具有電路路徑和安全電路的三維結構的製作方法

2023-06-26 08:00:36

專利名稱：具有電路路徑和安全電路的三維結構的製作方法
技術領域：
提供了一種具有機械結構的三維機電系統，所述機電系統產生作為所述機械結構的一體部分的電路。所述機電系統具體涉及容易且快速連接到一起的機械結構。所述系統具有與電源連通的安全電路，這使所述系統特別適於兒童和/或學生在學習電子學、力學和/或建築學時使用。
背景技術：
存在使用機械連接器以快速組裝電路的玩具和教具。另外，存在使用機械連接器以快速組裝機械結構的玩具和教具。這些機械結構中的一些增添了用於運動的電機或用於視覺效果的發光體。這些玩具通常用於逗樂兒童或教導一些機械或電子原理。目前銷售的快速連接式電子組裝系統通常包括安裝以使電子模塊快速相連的電子裝置箱。電路圖被包括以教育學生或娛樂孩童。這些電路中的大多數組裝在相同或平行的平面中，並且電路路徑不是三維機械結構(例如僅舉幾例的建築物、摩天輪、或飛機)的一部分。先前的構造塊專利的示例包括Shackelford的美國專利No. 6，443，796，該專利提供了包含虛擬智能的兒童構造套組並且是互動和智力的。這些特徵可以在玩者使用該套組的構造活動期間以及隨後在繼續玩耍期間被展示給玩者；這向玩耍灌注了不可預測的感覺。所述套組結合有編程控制器(17)、揚聲器(23)、特殊(「智力」)玩件或玩塊(1、3、5、7等)、以及玩件或玩塊設置於其上的基部(15)。被稱為「熱點」的傳感器(A1-C3)分布在圍繞基部的不同位置並且聯接至控制器，由此控制器在相應的玩件安裝在這些位置中的一個時識別特定的玩件和這些玩件的位置。特定玩件中的一些可以描繪角色，一些包括電操作裝置，而一些包括玩者操作的輸入裝置。控制器通過揚聲器發出語音訊息或其他聲音效果以向角色玩件實施虛擬人格以及控制位於特定塊中的電操作裝置的操作，並且檢測和響應於來自玩者輸入塊的玩者輸入。通過無線通信裝置，控制器可以從附件塊獲取語音訊息和向附屬塊提供語音訊息，其中附件塊在構造套組的基部以外使用。

發明內容
大多數電路在平坦的表面或基部上生成以保持部件緊鄰，部件的連接路徑為短，並且將電路保持在相同或平行的平面中。當前的系統容許電路和機械結構的組件存在於多個平面中且處於彼此遠離的位置。另外，本系統有助於消除可能難以檢測的電路錯誤。更具體地，可以通過例如布置安全裝置來防止電路錯誤，其中安全裝置保護使用者且向使用者警告連接過程中的電子組裝錯誤。所述系統還可以通過將這些機電結構的組裝保持為快速、簡單和教育性的而有助於消除在構造期間的短路電源。、
該系統的目的為使用能夠形成三維機械結構的導電和不導電的快速連接部分或可堆疊部分。導電部件可以用於形成通過機械結構的電路徑，而不導電部件可以用於使非期望區域絕緣且防止短路。所述系統可以具有另外的電源模塊，所述電源模塊使用聲音、燈光和/或語音的任意組合而使電子組裝中的錯誤明顯。


附示如下圖I圖I圖示了不導電構造梁100的立體圖，其具有包括導電夾105、106的不導電陰連接器101、102，該導電夾105、106機械連接且電連接至電子部件107的引腳103、104。圖2圖2是將右側壁從不導電構造梁200中移除的側視圖，示出了兩個導電夾201、202·和位於導電夾201、202與電子部件207的引腳205、206之間的機械連接件203、204。圖3圖3圖示了導電機械部分300-304，其中虛線指示沿著其可以存在電流路徑的X-軸線305、y-軸線306、或z_軸線307。圖4圖4圖示了具有與圖3中所示相同的形狀和尺寸的不導電機械部分401，其可以用於阻斷導電部分400、402之間的電流。圖5圖5圖示了電池供電式電壓源模塊500，其具有限流裝置501、聲音和語音電路508、和雙色發光二極體(LED) 505以指示正確操作或過大電流。圖6圖6圖示了與電池供電式電壓源模塊500相關聯的電路，其包括視覺和聲音報警電路508。圖7圖7圖示了機電結構750，其採用梁演示具有電流路徑710-719以及在機械結構中使用的導電部分721和不導電部分720的機械結構的概念。圖8圖8圖示了機電結構800，其採用塊或方塊演示具有電流路徑809、816以及在機械結構中使用的導電塊或方塊801-808、810-815和不導電塊或方塊825的機械結構的概念。
