CN110609606A - 压电位移放大装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及压电位移放大装置。提供了一种被配置为生成触觉效果的致动器***。该致动器***包括：被配置为存储不可压缩流体的腔体，该腔体设置在第一基板内；压电致动器，该压电致动器设置在第二基板内；以及隔膜，该隔膜设置在第一基板的腔体和第二基板的压电致动器之间。
Description
技术领域
本发明的实施例一般而言涉及触觉反馈，并且更特别地涉及用于使用压电致动器的触觉反馈的***和方法。
背景技术
电子设备制造商努力为用户生产丰富的界面。常规设备使用视觉和听觉提示向用户提供反馈。在一些界面设备中，还向用户提供动觉反馈(例如，主动的力反馈和抵抗性的力反馈)和/或触感反馈(例如，振动、纹理和热)，更一般地被统称为“触觉反馈”或“触觉效果”。触觉反馈可以提供增强和简化用户界面的提示。具体而言，振动效果或振动触感触觉效果在向电子设备的用户提供提示的方面是有用的，该提示提醒用户具体事件或者提供在模拟或虚拟环境内产生更强感官沉浸的真实反馈。
压电致动器可以提供优于常规致动器的优点。但是，许多压电致动器具有小的位移，这限制了所提供的触觉反馈的类型。因此，需要扩展压电致动器的使用的技术。
发明内容
本发明的实施例涉及被配置为产生显著改进相关技术的触觉效果的电子设备。
实施例的特征和优点在以下描述中阐述，或者将从描述中清楚，或者可以通过实践本发明来学习。
在一个示例中，致动器***被配置为生成触觉效果。该致动器***包括：被配置为存储不可压缩流体的腔体，该腔体设置在第一基板内；压电致动器，该压电致动器设置在第二基板内；以及隔膜，该隔膜设置在第一基板的腔体和第二基板的压电致动器之间。
附图说明
进一步的实施例、细节、优点和修改将从以下结合附图进行的对优选实施例的详细描述变得清楚。
图1是根据本发明的示例实施例的具有触觉功能的(haptically-enabled)***/设备的框图。
图2图示了适合与本发明的实施例一起使用的压电致动器的截面图。
图3图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器的位移的流体放大机构的截面图。
图4图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器的位移的流体放大机构的透视图。
图5A图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器的振动的机械放大机构500的透视图。
图5B图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器的振动的机械放大机构500的俯视图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，这些实施例的示例由附图图示。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的普通技术人员将清楚，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实践。在其它实例中，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和电路，以免不必要地模糊实施例的各方面。只要有可能，就将用相似的附图标记用于相似的元件。
对于许多压电致动器，所提供的位移非常小。例如，压电致动器的位移通常在微米范围内。压电致动器的这种缺点限制了它们的使用，因为压电致动器不能用于在诸如智能电话之类的电子设备中生成显著的振动。
相比之下，典型的线性共振致动器(LRA)利用通常小于一(1)克的小移动质块，并且非常快速地移动小移动质块。但是，LRA类型的致动器通常具有在毫米范围内的位移(即，是压电致动器1000倍的位移)。换句话说，LRA类型的致动器中的移动质块的运动的位移是压电致动器的对应位移1000倍的数量级。使用已知技术，压电致动器的使用受到限制。例如，为了实现相当于LRA类型的致动器的加速力，耦合到压电致动器的移动质块将需要变大1000倍。在智能电话示例中，移动质块将需要具有大约与智能电话设备本身相同的大小(例如，100克)。
