具有改进的触觉特性的致动器装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及包括有源层(410)的致动器装置(400)，该有源层顶上直接或间接具有在使用时可以由用户触摸的皮肤层(420)。有源层(410)的构造可以在延伸方向(x，y)上可控地改变，并且皮肤层(420)包括多个抬升部(E)和中间凹槽(R)。由于其结构，皮肤层(420)不阻碍有源层(410)在延伸方向上的共形改变，同时该皮肤层提供该致动器装置(400)的良好触觉特性。有源层(410)尤其可包括电活性聚合物(EAP)。皮肤层(420)可以由彼此隔离开的多个颗粒构成，或者它可以包括比有源层(410)更硬的薄表面层(421)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种致动器装置，该致动器装置具有至少一个延伸方向并且包括有源层，该有源层的构造能够被可控地改变。此外，本专利技术涉及用于制作致动器装置的方法。
技术介绍
美国专利申请No. 2009/0167704公开了一种向触摸屏的用户提供触感(haptic)反馈的装置。该装置包括具有透明电极线的第一层、透明压电材料层、垂直于第一层的透明电极线延伸的透明电极线的第二层以及触摸屏输入层的叠层。在位于压电层的相对侧上的电极之间施加的电场的影响下，压电材料在垂直于所述层的方向上收缩和扩大。该装置可以借助可选表面高度的二维阵列给予用户反馈，该可选表面高度的二维阵列是通过在电极线之间施加对应的电压差图案实现的。显然，电极不形成在操作期间可以被用户触摸的皮肤层。需要在第一层电极线的电极线之间保持大的电压差。W02010/00261A1公开了一种用于在机械能和电能之间进行转换的换能器，该换能器包括布置在两个电极之间的平面电活性聚合物(EAP)层。为了引起EAP的各向异性行为，借助于中间塑性可变形材料使所述电极层褶皱。W02007/099094类似地公开了用于在机械能和电能之间进行转换的换能器。使用夹置在电极之间的压电层，所述电极由聚合物材料制成。由于最外层是导电电极，这种换能器不能用在用户直接接触的表面上。
技术实现思路
基于这一背景，本专利技术的目的是提供致动器装置的表面能够获得良好触觉(tactile)特性的手段。该目的通过根据权利要求I的致动器装置、根据权利要求10的使用以及根据权利要求11的方法实现。在从属权利要求中公开了优选实施例。根据本专利技术的致动器装置可以用于很多不同目的，并且因此可以具有各种形状。然而该形状应当使得存在至少一个(几何)延伸方向。作为例子，具有单个延伸方向的致动器装置将具有丝状形状，而具有两个延伸方向的致动器装置将具有面(不一定是平的)形状。该致动器装置包括以下部件 a)在下文中称为“有源层”的第一层，其中所述有源层的构造(至少)在上面提及的方向上能够被可控地改变。例如，该有源层可以在接收到适当信号(例如电场)时在所述延伸方向上收缩或扩大。b)在下文中称为“皮肤层”并且布置于前述有源层上的第二层。在上下文中，术语“在……上”应当表示(相对于延伸方向)平行于有源层且直接或间接附连到有源层的布置。此外，皮肤层结构化成使得它具有被中间凹槽分开的多个抬升部(elevation)。顾名思义，皮肤层通常是该致动器装置的最外层，即，它可以被用户触摸。由于其皮肤层的原因，上述致动器装置可以被提供良好的特性。例如，该致动器装置的触摸特性由抬升部和抬升部之间的凹槽决定，与外部物体(例如用户的手指)的接触通过所述抬升部发生，所述凹槽减小可用的接触面积。这提供了可用于减小致动器装置与物体之间的摩擦的设计参数。由于其结构的原因，皮肤层另外不或者仅仅最小程度地干扰有源层在延伸方向上的构造变化。如已经在上文中指明，术 语“致动器装置”以很广泛的意义在此处被使用，它包括很多不同的应用。致动器装置例如可以为物体提供给予用户触感/触觉反馈的可变表面，或者它可以用于构建软的触觉传感器。可选地，该致动器装置可以包括布置于有源层和皮肤层之间的至少一个无源层。顾名思义，此无源层不能改变其自己的构造，而是跟随有源层的构造改变。无源层的典型功能是放大和/或重整(reshape)有源层的构造改变。