可變偏心率觸覺發生器的製作方法
2023-09-13 16:52:00 2
專利名稱：可變偏心率觸覺發生器的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及觸覺發生器，並且特別涉及在無線通信設備中的觸覺發生器。
背景技術：
觸覺發生器通過用馬達旋轉不平衡負荷產生振動。給定觸覺產生器中產生的振動的量主要是不平衡負荷的質量、負荷質量中心到旋轉軸的距離以及旋轉速度的函數。在傳統的設備，這些參數經常由廠家確定並且不能被變化。結果，傳統設備給出的振動量也是固定的。
進一步地，在傳統的設備中，負荷的質量中心到旋轉軸的距離是固定的，這樣，典型要求啟動負荷旋轉的電流為定額的。這個起動電流基本上大於給馬達設計的相應的工作電流。然而，不能拉引(draw)必需量的起動電流的設備也就不能旋轉負荷以產生振動。因此，需要一種設備，它可以產生變化量的振動並能夠操作減少起動電流負荷。
發明內容
本發明提供一觸覺發生器，包括一偏心的質量塊，該質量塊在繞軸旋轉時可以給予變化的振動等級。在一個實施例中，電動機繞軸選轉質量塊。質量塊可相對於軸徑向移動，這樣質量塊和軸的距離是可變的。質量塊到軸的距離的變化改變質量塊旋轉時產生的振動的量。旋轉質量塊產生的振動量取決於質量塊的轉速和從質量中心到旋轉軸的距離。
本發明可以實施為，例如無線通信設備，它包括耦合到天線的收發信機，和產生指示測量的環境噪聲級的控制信號的控制器。觸覺發生器對控制信號反應，通過改變質量塊到軸的距離產生可變的振動。
圖1顯示了本發明一個實施例的透視圖。
圖2顯示了本發明可替代的實施例。
圖3顯示了本發明另一個實施例。
圖4顯示了本發明另一個實施例。
圖5顯示了本發明另一個實施例。
圖6顯示了本發明另一個實施例。
圖7顯示了本發明應用到無線通信設備的一個實施例。
圖8顯示了根據本發明的一個實施例探測環境噪聲級的方法。
具體實施例方式
現在參照圖1，本發明的一個實施例在此被顯示並通常標記為10。觸覺發生器10包括馬達12、輸出軸14、偏心的質量塊16、以及偏置部件18。如此處所使用的，偏心意指質量塊的重心偏離旋轉軸中心。
馬達12包括耦合到印刷電路板的電動機(未顯示)，可以是變速電動機。馬達12可以被控制以便從電源拉引變化等級的電流，從而以多個不同速度旋轉輸出軸14。如下述將更詳細描述的，轉速的量變化可以被轉換為變化的振動等級被用戶感知。
輸出軸14被連接到馬達12的一端，並沿馬達12縱向地伸展。當馬達12被驅動，其沿縱軸24旋轉輸出軸14。輸出軸14的轉速取決於馬達12拉引的電流並與之成比例。例如，馬達12拉引的電流越大，輸出軸14繞軸24旋轉得更快。
質量塊16包括一重體(weight)具有插入在輸出軸14上的狹槽15。輸出軸14繞軸24的旋轉導致質量塊16繞軸24離心旋轉。因為馬達12可以以多樣的速度工作，質量塊16可以同樣地繞軸24以多種速度旋轉。質量塊16優選具有這樣的形狀或重量以在被輸出軸14旋轉時提供不平衡負荷，其被用戶感知為振動。
偏置部件18布置在輸出軸14和質量塊16內表面之間的狹槽15中。如圖1A所示，偏置部件施加使質量塊16趨向軸24的偏置力。偏置部件18也允許質量塊16在繞軸24離心旋轉時相對於軸24向外的徑向移動，如圖1B所示。更特別的，在旋轉中，偏置部件18促使質量塊16向內地靠近軸14和軸24並抵抗質量塊16向外移動的趨勢。質量塊16向外的徑向移動的阻力的量通過小心地選擇偏置部件18的一定的剛度來控制。達到足夠的旋轉速度閾值時，質量塊16經受的離心力克服了偏置力，使質量塊16從軸24向外徑向移動。然而，當質量塊16從軸24向外徑向移動時，質量塊16的轉速趨向減少。為了對抗這個趨向和維持期望的轉速，可以施加更多電流到馬達12以增加施加給輸出軸14的扭矩。這允許本發明減少啟動馬達12所必需電流的量，同時產生變化的振動等級，將在下面更詳細地說明。