具體實施例方式提供了一種具有機械結構的三維機電系統，該機電系統產生作為機械結構的一體部分的電路。該機電系統具體涉及容易且快速連接到一起的機械結構。該系統具有與電源連通的安全電路，這使系統尤其適於兒童和/或學生在學習電子學、力學、和/或建築學時使用。現在參照圖I和圖2，提供了不導電構造梁100 (或圖2中的200)的立體圖，該構造梁具有包括導電夾105、106 (或圖2中的201、202)的不導電陰連接器101、102，該導電夾(或圖2中的201、202)機械連接且電連接至電子部件107的引腳103、104。導電夾105、106可以為大致平坦的並且可以由導電金屬製成。圖2圖示了將右側壁從不導電構造梁200中移除的側視圖，示出了兩個導電夾201,202和位於導電夾201、202與電子部件207的引腳205、206之間的機械連接件203、204。在一個實施例中，兩個導電夾201和202可以相同但在定向上可以彼此鏡像。機械連接件203、204可以插入穿過由兩個導電夾201、202生成的開口狹縫。更具體地,每個導電夾201、202的開口狹縫可以通過導電夾201、202的端部朝向本身往回摺疊使得導電夾201、202的端部可以足夠近地接觸導電夾201、202的大致中間部分而生成。開口狹縫可以具有窄的寬度，該寬度可以小於機械連接件203、204的寬度，使得機械連接件203、204可以與導電夾201、202電接觸。另外，機械連接件203、204可以通過例如摩擦而固定到導電夾201、202的開口狹縫內。在該實施例中，機械連 接件203、204可以首先插入開口狹縫內並且隨後可以嚮導電夾201、202施加壓力，使得導電夾201、202的端部擠壓和抓握機械連接件203、204。在一個實施例中，機械連接件203、204可以焊接到開口狹縫內。構造梁100(或圖2中的200)可以具有至少兩個開口渠道，其中每個引腳103、104(或圖2中的等同物205、206)從電子部件107 (或圖2中的207)穿過到達導電夾105、106(或圖2中的201、202)。本系統具有電源模塊500、824，當過大的電流從電池502-504、600流出以向系統的功耗部件供電時，該電源模塊具有可以包括例如聲音和/或語音電路508和/或視覺指不器505、605、701、823的報警。在電源模塊殼體500、824上的表面可以是不導電的以防止部件短路。限流裝置501、601可以通過降低經過限流裝置501、601的電壓而限制來自直流(DC)電池502-504、600的電流。添加雙色發光二極體(LED) 505、604、605、701、823可以例如在電源接通時發出綠光604，並且例如在過大的電流從電池502-504中引出時發出紅光605，或者可以在正電路徑710、719、816與負電路徑717、718、809之間存在短路時發光。揚聲器507、602、708、821和電路板508、606可以提供聲音和/或語音以指示存在過大電流的情況。該系統可以具有兩個不導電機械陰連接區511、512，該陰連接區可以通過導電彈簧或導電夾513提供正電壓608輸出點，該導電彈簧或導電夾可以連接至陽連接403機械結構。以相似的方式，在另一端部上的不導電機械陰連接器509、510可以通過位於裝置的遠端部處的第二導電彈簧或導電夾514提供對於導電陽連接403機械結構的負電壓609輸出點。簡單的滑動開關506、607、700、822可以用於使正電壓輸出608的導電彈簧或導電夾513接通或斷開。限流裝置601、501可以通過降低經過裝置501、601的本體的電壓而限制來自DC電源600的電流。添加發光二極體(LED)605可以提供對於過大電流被引出和/或系統中存在短路的視覺指示，同時發光二極體604可以提供對於系統的操作為正常以及電源500、702、824為接通的視覺指示。電阻603可以限制通過LED 505、604、605、701、823的電流。以相似的方式，添加電路板508、606可以通過揚聲器507、602、708、821提供聲音以指示存在過大電流的情況。