无框致动器设备、系统和方法
【专利摘要】公开一种薄膜致动器。该致动器包括无框致动器薄膜。无框致动器薄膜包括设置在第一与第二电极之间的至少一个弹性介电薄膜，施加在无框致动器薄膜的一侧上的至少一个粘合剂。它还能够包括施加在无框致动器薄膜的相对侧上的第二粘合剂。公开一种制作致动器的方法。还公开一种可配置致动器元件。
【专利说明】无框致动器设备、系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请根据35 USC § 119(e)要求2011年I月18日提交的标题为“FRAME-LESSDESIGN CONCEPT AND PROCESS”的美国临时专利申请号61/433640,2011年2月15日提交的标题为 “FRAME-LESS DESIGN” 的 61/442913、2011 年 3 月 I 日提交的标题为 “FRAMELESSACTUATOR, LAMINATION AND CASING” 的 61/447827、2011 年 4 月 21 日提交的标题为“FRAMELESS APPLICATION” 的 61/477712 以及 2011 年 10 月 10 日提交的标题为 “ANALTERNATIVE TO Z-MODE ACTUATORS”的61/545292的权益，通过引用将其每个的全部公开结合于此。
【技术领域】
[0002]在各个实施例中，本公开一般涉及用于结合薄膜电活性聚合物装置的设备、系统和方法。更具体来说，本公开涉及用于移动和/或振动装置的表面和组件的无框致动器模块。具体来说，本公开涉及一种无框触觉反馈模块，该无框触觉反馈模块能够与用于移动和/或振动装置的表面和组件的装置集成。
【背景技术】
[0003]一些手持装置和游戏控制器采用常规触觉反馈装置，该常规触觉反馈装置使用小振动器、通过在进行视频游戏的同时向用户提供力反馈振动来增强用户的游戏体验。支持特定振动器的游戏能够使装置或游戏控制器在选择情况中、例如在用武器射击或者受到伤害时进行振动，以便增强用户的游戏体验。虽然这类振动器足以传递大引擎和爆炸的感觉，但是它们是相当单调的，并且要求较高的最小输出阈值。相应地，常规振动器无法充分再现引起诸如按钮点击之类的特定触 觉效果的出色振动或者非周期运动。除了低振动响应带宽之外，常规触觉反馈装置的附加限制包括在附连到诸如智能电话或游戏控制器之类的装置时的庞大和笨重。
[0004]为了克服常规触觉反馈装置所遭遇的这些及其它难题，本公开提供包括介电弹性体的基于电活性聚合物人工肌肉(EPAM?)的无框致动器模块，介电弹性体具有制作反应迅速并且紧凑的无框触觉装置所需的带宽和能量密度。这些无框致动器模块可在多种应用中得到应用，而并不局限于触觉反馈。这类基于EPAM?的无框触觉反馈模块包括薄片，薄片包括夹在两个电极层之间的介电弹性体薄膜。当高电压施加到电极时，两个吸合电极压缩被激励区域中的膜厚度。基于EPAM ?的无框致动器装置提供一种细长低功率致动器模块，该致动器模块能够放置在活动悬架上的惯性质量(通常为电池或触摸表面)下面，以便生成能够由用户感知的触觉反馈。
【发明内容】
[0005]在一个实施例中，提供一种无框致动器。该无框致动器包括一种无框致动器，其中包括设置在第一与第二电极之间的至少一个弹性体介电薄膜。第一压敏粘合剂施加在无框致动器薄膜的一侧上。第二压敏粘合剂施加在无框致动器薄膜的相对侧上。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]为了进行说明而不是限制，现在将结合附图来描述本发明，其中:
图1是按照一个实施例的致动器系统的剖面图。
[0007]图2是示出操作原理的致动器系统的一个实施例的示意图。
[0008]图3示出与图1所示致动器模块相似的、包括刚性框架和分隔段的致动器的一个实施例。
[0009]图4示出本文中称作无框致动器的没有框架结构的致动器的一个实施例。
[0010]图5是与图4所示无框致动器相似的无框二层(2L)致动器的一个实施例的安装过程的流程图。
[0011]图6是二层无框致动器薄膜、例如按照图4和图5所示实施例的致动器薄膜的一个实施例的印刷和组装过程的流程图。