所以，質量塊16到旋轉軸24的距離取決於輸出軸14的轉速。即，旋轉軸14旋轉越快，質量塊16從軸24向外徑向移動越遠。相反地，軸14旋轉越慢，質量塊16向內地向軸24徑向移動得越近。這樣，偏置部件18在旋轉期間，允許質量塊16達到多個位置，並轉化為振動的變化量。
本發明相對傳統設備，可以使用更小的，價格更低廉的馬達。在傳統的帶有不變質量塊的振動器中，馬達必須提供充分的扭矩來克服質量塊的慣性。通常，啟動旋轉質量塊要求的扭矩遠遠大於保持其旋轉所要求的扭矩。進一步地，所要求的扭矩取決於質量塊到旋轉軸的距離。通過使用本發明，當馬達12開始旋轉時，質量塊16由偏置部件18促使接近於旋轉軸24。這樣，開始質量塊16的旋轉的要求扭矩較小，並且因此，更小的、價格比較低廉馬達能被使用。
另外，因為傳統的設備預先放置質量塊到旋轉軸的距離是固定的，只能產生唯一的振動等級。在本發明中，質量塊16的位置相對於輸出軸14是變化的，從而允許振動的輸出在一定的振動級範圍內。即，本發明產生的振動等級隨質量塊16到軸24的距離的改變而改變。
在一可替換的如圖2所示的實施例中，附於軸14的延臂26具有機械限動器(stop)28，並且質量塊16安裝在延臂26上。偏置部件18，此處顯示為盤簧，布置在機械限動器28和質量塊16之間。與上述的實施例相似，當軸14是固定的或以低於速度閾值旋轉(圖2A)時，偏置部件18向軸24偏置質量塊16。質量塊16可以保持在這個位置直到軸14到達一充分的旋轉速度。當到達這個閾值時，質量塊16所經受的離心力就會克服偏置部件18所施加的偏置力。然後質量塊16沿延臂26從軸24向機械限動器28徑向地向外滑動。質量塊16到軸24的距離取決於質量塊16的轉速，因而這樣產生的振動量也是。
圖3顯示了本發明的另一個實施例，它沒有使用彈簧當做偏置力。而是使用磁體當做偏置部件18。進一步地，這個實施例允許在兩個不同的等級振動。偏置部件18在這個實施例中附於軸14上或者整體地成為軸14的一部分。當軸14靜止或以低於閾值速度的速度旋轉時(圖3A)，磁性的偏置部件18吸引(例如，促使)質量塊16向軸24向內。質量塊16保持磁性地附著於偏置部件18並且產生第一等級的振動直到軸14到達充分的旋轉速度。當旋轉質量塊16所經受的離心力克服磁性的吸引力時，質量塊16打破偏置部件18的磁掌握。離心力使質量塊16沿延臂26向上滑動直到質量塊16接觸機械限動器28。在這個位置，觸覺發生器10產生第二等級的振動。
圖4的實施例雖然在結構上是不同的，但也可以通過允許質量塊16到達離軸24的變化距離而產生多樣的振動等級。在這個實施例中，偏置部件18是一板簧，其連接質量塊16到軸14的終端。當軸14是固定的時，或在比速度閥值低的速度旋轉時(圖4A)，偏置部件18偏置質量塊16接近於軸24和軸14。當軸14到達充分的旋轉速度時，給予質量塊16的離心力使其從軸24向外徑向移動。如上述的實施例所述，質量塊16到軸24的距離取決於質量塊16的轉速，因而這樣產生的振動量也是如此。如上所述，質量塊16的轉速取決於提供給馬達的電流。
通常，圖4的實施例允許質量塊16移動，因此當軸14全速地旋轉時，其唯一的達到位置基本上相對於軸24正交。質量塊16在低速時，可以在軸14和圖4B顯示的位置之間的任何位置。進一步地，注意到在這個實施例中，質量塊16不是明確地在基本上垂直於軸14的方向移動。然而，在任何給定的時間，質量塊16到軸14徑向距離的變化取決於馬達12的轉速，施加給馬達12的電流，和偏置部件18的特性。所以為了這一目標，圖4的質量塊16也可以認為即使在軸向移動時，也相對於軸24向內和向外徑向移動。
圖5顯示一可替代實施例，其中一電磁的外殼29圍繞質量塊16。電磁的外殼29可能是，例如，一電磁套筒，由來自馬達12或者其它的電源的電流驅動。電磁的外殼29提供獨立於偏置部件18控制質量塊16的位置的裝置。更特別地，偏置部件18促使質量塊16向內地朝向軸24。當軸14旋轉時，質量塊16趨向於從軸24向外徑向移動。與上述的實施例相似，偏置部件18抵抗質量塊16向外的移動，直到轉速到達質量塊16經受的離心力可以克服偏置部件18的偏置力。然而，電磁的外殼29產生的電磁場可以被控制用來抵消質量塊16向外的徑向移動。這樣，質量塊16的位置，以及因此產生的振動量，可以獨立於偏置力通過加強或削弱圍繞質量塊16的電磁場來控制。電磁的外殼29實際上的作用是輔助偏置部件。
