺反饋生成器可朝用戶102移動基底110(其可為觸摸板表面、觸摸屏或玻璃或塑料蓋等)。

在另外的實(shí)施例中，溫度變化可進(jìn)一步包括降低雙層材料條帶的溫度。此溫度變化可歸因于熱能由于消除用戶102與偏轉(zhuǎn)的觸覺反饋生成器106B的接觸而從雙層材料條帶202至熱能源/散熱器(例如，210)的傳送而發(fā)生。即，當(dāng)用戶102消除與偏轉(zhuǎn)的觸覺反饋生成器106B的接觸時，熱能源/散熱器210經(jīng)由來自熱能源/散熱器210的熱量的被動擴(kuò)散而冷卻，從而允許熱能從雙層材料條帶202傳送至熱能源/散熱器210，這繼而又降低了溫度或冷卻了雙層材料條帶202。

通過優(yōu)化雙層材料條帶202的厚度和材料選擇(如本文所述)，此冷卻可足夠迅速使得雙層材料條帶202的溫度降低導(dǎo)致雙層材料條帶202從第二位置(圖2B)偏轉(zhuǎn)返回至第一位置(圖2A)，或換句話來說導(dǎo)致雙層材料條帶202從第二位置(圖2B)恢復(fù)或松弛至其定型或形狀記憶的第一位置(圖2A)。加熱、偏轉(zhuǎn)、冷卻和恢復(fù)偏轉(zhuǎn)的此過程可通常按照具體應(yīng)用的需要或要求重復(fù)。依賴于來自用戶加熱(和最終冷卻)熱源/散熱器的熱能的使用的此實(shí)施例在本文稱為“被動”熱過程或“被動”溫度變化。

在另一實(shí)施例中，雙層材料條帶202可將熱能傳送至主動冷卻的熱能源/散熱器(例如，210)，其中熱能源/散熱器(例如，210)可以在由消除(或停止)用戶與觸覺反饋生成器的接觸觸發(fā)時或響應(yīng)于消除(或停止)用戶與觸覺反饋生成器的接觸而提供主動冷卻。在此實(shí)施例中，歸因于主動冷卻，雙層材料條帶202的溫度降低，使條帶從第二位置偏轉(zhuǎn)返回至第一位置。如圖2A至2B中說明，在此實(shí)施例中，雙層材料條帶202在圖2A中的第一位置中開始。繼由于來自用戶102的能量傳送而加熱之后，雙層材料條帶202如圖2B中所示般偏轉(zhuǎn)至第二位置。當(dāng)用戶102停止與觸覺反饋生成器(現(xiàn)在是偏轉(zhuǎn)的觸覺反饋生成器106B)接觸時，這觸發(fā)了熱能源/散熱器210的冷卻，例如經(jīng)由本文所述的各種主動方法(例如，風(fēng)扇、液體通道或管等)。熱能接著可從雙層材料條帶202傳送至熱能源/散熱器210，結(jié)果使條帶的溫度降低。此熱能傳送使條帶偏轉(zhuǎn)返回至第一位置，因?yàn)樯喜炕虻谝粚?04的較高CTE產(chǎn)生了更快的冷卻，且允許恢復(fù)至圖2A中的雙層材料條帶202的初始彎曲配置。如針對本文的其它過程所述，加熱、偏轉(zhuǎn)、冷卻和恢復(fù)偏轉(zhuǎn)的此過程可通常按照具體應(yīng)用的需要而重復(fù)。

冷卻熱能源/散熱器(例如，210且如果需要的話還有212)的方法包括使用風(fēng)扇、水或其它液體或快速散熱的其它方法。在示例性實(shí)施例中，如圖4和5中所示且如本文更詳細(xì)的描述，熱能源/散熱器可包括允許流體循環(huán)以輔助熱能散熱器的冷卻(散熱)的流體通道，且在其它實(shí)施例中還可用于提供熱能源(加熱)。流體通道可以提供使流體冷卻介質(zhì)或冷卻液體流過的一個或多個通道，其中液體冷卻介質(zhì)循環(huán)通過與觸覺反饋生成器熱隔離的熱交換器。熱量從液體中消除，且接著液體再循環(huán)以繼續(xù)消除來自與雙層條帶202接觸的熱能源/散熱器的熱量。在另一個實(shí)施例中，雙壓電冷卻器還可用于輔助熱能源/散熱器的冷卻。此壓電冷卻器通常依賴于彎折作用以跨熱源發(fā)射空氣脈沖。所述作用由具有所述裝置的壓電致動器驅(qū)動以將空氣推出并且產(chǎn)生帶走周圍空氣的湍流以產(chǎn)生噴射流并且增加熱傳送。參照例如AAVID熱合金的“雙股冷卻噴流”，低型面鼓風(fēng)機(jī)(加利福利亞州圣何塞市)。