[0012]图7示出包括弯曲顶板、弯曲底板以及滑动地附连在它们之间的无框致动器的弯曲形状因数致动器模块。
[0013]图8是无框致动器的一个实施例的分解图。
[0014]图9A、图9B、图9C和图9D示出用于构成具有以下如图11所示的可抛弃框架的二层(2L)致动器模块的过程的一个实施例。
[0015]图10示出用于构成具有以下如图12所示的可抛弃压敏粘合剂的二层(2L)致动器模块的一个实施例的过程的一个实施例。
[0016]图11是包括可抛弃框架的无框致动器的一个实施例的侧截面图。
[0017]图12是包括作为框架的压敏粘合剂的无框致动器的一个实施例的侧截面图。
[0018]图13是包括具有可抛弃框架的多个单独无框致动器的印刷无框致动器的一个实施例的集合。
[0019]图14示出分割无框致动器的一个实施例，其中可抛弃框架仍然被附连以在分割之后保持预应变薄膜。
[0020]图15示出附连到衬底的无框致动器和可抛弃框架的切掉的一个实施例。
[0021]图16是具有在三侧围绕致动器薄膜的印刷扩展压敏粘合剂的无框致动器的一个实施例的局部分解图。
[0022]图17示出切割为限定预切割轮廓的九个独立单元的封装箔的一个实施例。
[0023]图18示出包括设计成易于接合到封装箔的另一部分的切割图案的封装箔的一个实施例。
[0024]图19示出对齐到图18所示预切割封装箔并且准备好通过真空进行层叠的四致动
器薄膜层。
[0025]图20示出在致动器薄膜被切割并且与封装箔拉伸框架分离之后的图19所示致动
器薄膜。
[0026]图21示出图19所示的封装箔，其中一个剩余致动器薄膜致动器留在拉伸框架中。
[0027]图22示出从图19所示封装箔拉伸框架移开的九个致动器薄膜致动器中的八个。
[0028]图23是无框致动器到顶板和底板以及此后经过压缩的一个实施例的安装过程的流程图。
[0029]图24A-24F示出安装在弯曲表面上的无框致动器的各个实施例。
[0030]图25A和图25B示出可配置致动器元件的一个实施例。
[0031]图26是如图25A、图25B所示的可配置致动器元件阵列的一个实施例。
[0032]图27是各种加框致动器以及按照本公开的无框致动器的各个实施例的惯性驱动时间响应的图形表示。
[0033]图28是各种加框致动器以及按照本公开的无框致动器的各个实施例的惯性驱动频率响应的图形表示。
[0034]图29是各种三条加框致动器以及按照本公开的三条无框致动器的各个实施例的惯性驱动时间响应的图形表示。
[0035]图30是各种三条加框致动器以及按照本公开的三条无框致动器的各个实施例的惯性驱动频率响应的图形表示。
【具体实施方式】
[0036]在详细说明所公开实施例之前，应当注意，所公开实施例的应用或使用并不局限于附图和描述中所示的部件的构造和布置的细节。所公开实施例可在其它实施例、变化和修改中实现或者结合，并且可按照各种方式来实施或执行。此外，除非另加说明，否则本文所采用的术语和表达为了方便读者而选择用于描述说明性实施例，而并不是为了对其进行限制。此外，应当理解，所公开实施例、实施例的表达以及示例中的任何一个或多个能够非限制性地与其它所公开实施例、实施例的表达以及示例中的任一个或多个相结合。因此，一个实施例中公开的元件与另一个实施例中公开的元件的组合被认为处于本公开和所附权利要求书的范围之内。
[0037]本公开提供基于电活性聚合物人工肌肉(EPAM?)的无框装置的各个实施例。在开始描述包括基于EPAM ?的无框致动器模块的各种装置之前，本公开简要地参照图1，图1是可与手持装置(例如装置、游戏控制器、控制台等)整体结合以增强轻便小巧模块中的用户触觉反馈体验的致动器系统的剖面图。相应地，现在参照固定板类型致动器模块100来描述致动器系统的一个实施例。致动器在由高电压激励时使输出板102 (例如滑动表面)相对于固定板104(例如固定表面)滑动。板102、104通过钢珠来分隔，并且具有将移动限制到预期方向、限制行进并且耐受跌落试验的特征。为了集成到装置中，顶板102可附连到惯性质量，例如电池或装置的触摸表面、屏幕或显示器。在图1所示实施例中，致动器模块100的顶板102由安装到惯性质量的滑动表面或者如箭头106所示能够双向移动的触摸表面的背面来组成。在输出板102与固定板104之间，致动器模块100包括至少一个电极108、至少一个分隔段110以及附连到滑动表面、例如顶板102的至少一个条112。刚性框架114和分隔段110附连到固定表面、例如底板104。致动器模块100可包括配置为阵列的任何数量的条112，以便放大滑动表面的运动。致动器模块100可经由挠性电缆116耦合到致动器控制器电路的驱动电子器件。