圖6顯示了圖5的一可替換實施例，它不包括偏置部件18。在這個實施例中，電磁的外殼29充當主偏置部件向軸24向內地偏置質量塊16。特別地，電磁的外殼29產生的電磁場的力量可以被控制(例如，增或減)以允許質量塊16徑向向內和向外的徑向移動。
如圖7所示，觸覺發生器10可能是應用到無線通信設備30中。無線通信設備30可以是例如行動電話、衛星電話或個人數字助理(PDA)，並且包括話筒32、揚聲器34、鍵區36、顯示器38、連接到天線46的收發信機44以及控制器42。也可以按要求包括其他的元件。其中每個元件可以通過輸入/輸出(I/O)接口40相互可通信地連接在一起。除了下文所述，設備30是一典型的無線通信設備，因此，收發信機44、天線46、I/O接口40、鍵區36、揚聲器34和顯示器38的操作沒有詳細描述。可以充分地說，設備30允許用戶向遠程用戶方發送呼叫和從遠程用戶方接收呼叫。
然而，不像傳統的無線通信設備，設備30包括允觸覺發生器10自主控制的電路。更特別的，可以包含一微處理器或類似物的控制器42控制觸覺發生器10產生的振動量。在一實施例中，控制器42通過根據探測的環境噪聲等級生成控制信號來控制馬達12的轉速，從而控制質量塊16的位置。
通常，更高等級的振動產生更高等級的噪聲。這樣，傳統的振動設備產生與其固定的振動等級相對應的噪音量。但是，這個噪聲級在某些場合是不能接受的。因此，本發明產生的振動等級對於探測環境噪聲的等級被優化。這可以保持產生噪聲為最小值，但仍然允許用戶感覺到振動。
圖8顯示了根據探測環境噪聲等級優化振動的方法50。舉例來說，當接收到打進來的電話時，控制器42可以激活話筒32以便在告知用戶之前感測環境噪聲(方框52)。控制器42中的邏輯，或者可替代的，在另一個元件在的邏輯可以測量探測到的環境噪聲(方框54)。控制器42可以接著使用預先確定的查找表來確定如何變化振動(方框56)。在這個實施例中，查找表將測得的噪聲等級映射到相應的電壓等級。一個可替代的實施例使用將測得的噪音等級映射到相應的電流等級的查找表。然而，對於本領域技術人員來說，本發明並不局限於查找表並且，進一步，其他類型的信息也可以被儲存。控制器42響應於探測噪聲等級和查找表中的值，將提供一控制信號到觸覺發生器10(方框58)。噪聲等級越高，產生的振動越大。例如，可以通過改變提供給馬達12的電壓/電流等級實現不同振動等級(方框60)。另外，變化等級的電壓可以被施加到電磁外殼29來相應地加強或削弱其電磁場(方框62)。
如上所述，質量塊16從軸24向外徑向移動，其趨向減少質量塊16的轉速。控制器42產生的控制信號可用於對抗這個趨向，這樣基本上維持一希望的質量塊16的轉速。例如，觸覺發生器10可以通過使用內部電路測量施加到輸出軸14的扭矩來周期性地確定質量塊16的轉速。在另一個例子，觸覺發生器10可以使用一內部傳感器周期地測量質量塊16到輸出軸16或軸24的實際距離。觸覺發生器10可能向控制器42提供信號來指示質量塊16的測量轉速，其可以使用這些信息計算質量塊16的轉速。基於這個計算，控制器42可以增加、減少，或維持提供給馬達12的電壓/電流等級，來影響質量塊16的轉速。
進一步地，在除了設備30接收打進來的電話之外的情況下，本發明可以響應於環境噪聲等級提供多樣的振動等級。例如，本發明的觸覺發生器10可以配置成產生多級的振動用於多樣的遊戲或遊戲中多樣的競技等級、收到警報、尋呼以及警報。
本領域技術人員可以理解，觸覺發生器10事實上也可以用於沒有明確顯示在附圖中的其他通信設備，並且還可以在其他的設備，例如遊戲控制器在使用。另外，偏置部件18並不被限制在附圖顯示的彈簧或電磁的外殼29。相反，偏置部件18可能也包含加壓的泡沫或類似物。