不依賴于來自用戶接觸以加熱(或用戶停止接觸以冷卻)熱能源/散熱器的熱能的使用的另外實(shí)施例在本文稱為“主動”熱過程，并且利用一個或多個加熱元件或熱源和/或冷卻機(jī)構(gòu)以改變熱能源/散熱器的溫度并且因此改變雙層材料條帶202的溫度。

例如，當(dāng)用戶102與觸覺反饋生成器106A(或基底100)接觸時可觸發(fā)雙層材料條帶的溫度上升。此接觸可觸發(fā)熱能源/散熱器(例如，212)的加熱，這繼而又由于雙層材料條帶202與熱能源/散熱器212接觸而提高雙層材料條帶202的溫度。一旦條帶中達(dá)到一特定溫度/應(yīng)力，溫度上升使雙層材料條帶從第一位置(圖2A)偏轉(zhuǎn)至第二位置(圖2B)，這向用戶102產(chǎn)生了觸覺反饋。在此實(shí)施例中，用戶102的接觸僅僅用作系統(tǒng)100觸發(fā)或開始熱能源/散熱器(例如，212)的加熱的信號。因此，并非來自用戶觸摸的熱傳送用于提高雙層材料條帶202的溫度，而僅僅是用戶觸摸觸覺反饋生成器106A(或基底110或裝置100的其它部分)的事實(shí)使熱能源/散熱器被加熱并且因此提高溫度。這最終加熱雙層材料條帶202，并且產(chǎn)生從第一位置(圖2A)至第二位置(圖2B)的偏轉(zhuǎn)。

如本文所述，用于加熱熱能源/散熱器210和212的方法包括各種傳導(dǎo)方法，諸如使用電加熱元件、摩擦加熱元件、振動加熱元件以及本領(lǐng)域中已知的加熱熱能源的其它方法。熱能源/散熱器210和212的加熱可經(jīng)由任何合適的方法(包括常規(guī)加熱、傳導(dǎo)加熱或輻射加熱)進(jìn)行。此方法還可用于將熱量從能源/散熱器傳送至雙層材料以產(chǎn)生本文所述的溫度變化。

在實(shí)施例中，當(dāng)用戶102停止與偏轉(zhuǎn)的觸覺反饋生成器106B接觸時，熱能被傳送至第二熱能源/散熱器(例如，210)。在實(shí)施例中，如本文所述，熱能源/散熱器210可經(jīng)由本文所述的各種方法冷卻，從而允許熱能從雙層材料條帶202傳送至熱能源/散熱器210。這使條帶冷卻，并且使條帶偏轉(zhuǎn)返回至第一位置。如本文所述，加熱、偏轉(zhuǎn)、冷卻和恢復(fù)偏轉(zhuǎn)的此過程可通常按照具體應(yīng)用的需要而重復(fù)。

主動和被動溫度變化以及本文所述的相關(guān)熱過程可適當(dāng)?shù)厥闺p層材料條帶202在第一熱能源/散熱器(例如，212)與第二熱能源/散熱器(例如，210)之間的腔體214(諸如裝置104的腔體)中振蕩。如本文所述，雙層材料條帶202使用(例如)各種粘附劑或膠水、橡膠附接點(diǎn)或機(jī)械樞軸、軸或允許雙層材料條帶從第一位置樞轉(zhuǎn)或偏轉(zhuǎn)至第二位置(包括允許振蕩和振動)的其它連接元件附接在相對端214和216處而不會脫離觸覺反饋生成器106A時適當(dāng)?shù)匕l(fā)生振蕩。

雙層材料條帶202的振蕩在局部表面區(qū)域中產(chǎn)生振動觸覺反饋(例如，示為108的觸覺反饋)，向用戶102提供確認(rèn)與觸覺反饋生成器106A接觸的反饋。如本文所述，在其中發(fā)生振蕩的實(shí)施例中，雙層材料條帶202的振蕩頻率可為1Hz至約1000Hz，且適當(dāng)?shù)丶s1Hz至約100Hz的數(shù)量級，或10-100Hz、10-50Hz或約10-20Hz的數(shù)量級。

