散热防断,微软专利为AR/VR头显提出纤维结构组件材料

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通过纤维结构增强部分来增强结构刚度和强度

映维网 2021年12月18日)由于AR和VR眼镜的复杂性(以及由此产生的费用),厂商都需要提供坚固的镜框,以便当它滑落并撞击地面时不会破裂。常规的镜框和侧臂是由机织物复合材料形成,因为这种复合材料提供了有利的结构性能。例如,机织物复合材料相对于其重量往往表现出高强度,所以机织物复合材料制成的框架在跌落时的断裂可能性较低。

但与传统眼镜中使用的塑料相比,机织物复合材料往往价格昂贵。另外,机织物复合材料往往具有比塑料更高的密度,并且与塑料注射成型相比,使用机织物复合材料时的制造时间更长,这是因为使用机织物复合材料制造所需的手动叠层技术。相对高密度的机织物复合材料可能会导致AR或VR眼镜不适合用户长时间佩戴。

然而,使用塑料注射成型来制造部分AR和VR眼镜同样存在缺点。如上所述,通过塑料注射成型形成AR和VR眼镜可导致机械性能相对较低的零件,从而相对容易地断裂。另外,塑料通常不容易散热,所以由AR或VR眼镜电路(例如微处理器、数字信号处理器、专用集成电路、微控制器等)产生的热量局限于塑料中,从而产生可能导致用户不适和/或可能对塑料的结构强度产生负面影响的热点。

在名为“Structural fiber component for injection molding in head mounted displays”的专利申请中,微软就针对所述问题提出了一种解决方案。具体来说,微软描述了一种纤维结构组件,通过纤维结构增强部分来增强结构刚度和强度。

参考图1示出了一组AR和/或VR眼镜100,其中AR和/或VR眼镜100包括由模制材料形成的部分。所述模制材料用连续纤维组件加固。与完全由塑料形成的部分相比,使用连续纤维组件增强模制材料可以提高结构刚度和强度。

尽管未示出,AR和/或VR眼镜100可以包括一系列的元件,例如一个或多个微处理器、微控制器、ASIC、投影设备(例如扫描激光显示系统)、位于AR和/或VR眼镜100中的显示表面、能源(例如电池)、惯性传感器(如陀螺仪、加速计等)、定位传感器(如全球定位系统传感器)、摄像头和无线发射器等等。

在图1所示的示例中,眼镜100包括一个配置为停留在用户鼻子上的框架104,以及从框架104延伸的两个侧臂106a和106b,其中侧臂106a和106b配置停留在用户的耳朵上。框架104包括两个轮辋108a和108b,每个边缘配置为保持透镜。框架104同时包括桥接器110,其位于用户的鼻子上并连接轮辋108a和108b。侧臂106a和106b可以相对于框架104铰接,使得侧臂106a和106b可以相对于框架104弯曲。在另一示例中,侧臂106a和106b可以固定在图示的延伸位置。在另一示例性实施例中,眼镜100可能无法包括轮辋108a和108b;相反,眼镜100可包括上部支撑杆,整体透镜从该支撑杆向下延伸,其中桥接器110可并入透镜中。

如上所述,AR/VR眼镜100的一个或多个部分可以包括连续纤维组件,使得一个或多个部分成为纤维增强。例如,第一侧臂106a可以包括第一连续光纤组件112,第二侧臂106b可以包括第二连续光纤组件114,并且帧104可以包括第三连续光纤组件116。尽管未示出,AR/VR眼镜100的一部分可以包括布置在一部分中的多个不同的连续纤维组件,使得在需要额外强度和/或刚度的地方存在连续纤维组件。例如,第一侧臂106a可包括位于第一侧臂106a的后部位置的第一连续光纤组件,并且第一侧臂106b还可以在第一侧臂106a的前向位置包括第二连续光纤组件。第一侧臂106a在后向部分和前向部分之间可以没有连续光纤组件。

除了加强AR和/或VR玻璃100的部分之外,连续光纤组件112、114和116可配置为散发在靠近此类组件112、114和116处产生的热量。如上所述,眼镜100包括在电子器件工作时产生热量的电子器件。连续纤维组件112、114和116可放置在靠近热源的眼镜中,并可设计为允许必要的散热,以使得塑料结构不会受到有害影响,并且进一步使得眼镜106上不会形成可能导致用户不适的“热点”。例如,可以暴露连续光纤组件的一部分,并且可以将发热电子器件放置在连续光纤组件的暴露部分附近,使得由电子器件产生的热量被传递到连续光纤组件并在整个连续光纤组件中消散。因此,连续纤维组件112、114和116可以用作结构增强机制和散热机制。