當限流裝置501、601處於供應電流且不產生電壓降的模式時，電路板508、606可以不接收經過其的電壓。當過大的電流被引出時，限流裝置501、601可以產生可能經過電路板508、606出現的電壓降。由此，電壓降可能通過LED 605、505產生光和/或通過揚聲器507、602、708,821產生報警聲音。開關506、607、700、822可以用於使DC電壓源502_504、600接通或斷開。以該方式，受保護的正電壓可以使用通過電源500、824的負端子609、820的返回電流路徑而在電源500、824的正端子608處獲得。機械部分300-304、721、801-808、810_815可以由任意導電材料製成，或者機械部分300-304、721、801-808、810-815的表面可以進行電鍍以使所有暴露表面導電。導電部分303可以僅容許沿著一個軸線的機械連接。另一部分302可以僅容許沿著兩個軸線的機械連接。一些部分301、304可以容許沿著所有三個軸線的機械連接。當兩個導電部分300、302沿著同一軸線相連時，如由圖3中的箭頭308所示，電流將保持沿著相同的X-軸線305。當兩個導電部分300、302以直角相互連接時，如由圖3中的箭頭309所示，電流可以從X-軸線305改變至y-軸線306。以該方式，電流能夠被引導為沿 著任意軸線的任一方向。具有與圖3和/或圖8中所示的部分相似的形狀和/或尺寸的不導電機械部分401、720、825可以用於阻斷在可以為組裝的最終機械結構的一部分的導電部分 300-304、400、402、721、801-808、810-815 之間的電流。不導電部分 401、720、825 可以由不傳導電流的任意材料製成。但是，不導電部分401、720、825可以與在最終機械結構中使用的任意導電部分300-304、400、402、721、801-808、810-815在機械上基本相同。當機械結構使用如上所述的機電部分構建時，某些導電路徑710-719、809、816也可以在結構中生成。使用常規的電流技術，可以說，電流路徑710可以起源於正連接器彈簧513、709並且可以沿著X-軸線行進，隨後轉向且沿著Z-軸線行進。該電流710可以分成兩個不同的電流，一個711沿+y軸線朝向開關S1705前進，而另一個712沿+y軸線朝向開關S2706前進。在開關S1705的另一側上，電流路徑713從+y軸線轉向至+x軸線，並且前進至發光二極體L1703。在L1703之後，返回電流路徑716首先沿著+x軸線行進，隨後轉向至沿著_y軸線行進。電流716被添加至電流715中以產生電流717，電流717沿著+z軸線行進並且轉向至-X軸線以終止在電源702、500處。以類似的方式，電流714可以穿過電機M2704，並且可以變為電流715。電流路徑719沿著-X軸線離開電源，並且很快轉向至+z軸線以進入開關S3707。離開開關S3707的電流718沿著+z軸線行進，隨後轉向且沿著+X軸線行進。該電流718再次轉向到-Z軸線上並且最後到-X軸線上以到達電源702、500的負端。由於可能沒有部件來限制進入開關S3707內的電流路徑719中的電流、或在從S3707回到電源702、500的電流路徑718中的電流，因此開關S3707的閉合產生經過電源702、500的短路。這種過大的電流如前所述地進行處理以警告使用者並且將電流水平限制為安全值。當機械結構使用機電部件構建時，這些部件的形狀可以為塊或方塊。如圖8中所示，導電路徑809、816可以在塊或方塊結構800中生成。使用常規的電流技術，可以說，電流路徑816起源於電源824的正連接器處並且穿過導電塊810-815以抵達電機模塊817。塊815通過與在電機模塊817的另一側上所示的可見夾819相似的夾與電機818接觸。電流穿過電機818並且通過在塊801處起源的電流路徑809離開電機模塊817。該電流809穿過導電塊801-808而回到電源824的負側。塊808具有角部的剖切圖以示出導電塊808如何接觸在電源824上的彈簧或夾820。以該方式，只要開關822使電源824接通，電流路徑809、816就向電機818提供電力。如果開關822的閉合因任意原因而產生過大的電流，則在電源824上的過載如前所述地進行處理以警告使用者並且將電流水平限制為安全值。儘管機械結構750、800已經示出為使用與梁、塊、或方塊相似的形狀，但是所述結構不限於這些形狀並且也能夠為僅舉幾例的杆、圓筒、星形、L形和X形。因此，儘管本發明已經參照優選實施例進行描述，但是其並非意為由此限制於所述新的機電組件，而是其變 型當落在前述公開、下述權利要求和附圖的寬廣範圍和精神內時也意為被包括在內。