在示例性實(shí)施例中，用于傳送熱量至雙層材料條帶202/從雙層材料條帶202傳送熱量的熱能源/散熱器(例如，210/212)適當(dāng)?shù)匕ǘ嗫撞牧?。多孔材料的使用根?jù)需要允許熱能源/散熱器的快速加熱和冷卻。

在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，雙層材料條帶202的至少一種材料(例如，第一層204或第二層206中的一個，以及適當(dāng)?shù)囟?是多孔的。正如熱能源/散熱器，使用多孔材料制造雙層材料條帶輔助快速加熱和冷卻條帶的能力，以實(shí)現(xiàn)本文所述的系統(tǒng)100中的更快偏轉(zhuǎn)。適當(dāng)?shù)?，材料的多孔性使材料的熱質(zhì)量降低為比具有相同幾何形狀的對應(yīng)材料(如果所述材料是無孔的)的熱質(zhì)量低至少約15％。在實(shí)施例中，熱質(zhì)量降低為比具有相同幾何形狀的對應(yīng)無孔材料的熱質(zhì)量低至少約20％或至少約30％、至少約40％或至少約50％。

在本文所述的實(shí)施例中(包括其中溫度變化是由主動或被動加熱提供)，系統(tǒng)100可進(jìn)一步包括耦合至雙層材料條帶202的頂面或底面的彈簧(包括杠桿或其它可壓縮或可伸縮元件)。圖2C示出了其中彈簧220可附接至雙層材料條帶202的底面222的定向。彈簧在條帶偏轉(zhuǎn)期間是機(jī)械伸長的或機(jī)械壓縮的，且接著當(dāng)用戶停止與觸覺反饋生成器106A(適當(dāng)?shù)仄D(zhuǎn)的用戶觸摸式觸覺反饋生成器106B)接觸時使雙層材料條帶202返回至第一位置，參照圖2A。彈簧220是機(jī)械彈簧或杠桿，并且通常不會由于彈簧的加熱或冷卻啟動，而僅僅是由于使彈簧恢復(fù)至其原始形狀和定向的延伸或壓縮而啟動。

在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，用戶102可以直接接觸雙層材料條帶202，從而產(chǎn)生從用戶102至條帶或從條帶至用戶的直接熱傳送，加熱(或冷卻)條帶并且產(chǎn)生從第一位置至第二位置的偏轉(zhuǎn)。如本文所述，取決于形成雙層材料條帶202的第一層204和第二層206的熱膨脹系數(shù)，用戶102(即，用戶的手指)與例如雙層材料條帶202的第一層204之間的接觸可用作熱源或散熱器以當(dāng)雙層材料條帶被加熱至用戶的體溫(例如，約34℃)時增加或降低雙層材料條帶中的應(yīng)力差值。雙層材料條帶202的示例性材料可選擇為具有在約30℃至40℃的溫度下最佳地操作的相對和絕對熱膨脹系數(shù)。因此，用戶102與雙層條帶202之間的接觸將傳送熱能以使雙層材料條帶的溫度上升并且由此向用戶提供觸覺反饋。在此實(shí)施例中，無需利用單獨(dú)的熱能源/散熱器以提供雙層材料條帶的溫度變化，因?yàn)樗屑訜岷屠鋮s均是僅僅經(jīng)由用戶與條帶材料之間的熱傳送而適當(dāng)?shù)貙?shí)行。

如本文所述，有利的是利用各種系統(tǒng)100中的超薄雙層材料(適當(dāng)?shù)?，雙金屬)條帶。示例性材料包括Al和二氧化硅(SiO2)層或二氧化硅和聚偏氟乙烯(PVDF)層，其可具有適用雙金屬振蕩器的尺寸范圍中的總條帶厚度(例如，1-100μm)。在其它實(shí)例中，多個薄條帶可以平行或堆疊配置布置以產(chǎn)生具有包括不同的熱特性和材料特性的兩個不同層或部分的雙層材料條帶202。