连续纤维组件112、114和116可以由任何合适的连续纤维复合材料制成,并且可以具有任何合适的形状或图案。例如,连续纤维复合材料可包括碳纤维,例如沥青基碳纤维、聚丙烯腈(PAN)基碳纤维等。在另一实例中,纤维复合材料可包括玻璃纤维。在又一实例中,纤维复合材料包括聚对苯二甲酸乙二酯或其它合适的合成纤维。另外,连续纤维组件112、114和116可以通过编织连续纤维、扭转连续纤维等形成。

连续光纤组件112、114和116可以通过任何合适的技术制造。例如,组件112、114和116可以是浸渍有热固性聚合物(例如环氧树脂)的多个纤维(例如碳纤维),以将纤维粘合在一起,从而形成连续纤维组件。在另一个示例中,将一束纤维(例如碳纤维)和一束纺丝热塑性纤维(混合在一起以形成最终的纤维束。最后的混合束可以热成型,以熔化热塑性纤维并将(碳)纤维粘合在一起。在又一示例中,连续纤维组件112、114和116可由通过点焊形成的碳纤维带(松散)编织而成。

类似地,模制材料可包括用于在组件112、114和116周围或附近形成以及用于形成AR/VR眼镜100其他部分的任何合适材料。例如,模制材料可包含热塑性聚合物,例如聚碳酸酯。热塑性聚合物可以是填充热塑性塑料和/或未填充热塑性塑料。

为模制材料选择的材料可以是用于在组件112、114和116周围或附近模制材料的技术的功能。例如,所述技术可以是注射成型、压缩成型、压延、挤出等。

以下讨论描述了使用注塑成型来形成侧臂106a和106b以及框架104。

除了注射成型之外,可以使用上述任何其他技术或替代注射成型。成型的连续纤维组件可插入模腔,然后成型材料可注射到模腔中,在模腔中,成型材料在连续纤维组件周围形成、冷却和硬化,以形成纤维增强结构(例如侧臂106a或106b之一)。当定位在模具中时,所形成的组件可额外在模具内对齐,以沿特定对齐增加结构100的强度。

组件112、114和116可以采用任何合适的形状,用于加固包括此类组件的眼镜100的部分和/或用于散热眼镜100的部分。另外,组件112、114和116可以具有相同的形状和结构,或者可以具有不同的形状和结构。例如,组件112可以是连续纤维的松散编织,而组件116可以是扭曲的连续纤维。

图2-6所示为组件112、114和116中的一个或多个的各种示例。其中,图2和图3描绘了示例性连续光纤组件200的一部分。组件200包括第一平面部分202、从第一平面部分202的第一边缘以一定角度延伸的第二部分204和从第一平面部分202的第二边缘以一定角度延伸的第三部分206。如图所示,角度和第二角度可以相似,也可以不同。第一部分202、第二部分204和第三部分206可以采用任何合适的形状。例如,第二部分204和第三部分206可以具有从第一平面部分202正交延伸的拱形部分。

图3示出了使用模塑材料300模塑的示例性组件200,模塑材料300形成眼镜100的一部分(例如侧臂106a-106b或框架104)。在所示的示例中,组件200的整个横截面被成型材料300包围。在另一示例中,组件200的横截面的一部分可以暴露。

组件200可布置在眼镜100中的任何适当方向。例如,连续光纤组件200的定向可以使得当用户戴眼镜时,第二部分204和/或第三部分206远离用户的面部。第二部分204和第三部分206为模塑材料300提供了额外的表面积,当将模塑材料300引入包括组件200的模具中时,模塑材料300可与之粘合。

图4示出了另一个示例性组件400,所述组件可以进行二次成型并包括在眼镜100中。组件400形成为包括重叠纤维矩阵的网格,其中网格包括重叠纤维之间的多个空隙。更具体地说,在所示示例中,组件400包括多个垂直排列成网格的重叠纤维402。然后可将网格形成任何合适的形状。

图5示出了使用模塑材料500模塑的示例性组件400,模塑材料500形成了眼镜100的一部分。由于组件400中存在空隙,成型材料500穿过此类空隙以增强成型材料500和组件400之间的粘合,类似于钢筋混凝土。与图2所示的组件200类似,组件400可以布置在成形玻璃100中的任何适当方向上。

现在转到图6,示出了示例性连续纤维撑杆600,其中撑杆600不是充当内骨架,而是充当相对壁600和602之间的撑杆。因此,支撑600不受过度模塑的影响,而是例如用作塑料墙的结构支撑。

相关专利Microsoft Patent | Structural fiber component for injection molding in head mounted displays

名为“Structural fiber component for injection molding in head mounted displays”的微软专利最初在2020年5月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

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