因此，本发明的实施例使用机械杠杆作用机构(mechanical leveragingmechanism)来放大压电致动器的位移，以实现高幅度的加速度(例如，1.5Gpp、2Gpp、3Gpp或5Gpp)并生成振动触感触觉效果。示例杠杆作用机构包括流体机构、杠杆机构、滑轮或齿轮机构等。此外，本发明的实施例使用机械杠杆作用将压电位移从微米范围放大到毫米范围。因此，实施例可以利用具有与由LRA类型的致动器使用的移动质块类似的大小的移动质块。此外，与LRA类型的致动器相比，实施例的放大致动器可以是更快和/或更高清晰度(“HD”)类型的致动器。
图1是根据本发明的示例实施例的具有触觉功能的***/设备10的框图。***10包括安装在外壳15内的触敏表面11或其它类型的用户界面，并且可以包括机械按键/按钮13。
在***10内部的是触觉反馈***，该触觉反馈***在***10上生成触觉效果并且包括处理器或控制器12。耦合到处理器12的是存储器20以及耦合到压电致动器18的触觉驱动电路16。处理器12可以是任何类型的通用处理器，或者可以是专门设计用于提供触觉效果的处理器，诸如专用集成电路(“ASIC”)。处理器12可以是操作整个***10的同一处理器，或者可以是单独的处理器。处理器12可以基于高级参数来决定要播放什么触觉效果以及按什么次序播放效果。一般而言，定义特定触觉效果的高级参数包括量值、频率和持续时间。诸如流式马达命令(streaming motor command)之类的低级参数也可以用于确定特定触觉效果。如果触觉效果包括这些参数的在生成该触觉效果时的某种变化或者这些参数的基于用户的交互的变化，那么可以认为该触觉效果是“动态的”。在一个实施例中，触觉反馈***在***10上生成振动30、31或其它类型的触觉效果。
处理器12将控制信号输出到触觉驱动电路16，触觉驱动电路16包括用于向压电致动器18供应所需的电流和电压(即“马达信号”)以产生期望的触觉效果的电子部件和电路***。***10可以不只包括压电致动器18以及其它致动器类型，并且每个致动器可以包括单独的驱动电路16，所有这些驱动电路16都耦合到公共的处理器12。
触觉驱动电路16被配置为生成一个或多个触觉驱动信号。例如，触觉驱动信号可以在压电致动器18的谐振频率处或附近(例如，+/-20Hz、30Hz、40Hz等)生成。在某些实施例中，触觉驱动电路16可以包括各种信号处理级(signal processing stage)，每个级定义这些信号处理级的被应用以生成触觉命令信号的子集。
非瞬态存储器20可以包括可以由处理器12访问的各种计算机可读介质。在各种实施例中，本文描述的存储器20和其它存储器设备可以包括易失性和非易失性介质、可移除和不可移除介质。例如，存储器20可以包括以下的任何组合：随机存取存储器(“RAM”)、动态RAM(“DRAM”)、静态RAM(“SRAM”)、只读存储器(“ROM”)、闪存、高速缓冲存储器和/或任何其它类型的非瞬态计算机可读介质。存储器20存储由处理器12执行的指令。在这些指令当中，存储器20包括音频触觉模拟模块22，音频触觉模拟模块22是当由处理器12执行时使用扬声器28和压电致动器18生成高带宽触觉效果的指令，如下面更详细公开的。存储器20也可以位于处理器12的内部，或者是内部和外部存储器的任何组合。
***10可以是任何类型的手持/移动设备，诸如蜂窝电话、个人数字助理(“PDA”)、智能电话、计算机平板电脑、游戏控制台、控制器或分离式控制器(split controller)、遥控装置或包括具有一个或多个致动器的触觉效果***的任何其它类型的设备。***10可以是可穿戴设备，诸如腕带、头带、眼镜、环、腿带、集成到衣服中的阵列等，或者是用户可以穿戴在身体上或可以由用户持有的并且具有触觉功能的任何其它类型的设备(包括家具或交通工具方向盘)。另外，***10的一些元件或功能可以远程定位，或者可以由与***10的其余元件通信的另一个设备实现。
本发明的实施例一般而言涉及压电致动器。可以使用许多类型的压电致动器。例如，在一些实施例中，压电致动器18可以包括陶瓷或单片压电致动器。在其它实施例中，压电致动器18可以包括复合压电致动器。附加地或替代地，压电致动器18可以放置在其充当延伸件(elongator)、收缩件(contractor)或弯曲件(bender)的位置中。