在實(shí)施例中，雙層材料條帶202包括兩個不同材料層或部分，所述材料具有不同的熱膨脹系數(shù)(即，(低和高))值。一個實(shí)例是兩種合金金屬的組合(即，雙金屬材料)；具有CTE＝26.4×10-6/°K的B72M(Mn Cu 18Ni 10)和具有CTE＝2×10-6/°K的(FeNi)。另外的示例性雙層材料以及雙金屬包括但不限于N42(Fe Ni 42)、NC4(Fe Ni 23Cr3)、B6M(Fe Ni 21Mn 6)；Al(CTE＝0.25×10-5/°K)和硅(CTE＝2.6×10-6/K)；PVDF(CTE＝122×10-6/K)和SiO2(CTE＝0.4×10-6/K)；PVDF(CTE＝122×10-6/K)和Al(CTE＝0.25×10-6/K)；以及PVDF和聚酰亞胺(CTE＝3×10-6/K)。

在另外的實(shí)施例中，單層或雙層金屬可結(jié)合諸如形狀記憶金屬(SMA)或形狀記憶聚合物(SMP)等材料以產(chǎn)生高性能致動器。由于金屬材料的溫度變化所致的形狀變化結(jié)合由SMA或SMP的致動所產(chǎn)生的致動可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，其中致動擴(kuò)大或放大。此材料可制備在多層結(jié)構(gòu)中并且在本文討論的各個實(shí)施例和應(yīng)用中利用。

如本文所述般的處理和制造雙層材料條帶202包括(例如)通過軋制或電鍍過程以將兩個金屬層粘合在一起來處理用于制造雙層條帶的條帶材料(諸如雙金屬合金)。在使用鋁(Al)和硅的情況中，可使用熱蒸鍍(濺鍍方法)(PVD)制造材料。例如，薄膜Al可濺鍍至硅材料的薄截面上。薄氧化物層(諸如Al2O3或SiO2)可形成在Al與硅材料層之間以提供電保護(hù)(為了此描述的目的，此結(jié)構(gòu)仍然將被視為根據(jù)本文描述的雙層材料)。例如，當(dāng)使用PVDF和Al時，首先使用膜澆制方法(旋涂、溶劑蒸發(fā))沉積PVDF材料的薄膜。在下一個步驟中，Al的薄層可沉積至PVDF材料條帶的一側(cè)上。當(dāng)使用諸如PVDF/聚酰亞胺等其它材料組合時，可采用簡單的粘合機(jī)構(gòu)或等離子體增強(qiáng)粘附方法以增強(qiáng)兩種材料之間的粘附。另外，薄金屬材料層可疊層在兩個聚合物層之間以便隨后用作(電阻式)加熱元件(源)。

本文所述的方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成在其中熱傳送極快速進(jìn)行的條件下操作，從而產(chǎn)生極快的系統(tǒng)響應(yīng)時間(條帶跳變)。雙層材料條帶202的極薄尺寸轉(zhuǎn)化為極低熱質(zhì)量，使得條帶的加熱和冷卻可極快速地發(fā)生。冷卻速率由雙層材料條帶202的熱傳導(dǎo)(通過傳導(dǎo)式熱傳送的熱傳送)的速率限制。熱能適當(dāng)?shù)貜碾p層材料條帶202的表面消除，且因此利用薄的雙層材料條帶202最小化可保持的熱能量，輔助迅速加熱/冷卻和迅速偏轉(zhuǎn)。

如本文所述，無論使用雙層材料條帶的被動或主動溫度變化，均可實(shí)施諸如圖4和5中所示的冷卻元件。圖4示出了微通道熱交換器400，其中在熱能源/散熱器的頂部截面404中的微通道402接收冷卻劑并且將冷卻劑流體導(dǎo)向至底部截面406的微通道402，因?yàn)轫敳拷孛媾c底部截面之間的空間具有呈波紋圖案的在它們之間延伸的熱傳送散熱片408，其在輻射器技術(shù)中眾所周知的用于提供大表面區(qū)域，通過散熱片側(cè)向流動(參照箭頭)的空氣可暴露于該大表面區(qū)域。如本文所述，此冷卻機(jī)構(gòu)的使用使得雙層材料層202快速傳送熱量至熱能源/散熱器(例如，210)以實(shí)現(xiàn)雙層材料層202快速偏轉(zhuǎn)和恢復(fù)偏轉(zhuǎn)。類似的微通道系統(tǒng)還可用于根據(jù)需要如本文所述般通過(例如)使用加熱后的流體加熱熱能源/散熱器。圖5示出了其中僅利用一組微通道402的微通道熱交換器510的類似實(shí)施例。