可以理解，本發明還涵蓋了除了此處清楚顯示的其他類型的振動馬達。例如，本發明可能是包含一扁平振動器。扁平振動器是平坦的，驅動一碟形盤繞旋轉軸離心旋轉。這類振動器可以適於沿著碟形的平面包括可移動質量塊16。質量塊16被偏置部件18向旋轉軸偏置，但允許質量塊16在碟形旋轉時從旋轉軸移動或滑動開。如上述實施例，改變碟形的轉速和馬達電流將產生變化的振動等級。這類振動器能在遊戲控制器、尋呼器，和通信設備中用來例如產生觸覺輸出。
另外、質量塊16相對於軸(24)的徑向移動不是單獨地取決於質量塊16的轉速。事實上，質量塊16可以獨立於質量塊16的轉速移動。例如，本發明的可替代實施例通過利用伺服電機或者螺線管來向內和向外移動質量塊16以響應控制器42產生的控制信號。
當然，本發明可以以沒有在此明確闡述的其他方式執行而不背離本發明的基本特徵。這些實施例是說明性的而不是限制性的，以及其全部的變化將落在附加的權利要求的等效範圍和定義中。
權利要求
1.一種觸覺發生器(10)，包括電機(12)；偏心質量塊(16)，通過電機(12)繞旋轉軸(24)旋轉來產生振動，該質量塊(16)可徑向移動以改變該質量快(16)和軸(24)之間的距離；以及其中，改變該質量塊(16)到軸(24)的距離會改變當質量塊(16)旋轉時產生的振動量。
2.如權利要求1的觸覺發生器，其中，在質量塊(16)旋轉時，該質量塊到軸(24)的距離取決於質量塊(16)的旋轉速度。
3.如權利要求1的觸覺發生器，其中，電機(12)通過互連質量塊(16)和電機(12)的輸出軸(14)來旋轉質量塊(16)。
4.如權利要求3的觸覺發生器，進一步包括偏置(18)部件來促使質量塊(16)朝向軸(24)。
5.如權利要求4的觸覺發生器，其中，偏置部件(18)包括彈簧。
6.如權利要求4的觸覺發生器，其中，偏置部件(18)包括磁體。
7.如權利要求4的觸覺發生器，其中，偏置部件(18)包括電磁體(29)。
8.如權利要求4的觸覺發生器，進一步包括一延臂(26)，其包括一個機械限動器(28)，延臂(26)附於軸(14)的一端。
9.如權利要求8的觸覺發生器，其中，偏置部件(18)安裝在延臂(26)上，位於機械限動器(28)和質量塊(16)之間。
10.如權利要求8的觸覺發生器，其中，偏置部件(18)安裝在軸(14)上。
11.如權利要求1的觸覺發生器，其中，控制器(42)通過控制質量塊(16)到軸(24)之間的距離來控制質量塊(16)產生的振動。
12.如權利要求11的觸覺發生器，其中，控制器(42)改變電機(12)的速度。
13.如權利要求11的觸覺發生器，其中，控制器(42)改變電磁體(29)的磁場強度。
14.如權利要求11的觸覺發生器，其中，控制器(42)響應環境噪聲等級改變質量塊(16)和軸(24)之間的距離。
15.如權利要求11的觸覺發生器，其中，控制器(42)保持質量塊(16)的期望轉速。
16.如權利要求1的觸覺發生器，其中，旋轉質量塊(16)產生的振動和質量塊(16)到軸(24)的距離成比例地變化。
17.一種無線通信設備，包括收發信機(44)，耦合到天線(46)來和遠程用戶方通信；控制器(42)，響應探測到的環境噪聲等級產生控制信號；以及響應該控制信號的觸覺發生器(10)，該觸覺發生器(10)包括電機(12)；偏心質量塊(16)，通過電機(12)繞選轉軸(24)旋轉產生振動，該質量塊(16)可徑向移動以改變質量塊(16)和軸(24)之間的距離；以及其中改變質量塊(16)到軸(24)距離會改變當質量塊(16)旋轉時產生的振動量。
18.如權利要求17的無線通信設備，在質量塊(16)旋轉時，質量塊(16)到軸(24)的距離取決於質量塊(16)的轉速。
19.如權利要求17的無線通信設備，進一步包括被電機(12)驅動繞軸(24)旋轉的輸出軸(14)。
20.如權利要求19的無線通信設備，其中，旋轉輸出軸(14)使質量塊(16)繞軸(24)旋轉。
21.如權利要求17的無線通信設備，進一步包括偏置(18)部件來促使質量塊(16)朝向軸(24)。