其它致动器类型可以被包括在***10内。一般而言，致动器是触觉输出设备的示例，其中触觉输出设备是被配置为响应于驱动信号而输出诸如振动触感触觉效果、静电摩擦触觉效果、温度变化和/或变形触觉效果之类的触觉效果的设备。致动器类型包括例如电动马达、电磁致动器、音圈、形状记忆合金、电活性聚合物、螺线管、偏心旋转质块马达(“ERM”)、谐波ERM马达(“HERM”)、线性谐振致动器(“LRA”)、螺线管谐振致动器(“SRA”)、压电致动器、宏观纤维复合物(“MFC”)致动器、高带宽致动器、电活性聚合物(“EAP”)致动器、静电摩擦显示器、超声波振动发生器等。在一些实例中，致动器本身可以包括触觉驱动电路。在以下描述中，压电致动器可以被用作示例，但是应该理解的是，本发明的实施例可以容易地应用于其它类型的致动器或触觉输出设备。
图2图示了适合与本发明的实施例一起使用的压电致动器200的截面图。
如图2所示，压电致动器200包括设置在第一铙钹(cymbal)210A和第二铙钹210B之间的压电陶瓷材料218。在一些实例中，压电致动器200可以安装到机械接地部215，诸如主机电子设备(诸如智能电话)的外壳。第一铙钹和第二铙钹210A、210B中的每一个可以具有圆形和/或类圆顶状的形状，但是各种配置是可行的。此外，例如，第一铙钹和第二铙钹210A、210B中的每一个可以使用一个或多个粘合剂层(未示出)物理地耦合到压电陶瓷材料218。两个或更多个电接触焊盘(electric contacting pad)(未示出)可以被配置为电驱动压电致动器200。
压电致动器200可以包括各种可商购的压电致动器，诸如TDK的MiniaturizedPowerHap 2.5G。例如，这种特定压电致动器具有9mm×9mm的紧凑尺寸、1.25毫米的厚度，产生5N的力，具有2.5G的高加速度(在预定的测量条件下)，并且具有35μm的相对大的位移。
如以上所讨论的，可商购的压电致动器没有为诸如智能电话之类的便携式电子设备提供显著的振动。如以上进一步讨论的，主要原因是极小(即，35μm)的位移特性。相比之下，例如，可商购的LRA类型的致动器通常具有大得多的位移，诸如1mm。
在以下讨论中，各种实施例涉及被配置为放大压电致动器的位移的流体和机械杠杆作用机构。通过实现各种实施例，可以提供高幅度的加速度以用于振动触感触觉效果。此外，各种杠杆作用机构被配置为增加压电致动器的位移，例如从35μm增加到1mm。
图3图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器318的位移的流体放大机构300的截面图。
如图3所示，流体放大机构300包括腔体301、第一基板302A、第二基板302B、硅树脂垫圈层303、隔膜304、活塞305、致动器容器(actuator pocket)306和压电致动器318。
腔体301被配置为存储不可压缩流体(即，具有低可压缩性因子的流体，诸如各种可商购的油或其它重质液体)。在一些实例中，油优于水，因为油的较高粘度为在开口表面A处被接收的驱动部件提供较好的支撑。例如，诸如活塞305之类的驱动部件可以在开口表面A处被接收和驱动。虽然腔体301被描绘为具有T形、具有上开口表面A和下闭合表面B，但是其它配置也是可行的。在各种配置中，表面A的直径小于表面B的直径。
第一基板302A被配置为形成腔体301。换句话说，腔体301形成在第一基板302A内。第二基板302B被配置为将压电致动器318容纳在致动器容器306内。换句话说，致动器容器306形成在第二基板302B内，并且压电致动器318设置在致动器容器306中。第一基板和第二基板302A、302B可以由各种轻质材料形成，诸如丙烯酸或其它塑料。
致动器容器306可略大于压电致动器318。例如，9mm直径的压电致动器318可以设置在12.67mm直径的致动器容器306内。但是，与压电致动器318的高度(例如，1.25mm)相比，致动器容器306的深度(例如，1.2mm)可以略微减小。减小的深度可以被配置为在压电致动器318上产生轻微压缩，以将其保持在第二基板302B和隔膜304之间的适当位置。替代地或附加地，压电致动器318可以以其它方式耦合或物理地接合到第二基板302A和/或隔膜304。例如，可以使用一种或多种粘合剂。