除穿過熱能源/散熱器的微通道之外，通道802中的流體還可行進(jìn)至熱能源/散熱器(例如210/212)上方或下方以控制溫度(參照圖8A)。在其它實(shí)施例中，流體可在柔性管或通道804中行進(jìn)至雙層材料條帶202上方或下方，而無需用作熱能源/散熱器(例如，210/212)的另外元件(參照圖8B)。雖然所示柔性管或通道804僅僅延伸在雙層材料條帶202的部分截面上方和上面，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，管或通道804適當(dāng)?shù)乜稍陔p層材料條帶202的整個長度上方延伸。

在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，冷卻或加熱元件(諸如電子加熱元件或流體通道)可(例如)通過使流體通道或管806行進(jìn)通過第一層204和第二層206的多孔材料而直接添加至雙層材料條帶202以不僅將條帶用作偏轉(zhuǎn)元件，而且用作自加熱和自冷卻元件。參照圖9。單個或多個通道或管806可按照要求用于適當(dāng)?shù)乜刂齐p層材料條帶202的溫度。在實(shí)施例中，管806可由柔性材料制成以允許雙層材料條帶202發(fā)生偏轉(zhuǎn)和移動。

在其它實(shí)施例中，系統(tǒng)100可包括雙壓電冷卻器以用作低功率主動冷卻鼓風(fēng)機(jī)(參照圖9的冷卻器902)。在另一實(shí)例中，一組相對板可被充電為對空氣分子提供離子充電，所述相對板在移動時影響鄰近于也在移動的電離分子的空氣分子以及引起空氣運(yùn)動而增強(qiáng)冷卻(參照圖9的一組板904)。

雙層材料的轉(zhuǎn)變溫度和溫度差適當(dāng)?shù)乇M可能低。例如，雙層材料條帶202配置為在約30℃與47℃之間的溫度下偏轉(zhuǎn)或“跳變”。對雙層材料適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行選擇和配置(編程)以在各種期望溫度和溫度差下工作。

如本文所述的超薄系統(tǒng)可實(shí)施在許多裝置(穿戴式、移動式、游戲、移動電話、觸摸板等)上以提供觸覺反饋并且需要最少能量(來自用戶的體熱或外部加熱裝置)。

用戶的手指施加于系統(tǒng)的基底110或觸覺反饋生成器106A與用戶作為響應(yīng)而檢測觸覺反饋之間的時間流逝稱為系統(tǒng)的響應(yīng)時間。系統(tǒng)的響應(yīng)時間取決于選擇用來構(gòu)成雙層材料條帶的材料以及如本文所述的物理配置。另外，具體系統(tǒng)的響應(yīng)時間取決于熱質(zhì)量和熱的熱源/散熱器與冷的熱源/散熱器之間的熱量傳送速率以及雙層材料條帶的材料。適當(dāng)?shù)?，本文所述的系統(tǒng)的響應(yīng)時間是毫秒(即，1毫秒至100毫秒)的數(shù)量級。

在實(shí)施例中，考慮以下參數(shù)以改進(jìn)系統(tǒng)的響應(yīng)時間(性能)。

·使用多孔材料(例如，多孔Si、PVDF、AL等)，用于最小化雙層材料條帶的每一層的熱質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)更好的性能(改進(jìn)響應(yīng)時間)；

·使用極薄(微米大小)但堅(jiān)固的材料；

·使用薄的冷卻裝置，諸如雙壓電冷卻器，以最大化冷卻；

·修改來自兩層至三層或更多層的雙層材料條帶202，用于改進(jìn)材料層內(nèi)和之間的傳導(dǎo)熱傳送；

·雙層材料條帶202配置在密封(或封閉冷卻的)系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)可以包括使用熱傳送流體與相應(yīng)部件的外部或內(nèi)部冷卻通道表面接觸以當(dāng)致動過程開始和進(jìn)行時改進(jìn)具有不同溫度的系統(tǒng)部件之間的熱傳送速率。

觸覺反饋過程還可通過將雙層材料條帶202配置在兩個熱能源/散熱器(即，加熱源(或散熱器))之間來加速以加速雙層材料條帶的加熱。例如，雙層材料條帶的頂面可暴露于具有溫度T1的熱質(zhì)量(冷源)且雙層條帶的底面可配置為與具有溫度T2的第二熱質(zhì)量(熱源)熱連接(參照圖2A和2B)。雙層材料條帶中的較高CTE材料在頂部上、面向雙金屬條帶在其中移動的致動器系統(tǒng)內(nèi)側(cè)的冷源。