[0038]基于EPAM?的致动器模块10的优点包括向用户提供更逼真感受的力反馈感觉，该力反馈感觉能够基本上立即感受，消耗明显更少电池使用寿命，并且适合于可定制设计和性能选项。致动器模块100表不由Artificial Muscle Inc.(AMI) (Sunnyvale,CA)所研制的致动器模块。
[0039]仍然参照图1，致动器模块100的许多设计变量(例如厚度、占用面积)可根据模块集成者的需要来固定，而其它变量(例如介电层数量、工作电压)可根据成本来限制。将占用面积(相对地)分配给刚性支承结构与活动介电致动器几何结构是使致动器模块10的性能适应其中致动器模块100与装置集成的应用的适当方式。
[0040]在与此同一日期提交的标题为“FLEXURE APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD”的共
同受让和同时提交的国际PCT专利申请N0.PCT/US2012/_中描述了与用于移动和/
或振动装置的表面和组件的装置集成的触觉反馈模块的附加公开，通过引用将其完整公开结合于此。
[0041]图2是示出操作原理的致动器系统200的一个实施例的示意图。致动器系统200包括电耦合到致动器模块204、示为低电压直流(DC)电池的电源202。致动器模块204包括设置在(例如夹在)两个导电电极208A、208B之间的薄弹性电介质206。在一个实施例中，导电电极208A、208B是可拉伸的(例如适形的)，并且可使用任何适当技术、例如丝网印刷来印刷在弹性电介质206的顶部和底部。致动器模块204通过闭合开关212以将电池202耦合到致动器电路210来激活。致动器电路210将低DC电压VBatt转换为适合于驱动致动器模块204的高DC电压Vin。当高电压Vin施加到导电电极208A、208B时，弹性电介质206在静电压力下沿垂直方向(V)收缩以及沿水平方向(H)膨胀。弹性电介质206的收缩和膨胀能够作为运动来利用。运动或位移量与输入电压Vin成比例。运动或位移可通过致动器或者多个致动器的适当配置来放大，如与此同一日期提交的标题为“FLEXURE APPARATUS,
SYSTEM, AND METHOD”的共同转让和同时提交的国际PCT专利申请N0.PCT/US2012/_
中所述，通过引用将其完整公开结合于此。
[0042]本公开中描述无框致动器模块的各个实施例。图3示出与图1所示致动器模块100相似的、包括刚性框架302和分隔段304的致动器300的一个实施例。致动器300是三条致动器，例如其中每个条包括耦合到刚性框架302的电极310和弹性电介质312。将会理解，致动器300根据预期的机械放大水平可包括一个或多个条。激活能量源耦合到电输入端子306A、306B。致动器300的刚性框架302结构促成致动器300的总厚度。在各个实施例中，致动器300对于二层装置可具有大约400 μπι±50 μ m的总厚度，并且包括安装压敏粘合剂(PSA)，总厚度对于二层装置为500 μπι±50 μ m，例如，其中框架302的厚度范围可从大约280 μ m至大约320 μ m。相应地，为了显著减小致动器300的总厚度，可去除框架302结构，因为它是致动器300的总厚度的主要促成因素。没有框架结构302的致动器的一个实施例在本文中称作无框致动器，如图4所示。对于采用压敏粘合剂的实施例，无框致动器可薄至200 μ m。