硅树脂垫圈层303是被配置为密封第一基板302A和隔膜304之间的界面的密封剂材料。硅树脂垫圈层303确保流体不会从腔体301泄漏。
隔膜304是薄隔膜层，其可以由诸如钢片或塑料层之类的各种柔性材料构成。例如，隔膜304可以是厚度为0.0635mm(即，0.0025英寸)的钢片。隔膜304的刚度可以通过改变隔膜材料或施加预张力(pre-tension)以调节压电致动器318的共振频率来改变。
活塞305可以是被配置为驱动移动质块的棒状结构或驱动部件。例如，活塞305可以直接地或通过有利的机械组件(诸如杠杆机构、滑轮或齿轮机构等)来驱动移动质块。
结合图2描述压电致动器318的示例结构(例如，图2的压电致动器200)。如以上所讨论的，压电致动器318可以选自可商购的压电致动器。
当被致动时，压电致动器318可以对隔膜304施加力或推动隔膜304。因此，隔膜304可以变形并且可以生成腔体301中的流体的体积位移。进而，腔体301中的流体的体积位移驱动活塞305。这里，隔膜304进入腔体301的位移等于表面A处从腔体301离开的位移。对于腔体301中的不可压缩流体，流体具有恒定的密度和恒定的体积。此外，因为腔体301的表面A的直径小于腔体301的表面B的直径，因此当表面B被隔膜304驱动时，流体以更大的幅度朝表面A移动。表面A和B之间的流体移动的比率是杠杆作用放大或杠杆作用比率。因此，可以改变表面A和B的直径来实现期望的杠杆作用放大(例如，30倍)。
为了实现30倍的杠杆作用放大，表面B的直径可以是表面A的直径的5至6倍(例如，5.5的比率)。这里，例如，表面B的直径可以是13mm，并且表面A的直径可以是2.4mm。
在各种实施例中，活塞305可以是独立部件，或者可以包括或以其它方式耦合到主机电子设备的其它部件，诸如推动按钮、可旋转旋钮、屏幕、触摸屏、数字表冠(digitalcrown)等等。
因此，流体放大机构300可以被配置为实现显著的杠杆作用放大。此外，流体放大机构300可操作以提供与LRA类型的致动器类似量值的触觉效果。
图4图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器418的位移的流体放大机构400的透视图。
如图4所示，流体放大机构400包括腔体401、第一基板402A、第二基板402B和压电致动器418。虽然未在该透视图中明确示出，但是流体放大机构400也包括结合图3描述的诸如硅树脂垫圈层、隔膜和活塞之类的其它部件。此外，致动器418可以设置在第二基板402B的致动器容器内。已经结合图3描述了流体放大机构400的各种部件及其操作。
如以上所讨论的，诸如油或其它重质液体之类的不可压缩流体被包含在腔体401内来为可以在开口表面A处被接收的驱动部件(诸如活塞)提供支撑。在各种配置中，表面A的直径小于表面B的直径。
这里，流体放大机构400被描绘为在机械接地部415上，诸如在智能电话的外壳或另一个部件上。虽然机械接地部415被描绘为单个元件，但是多个机械耦合的元件可以共同形成机械接地部415。此外，多个螺钉和螺母被描绘为物理地接合流体放大机构400的各种部件，但是，也可以使用其它耦合机构。
图5A图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器的振动的机械放大机构500的透视图。图5B图示了根据本发明的示例实施例的用于放大压电致动器的振动的机械放大机构500的俯视图。
如图5A和图5B所示，机械放大机构500包括杠杆521、支点522、移动质块523和张力弹簧524。杠杆521和/或移动质块523被配置为由诸如图3的活塞305之类的驱动部件505驱动。虽然这里描绘了活塞505，但是从该视图中已经省略了活塞驱动机构(例如，图3的流体放大机构300)。此外，张力弹簧524可以被配置为将杠杆521和/或移动质块523返回到期望的静止或非驱动位置。
根据优选实施例，驱动部件505由诸如图2的压电致动器200之类的压电致动器驱动。但是，驱动部件505也可以由其它致动器类型驱动，诸如结合图1讨论的各种触觉输出设备。