當(dāng)使用此系統(tǒng)配置時，觸覺反饋生成器振動或變形的初始啟動時間和后續(xù)速率取決于從熱能源/散熱器(熱和冷)至雙層材料條帶202的熱能量傳送的速率和雙層材料條帶中的兩層的相關(guān)溫度下降和上升、構(gòu)成雙層條帶的兩種材料的CTE(熱膨脹系數(shù))以及它們的環(huán)境溫度、幾何形狀(配置)，如系統(tǒng)組裝期間所設(shè)置的。

圖6和7示出了如本文所述的觸覺反饋生成器的替代布置。參考圖6，所示多個雙層材料條帶202為以平行配置組裝在觸覺反饋生成器的腔體702中(參照圖7)，且還被示為設(shè)置在兩個熱能源/散熱器(210/212)之間，例如多個條帶的第一側(cè)上的熱源與多個條帶的第二側(cè)上的冷源之間。

圖7示出了其中觸覺反饋生成器的熱能源/散熱器210/212已被移除且描繪出雙層材料條帶202的剖面圖。圖2提供圖6和7的實(shí)施例中所示的多個雙層材料條帶中的示例性雙層材料條帶202的截面圖。所示雙層材料條帶是如本文所述般由具有兩種不同的熱膨脹系數(shù)的兩種不同材料制成的極薄條帶(筆直或具有一定的曲率)。它們是以平行配置布置的。可使用任何數(shù)量的雙層材料條帶，適當(dāng)?shù)貫?個或更多個、更適當(dāng)?shù)貫榧s2個至約100個雙層材料條帶或約10個至約100個、約20個至約100個、約20個至約50個或約10個、約20個、約30個、約40個、約50個、約60個、約70個、約80個、約90個或約100個雙層材料條帶。雙層材料條帶可以具有適當(dāng)?shù)卦诩s10μm至100μm的范圍中的類似或不同厚度。

本文還提供響應(yīng)于用戶接觸觸覺反饋生成器系統(tǒng)在觸覺反饋生成器系統(tǒng)中生成觸覺反饋的方法。在實(shí)施例中，此方法包括提高觸覺反饋生成器系統(tǒng)中的第一熱能源/散熱器的溫度，由此提高系統(tǒng)中的雙層材料條帶的溫度。所述方法進(jìn)一步包括使雙層材料條帶在第一位置與第二位置之間偏轉(zhuǎn)以向用戶生成觸覺反饋。

如本文所述，在實(shí)施例中，提高第一熱能源/散熱器的溫度涉及由于用戶與觸覺反饋生成器系統(tǒng)接觸而將熱能從用戶傳送至第一熱能源/散熱器(即，如本文所述的被動溫度變化)。在其它實(shí)施例中，提高第一熱能源/散熱器的溫度利用通過用戶與觸覺反饋生成器接觸而觸發(fā)的加熱第一熱能源/散熱器(即，如本文所述的主動溫度變化)。

在其它實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括當(dāng)用戶停止與觸覺反饋生成器接觸時將熱能從雙層材料條帶傳送至第二能源/散熱器，以及將雙層材料條帶從第二位置偏轉(zhuǎn)至第一位置。在更進(jìn)一步的實(shí)施例中，當(dāng)用戶停止與觸覺反饋生成器接觸時將熱能從雙層材料條帶傳送至第二熱能源/散熱器，以及將雙層材料條帶從第二位置偏轉(zhuǎn)至第一位置。

雖然上文已經(jīng)描述了各個實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，它們僅呈現(xiàn)為本技術(shù)的說明和實(shí)例而沒有限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白的是，在不脫離本技術(shù)的精神和范圍的情況下可在其中做出形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。因此，本技術(shù)的范疇和范圍不應(yīng)受任何上述實(shí)施例限制，而應(yīng)當(dāng)僅根據(jù)所附權(quán)利要求書和它們的等效界定。還將理解的是，本文討論的每個實(shí)施例的每個特征以及本文敘述的每一次參考均可結(jié)合任何其它實(shí)施例的特征來使用。本文討論的所有專利和公開案以引用方式全部并入本文。