[0043]图4是无框致动器400的一个实施例的分解图。无框致动器400包括第一防粘衬里402和第二防粘衬里404。致动器薄膜406分别通过第一印刷压敏粘合剂416和第二印刷压敏粘合剂414以粘合方式附连到第一和第二防粘衬里402、404。在各个实施例中，致动器薄膜406可包括一层或多层。非限制性地，在一个实施例中，致动器薄膜406可包括两层(2L)，以及在其它实施例中，致动器薄膜406可包括四层(4L)。在所示实施例中，致动器薄膜406包括三条，其中每个条408包括电极410、弹性电介质406和输入端子412A、412B。电极处于薄膜的两侧上，但是它可能在一侧上为公共地(无图案)。将会理解，致动器薄膜406根据预期的机械牵连水平可包括一个或多个致动器条。在一个实施例中，致动器薄膜406经过预应变。下面描述组装期间在没有使薄膜回卷的情况下保持预应变薄膜406的各种方法。防粘衬里402、404充当用于压敏材料的基础层并且服务于若干目的。在那些目的之中，防粘衬里使用压敏粘合剂的粘附力来保持预应变薄膜，以及衬里保护基础粘合层，直到致动器400准备好施加到装置。当致动器400准备好施加到装置时，防粘衬里402、404还应当易于去除。相应地，如以下更详细论述，应当平衡防粘衬里402、404和压敏粘合剂414、416的性质。
[0044]图5是与图4所示无框致动器400相似的无框二层(2L)致动器的一个实施例的安装过程的流程图500。无框二层致动器安装到包括顶板504和底板502的刚性框架，以便形成能够耦合到装置的刚性顶板和底板的致动器模块。致动器400按照三个安装阶段以参考标号400A、400B、400C示出，其中无框致动器400A最初提供有第一和第二防粘衬里402、404。图5所示无框致动器400A的实施例是包括第一防粘衬里402和第二防粘衬里404的预应变薄膜类型致动器400A。压敏粘合剂414以可释放方式将第二防粘衬里404附连到第一介电薄膜506，而压敏粘合剂416以可释放方式将第一防粘衬里402附连到第二介电薄膜508。膜间粘合剂510将第一介电薄膜506附连到第二介电薄膜508。可去除压敏粘合剂512附连到第二防粘衬里404。释放层514附连到第一介电薄膜506。在图5所示的配置中，第一与第二防粘衬里402、404之间的无框二层(2L)致动器400A的部分的厚度“d”在大约175 μ m至大约215 μ m的范围之内。
[0045]在一个实施例中，在过程516，从致动器400A去除第一防粘衬里402以提供致动器400B，致动器400B通过压敏粘合剂416附连、例如粘附到底板502。因此，致动器400B固定地耦合到底板502。
[0046]一旦致动器400B固定地耦合到底板502，在一个实施例中，在过程518，从致动器400B去除第二防粘衬里404以提供致动器400C，致动器400C附连、例如粘附到顶板504。要注意，可去除压敏粘合剂512在通过适当选择释放能量被去除时保持为附连到第二防粘衬里404，如下所述。致动器400C这时包括以粘合方式附连到底板502的第一介电薄膜506以及以粘合方式附连到顶板504的第二介电薄膜508。如前面所述，第一和第二介电薄膜506,508通过膜间粘合剂510以粘合方式来耦合。释放层514保持为附连到与顶板504的内壁部分相对的第二介电膜508的一侧。
[0047]将会理解，按照一个实施例，各种压敏粘合剂、可去除压敏粘合剂、第一和第二防粘衬里以及释放层的释放能量选择如下。压敏粘合剂416/第一防粘衬里402界面的释放能量小于可去除压敏粘合剂512/释放层514界面的释放能量，可去除压敏粘合剂512/释放层514界面的释放能量小于第二防粘衬里404/压敏粘合剂414界面的释放能量，第二防粘衬里404/压敏粘合剂414界面的释放能量具有与第二防粘衬里404/可去除压敏粘合剂512界面大致相同的释放能量。表I提供释放表面和粘合剂界面的各种组合的释放能量数据。表2提供衬底和粘合剂界面的各种组合的剥离力数据。
[0048]表I释放能量数据
【权利要求】
1.一种无框薄膜致动器，包括: 无框致动器薄膜，包括至少部分设置在第一与第二电极之间的至少一个弹性介电薄膜； 粘合剂，施加在所述无框致动器薄膜一侧的至少一部分上。
2.如权利要求1所述的无框薄膜致动器，还包括: 第二粘合剂，施加在所述无框致动器薄膜相对侧的至少一部分上。