22.如權利要求21的無線通信設備，其中，偏置部件(18)包括彈簧。
23.如權利要求21的無線通信設備，其中，偏置部件(18)包括磁體。
24.如權利要求21的無線通信設備，其中，偏置部件(18)包括電磁體(29)。
25.如權利要求17的無線通信設備，其中，控制器(42)響應探測到的環境噪聲等級改變質量塊(16)到軸(24)之間的徑向距離。
26.如權利要求25的無線通信設備，進一步包括話筒(32)以探測環境噪聲等級。
27.如權利要求25的無線通信設備，其中，控制器(42)改變電機(12)的速度。
28.如權利要求25的無線通信設備，其中，控制器(42)改變電磁體(29)的磁場強度。
29.如權利要求25的無線通信設備，其中，控制器(42)保持質量塊(16)的轉速。
30.如權利要求17的無線通信設備，其中，無線通信設備包括蜂窩電話(30)。
31.如權利要求17的無線通信設備，其中，旋轉質量塊(16)產生的振動和質量塊(16)中心到軸(24)的距離成比例地變化。
32.一種在無線通信設備裡提供觸覺功能的方法，包括繞旋轉軸(24)旋轉偏心質量塊(16)以便向無線通信設備(30)給予振動；以及在質量塊(16)旋轉時，改變質量塊(16)到軸(24)的徑向距離來改變振動量。
33.如權利要求32的方法，其中，旋轉質量塊(16)產生的振動取決於質量塊(16)的旋轉速度。
34.如權利要求32的方法，其中，繞旋轉軸(24)旋轉偏心質量塊(16)包括用電機(12)旋轉輸出軸(14)。
35.如權利要求32的方法，進一步包括向軸(24)偏置質量塊(16)。
36.如權利要求32的方法，進一步包括測量環境噪聲等級。
37.如權利要求36的方法，進一步包括產生指示測得的環境噪聲等級的控制信號。
38.如權利要求37的方法，其中，改變質量塊(16)到軸(24)的徑向距離包括響應該控制信號而改變該徑向距離。
39.如權利要求32的方法，其中，改變質量塊(16)到軸(24)的徑向距離包括控制電機(12)的速度。
40.如權利要求39的方法，其中，控制電機(12)的速度包括控制電機(12)的速度來給予軸(14)離散等級的旋轉力。
41.如權利要求39的方法，其中，控制電機(12)的速度包括控制電機(12)的速度來維持質量塊(16)的期望轉速。
42.如權利要求32的方法，其中，改變質量塊(16)到軸(24)的徑向距離包括控制圍繞質量塊(16)的電磁體(29)的強度。
43.如權利要求32的方法，其中，旋轉質量塊(16)產生的振動和質量塊(16)到軸(24)的距離成比例。
44.一觸覺發生器，包括偏心的質量塊(16)，繞旋轉軸(24)旋轉，質量塊(16)可徑向移動以改變質量塊(16)和軸(24)之間的距離；以及其中，改變質量塊(16)和軸(24)之間的距離會改變當質量塊(16)旋轉時產生的振動量。
45.如權利要求44的觸覺發生器，其中，質量塊(16)到軸(24)的距離取決於質量塊(16)的轉速。
46.如權利要求44的觸覺發生器，進一步地包括電機(12)，該電機(12)具有輸出軸(14)以旋轉質量塊(16)。
47.如權利要求44所述的觸覺發生器，進一步包括一偏置部件(18，29)以促使質量塊(16)朝向軸(24)。
48.如權利要求44的觸覺發生器，其中，質量塊(16)到軸(24)的徑向距離響應於環境噪聲等級被控制。
全文摘要
一觸覺發生器(10)包括一偏心質量塊(16)，當其繞旋轉軸(24)旋轉時產生振動。質量塊(16)可相對於旋轉軸(24)徑向移動，這樣質量塊(16)和軸(24)之間的距離是可變化的。改變質量塊(16)到軸(24)的距離會改變當質量塊(16)旋轉時產生的振動量。振動的量可以響應於測到的環境噪聲等級來控制。
文檔編號B06B1/16GK1910805SQ200480039322
公開日2007年2月7日 申請日期2004年6月24日 優先權日2003年12月31日
發明者C·伊頓, M·J·默裡, M·D·湯森, G·S·帕特森 申請人:索尼愛立信移動通訊股份有限公司