通过将部件505放置在与支点522相比的相对的远侧，用于驱动移动质块523的力的量大大减小。虽然所描绘的实施例利用诸如杠杆521之类的杠杆机构，但是移动质块也可以由其它机械上有利的机构驱动，诸如由滑轮机构、齿轮机构等驱动。附加地或替代地，多致动器机械机构可以利用位于支点522的相对侧上的压电致动器。在各种实施例中，移动质块523的位移与移动质块523的输出力之间可能存在权衡(tradeoff)。
在各种实施例中，移动质块523可以是独立部件，或者可以包括或以其它方式耦合到主机电子设备的其它部件，诸如推动按钮、可旋转旋钮、屏幕、触摸屏、数字表冠等等。
本领域普通技术人员将容易理解，如以上所讨论的本发明可以以不同次序的步骤和/或以与所公开的那些配置不同的配置中的元件来实践。此外，本领域普通技术人员将容易理解，可以以各种组合实践各种实施例的特征。因此，虽然已经基于这些优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说将清楚的是，某些修改、变化和替代构造将是清楚的，同时保持在本发明的精神和范围内。因此，为了确定本发明的边界和界限，应该参考所附权利要求。
Claims (20)
1.一种被配置为生成触觉效果的致动器***，所述致动器***包括：
被配置为存储不可压缩流体的腔体，所述腔体设置在第一基板内；
压电致动器，所述压电致动器设置在第二基板内；以及
隔膜，所述隔膜设置在所述第一基板的所述腔体和所述第二基板的所述压电致动器之间。
2.根据权利要求1所述的致动器***，还包括硅树脂垫圈层，所述硅树脂垫圈层被配置为密封所述第一基板和所述隔膜之间的界面。
3.根据权利要求1所述的致动器***，其中所述不可压缩流体是油。
4.根据权利要求1所述的致动器***，还包括：
设置在所述腔体的开口表面处的活塞。
5.根据权利要求1所述的致动器***，其中所述腔体的开口表面的第一直径小于所述腔体的闭合表面的第二直径。
6.根据权利要求1所述的致动器***，其中所述压电致动器设置在所述第二基板的致动器容器内，所述致动器容器具有比所述压电致动器的高度小的深度。
7.根据权利要求1所述的致动器***，其中当所述压电致动器被致动时，施加的力引起所述隔膜变形进入所述腔体中。
8.根据权利要求7所述的致动器***，其中所述变形引起所述不可压缩流体的移动，所述移动被配置为驱动设置在所述腔体的开口表面处的活塞。
9.根据权利要求8所述的致动器***，其中所述活塞被配置为驱动移动质块，所述移动质块耦合到杠杆或其它机械组件。
10.根据权利要求8所述的致动器***，其中所述活塞被配置为驱动电子设备的用户输入元件。
11.根据权利要求1所述的致动器***，其中所述压电致动器包括设置在铙钹结构之间的压电陶瓷材料。
12.根据权利要求1所述的致动器***，其中所述隔膜的刚度值是根据所述压电致动器的共振频率来确定的。
13.一种用于提供致动器***的方法，所述致动器***被配置为生成触觉效果，所述方法包括：
在第一基板内提供腔体，所述腔体被配置为存储不可压缩流体；
提供设置在第二基板内的压电致动器；以及
提供设置在所述第一基板的所述腔体和所述第二基板的所述压电致动器之间的隔膜。
14.根据权利要求13所述的用于提供致动器***的方法，还包括：
提供硅树脂垫圈层，所述硅树脂垫圈层被配置为密封所述第一基板和所述隔膜之间的界面。
15.根据权利要求13所述的用于提供致动器***的方法，其中所述不可压缩流体是油。
16.根据权利要求13所述的用于提供致动器***的方法，还包括设置在所述腔体的开口表面处的活塞。
17.根据权利要求13所述的用于提供致动器***的方法，其中所述腔体的开口表面的第一直径小于所述腔体的闭合表面的第二直径。
18.根据权利要求13所述的用于提供致动器***的方法，其中所述压电致动器设置在所述第二基板的致动器容器内，所述致动器容器具有比所述压电致动器的高度小的深度。
19.根据权利要求13所述的用于提供致动器***的方法，其中当所述压电致动器被致动时，施加的力引起所述隔膜变形进入所述腔体中。
20.根据权利要求19所述的用于提供致动器***的方法，其中所述变形引起所述不可压缩流体的移动，所述移动被配置为驱动设置在所述腔体的开口表面处的活塞。
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