根据所描述的致动器装置的特定实现，皮肤层包括将在下文中称为“颗粒”的多个(小)本体。所述颗粒由不同于有源层的材料构成并且通过凹槽彼此隔离开。颗粒可以具有不同的规则或不规则的三维形状，例如，具有圆形或多边形截面的柱体的形状。此外，颗粒可以以规则或不规则图案(阵列)布置在有源层的表面上。因为颗粒是不连接的，它们不阻碍有源层在延伸方向上的共形改变。颗粒的材料优选具有比有源层的材料更高的机械硬度。在很多情况下，该硬度可以用杨氏模量表征，其照例定义为在胡克定律成立的应力范围内单轴应力与单轴应变之比。为了包括具有非线性行为的材料(例如橡胶和很多聚合物)，在下文中将使用“弹性模量”而不是杨氏模量，其中该弹性模量定义为在线性近似下杨氏模量的局部值。根据另一个实施例，皮肤层由至少两个子层构成，其中这些子层中的最外层在下文中称为“表面层”。所述表面层应当是褶皱的，表面层的材料的弹性模量高于有源层的材料和/或有源层和皮肤层之间的任何附加层(例如上述的无源层)的材料的弹性模量。这意味着表面层的材料比下面的(多个)层的材料更硬，这可被利用以提高致动器装置的触觉特性。应当注意，对于在延伸方向上的运动，表面层的有效硬度很大程度上由其褶皱形状决定，并且因此可远小于材料本身的硬度。由于此原因，表面层不阻碍有源层在延伸方向上的共形变化。表面层的材料的弹性模量与有源层和/或附加层的材料的弹性模量之比优选范围为 2:1-1000:1。在前述情况的特定实施例中，表面层的材料的弹性模量为约100kPa_50GPa，优选为约IMPa-lOGPa，最优选为约10MPa_10GPa。结果是这些值适于提供具有良好触觉特性的致动器装置。有源层的材料的弹性模量通常可以在IOkPa-IOOMPa的范围，优选为约IOOkPa-1OMPa,最优选为约 500kPa_5MPa。正如已经提及的，皮肤层应当择优地不阻碍有源层在延伸方向上的运动。为此，皮肤层在延伸方向上应当是高度顺应的(compIiabIe)。更具体而言,优选的是，来自使整个致动器装置在延伸方向上发生弹性应变(或压缩)所需的力的0%-90%，优选0%-50%，甚至更优选0%-25%需要使皮肤层发生应变(或压缩)，而剩余的力需要使有源层和附加层(如果存在)发生应变(压缩)。如上所述，可用通过用隔离的颗粒构成所述皮肤层(在这种情况下，不需要力来使皮肤层发生应变)或者通过为皮肤层提供褶皱，实现皮肤层的这种低顺应性。皮肤层的抬升部的直径通常为相邻抬升部之间的距离优选为此外，凹槽的深度可以为结果是，这些值适于提供具有良好触觉特性的致动器装置。一般而言，有源层可以包括其中能够可控地引起延伸方向上的构造变化的任何材料。最优选地，有源层包括其中能够通过电场引起这种变化的电活性材料。这种材料的特别重要的例子是电活性聚合物，在下文中称为“EAP”，优选的是在外部电场中改变其几何形状的介电电活性聚合物。EAP的例子可以在文献中找到(例如Bar-Cohen,Y. :"Electroactive polymers as artificial muscles: reality, potential andchallenges"，SPIE Press, 2004 ;Koo，I. M.等,Development of Soft-Actuator-BasedWearable Tactile Display' IEEE Transactions on Robotics, 2008， 24(3): p.549-558 ;〃Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers; Fundamentals,materials, devices, models and applications of an emerging elec本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D布罗肯，DJ布罗尔，FMH克罗普沃伊特斯，H德康尼格，WM马塔姆，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：
国别省市：