3.如权利要求1和2中的任一项所述的无框薄膜致动器，其中，所述粘合剂从由压敏粘合剂、可膨胀粘合剂、热溶性粘合剂、b级粘合剂和可UV固化粘合剂所组成的组中选取。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的无框薄膜致动器，还包括: 施加到所述粘合剂的防粘衬里。
5.如权利要求2所述的无框薄膜致动器，还包括: 施加到所述第一粘合剂的第一防粘衬里；以及 施加到所述第二粘合剂的第二防粘衬里。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的无框薄膜致动器，还包括耦合到所述致动器薄膜以在预拉伸致动器薄膜附连到刚性衬底之前支承所述预拉伸致动器薄膜的可抛弃框架。
7.如权利要求6所述的无框薄膜致动器，其中，所述可抛弃框架由压敏粘合剂来形成。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的无框薄膜致动器，其中，所述无框致动器薄膜包括两层或更多层弹性介电薄膜。
9.如权利要求8所述的无框薄膜致动器，其中，所述致动器薄膜包括四层弹性介电薄膜。
10.如权利要求8所述的无框薄膜致动器，其中，所述两层或更多层弹性介电薄膜采用膜间粘合剂来层叠。
11.如权利要求4所述的无框薄膜致动器，还包括施加到所述防粘衬里的至少一部分的可去除粘合剂。
12.如权利要求4所述的无框薄膜致动器，还包括施加到所述弹性介电薄膜中的一层或多层的至少一部分的释放层。
13.如权利要求1至12中的任一项所述的无框薄膜致动器，包括基本上平坦刚性顶板表面和基本上平坦刚性底板表面，其中所述无框致动器薄膜滑动地设置在顶板与底板之间。
14.如权利要求1至12中的任一项所述的无框薄膜致动器，包括弯曲刚性顶板表面和弯曲刚性底板表面，其中所述无框致动器薄膜滑动地设置在顶板与底板之间。
15.一种制造无框薄膜致动器的方法，所述方法包括: 预拉伸弹性介电薄膜，所述预拉伸弹性介电薄膜具有顶侧和底侧； 将所述预拉伸弹性介电薄膜接合到临时框架材料，其中所述框架材料有足够强度来支承所述预拉伸弹性介电薄膜的预应变； 将电极和汇流条施加到所述预拉伸弹性介电薄膜的至少一侧；以及 将粘合剂施加到所述预拉伸弹性介电薄膜的至少一侧。
16.如权利要求15所述的方法，其中，一个或多个窗口在所述框架材料中形成。
17.如权利要求15和16中的任一项所述的方法，其中，所述框架材料是抗撕拉材料。
18.如权利要求15至17中的任一项所述的方法，还包括将至少一个防粘衬里施加到所述粘合剂。
19.如权利要求15至18中的任一项所述的方法，其中，所述框架配置成支承多个无框薄膜致动器并且分割所述致动器。
20.如权利要求15至19中的任一项所述的方法，其中，所述框架和粘合剂材料中的至少一个是刚性可膨胀材料，以及所述刚性可膨胀材料在顶与底衬底之间经过压缩。
21.如权利要求20所述的方法，还包括在所述压缩过程之前、期间或之后将热量施加到所述可膨胀粘合剂。
22.一种可配置致动器元件，包括: 介电弹性薄膜； 由所述介电弹性薄膜所支承的电极； 多个可膨胀泡沫结构，相对于所述介电弹性薄膜和所述电极来定位，其中所述多个可膨胀泡沫结构相对于所述介电弹性薄膜来定位，并且所述电极在所述电极没有被激励时呈现第一高度以及在所述电极被激励时呈现第二高度。
23.如权利要求22所述的可配置致动器元件，其中，当所述电极没有被激励时，所述介电弹性薄膜平面地拉伸，以及所述多个可膨胀泡沫结构由所述拉伸介电弹性薄膜压缩到所述第一高度。
24.如权利要求23所述的可配置致动器元件，其中，当所述电极被激励时，所述多个可膨胀泡沫结构膨胀并且推压所述介电弹性薄膜以将所述介电弹性薄膜从所述第一高度升高到所述第二高度。`
25.一种如权利要求22所述的可配置致动器元件的阵列，其中，所述元件能够单独被激励，以便使弹性薄膜的不同部分能够升高到不同高度。
【文档编号】G06F3/01GK103502908SQ201280014193
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年1月17日 优先权日:2011年1月18日
【发明者】俞美京, W.D.苏特兰, 关淑文, A.奥比斯波, J.梅 申请人:拜耳知识产权有限责任公司