權利要求
1.一種快速連接機電系統,包括 具有殼體的多個可互連部件，其中，所述殼體具有內部和外部，並且所述可互連部件具有導電錶面和不導電錶面，並且電路通過使所述可互連部件中的至少兩個電連接而形成；以及 位於所述殼體的第一端部上的卡扣配合機械連接器，所述連接器具有不導電錶面但包括導電元件，其中，所述卡扣配合機械連接器將第一部件連接至第二部件的第二端部，並且在所述卡扣配合機械連接器中的開口使導電接觸表面暴露，從而能夠與所述導電元件形成電路。
2.如權利要求I所述的快速連接機電系統，其中，所述導電元件包括下述中的至少一個電容、電阻、二極體、發光二極體、顯示面板、電感、電晶體、半導體、電源、電機、風扇、電子聲音發射器、揚聲器、蜂鳴器、電鈴、報警器、麥克風、燈泡、閃光燈、開關、集成電路、計算機晶片、放大器、調製器、太陽能面板、計算機接口、電話接口、以及它們的組合。
3.如權利要求I所述的快速連接機電系統，其中，所述導電錶面為固體金屬或其他導電材料；導電塑料；具有電鍍的導電錶面的不導電塑料；被噴塗、電鍍或另外處理以使暴露表面導電的任意不導電材料。
4.如權利要求I所述的快速連接機電系統，其中，所述不導電錶面包括從下述組中選取的材料塑料、木材、紙板、硬紙板、玻璃、橡膠以及另外處理以使暴露表面不導電的任意導電材料。
5.如權利要求I所述的快速連接機電系統，其中，所述卡扣配合不導電機械連接器的所述開口使得彈簧鋼、不鏽鋼、磷銅或鈹銅的電接觸表面暴露。
6.如權利要求I所述的快速連接機電系統，其中，所述多個可互連部件中的至少一個具有包括限流裝置的電源。
7.如權利要求6所述的快速連接機電系統，其中，所述限流裝置包括具有視覺和/或聲音報警的時間延遲式限流器。
8.如權利要求6所述的快速連接機電系統，其中，所述限流裝置包括正溫度係數PTC可自恢復熔絲，所述熔絲在存在過載時產生用於產生視覺和/或聲音報警的電壓，並且當過載條件移除時自動移除該電壓。
9.如權利要求8所述的快速連接機電系統，其中，所述聲音報警是以一種或多種語言的語音。
10.如權利要求6所述的快速連接機電系統，其中，所述報警在電流恢復至安全水平時被移除。
11.如權利要求6所述的快速連接機電系統，其中，所述報警是下述中的一個或組合一種或多種語言的語音、報警聲、閃爍光、蜂鳴器、或振動。
12.如權利要求6所述的快速連接機電系統，其中，所述限流裝置包括正溫度係數PTC可自恢復熔絲，所述熔絲在存在過載時產生用於產生視覺和/或聲音報警的電壓，並且當過載條件移除時自動移除該電壓。
13.如權利要求6所述的快速連接機電系統，其中，所述限流裝置包括電路，所述電路在存在過載時產生用於產生視覺和/或聲音報警的電壓，並且當過載條件移除時自動移除該電壓。
14.如權利要求I所述的快速連接機電系統，還包括開口狹縫，所述開口狹縫在所述導電錶面的第一端部朝向所述導電錶面的中部往回摺疊時生成，並且電引腳固定在所述開口狹縫內且與所述導電錶面電連通。
15.如權利要求I所述的快速連接機電系統，還包括第一和第二導電錶面，其中，所述第一和第二導電錶面彼此相同但在定向上彼此鏡像。
全文摘要
本發明提供了一種三維機電系統，所述機電系統用於使用卡扣到一起的部件或構建塊形成機械結構，所述部件或構建塊易於演示在形成結合到機械結構中的三維電路時所需的原理。可再用的電子模塊包括電池或其他電源，並且具有用於附接到其他電子模塊上的裝置以向這些三維電路提供電力並且防止過大的電流且向使用者報警過大的電流。
文檔編號A63H33/04GK102686290SQ201080056936
公開日2012年9月19日 申請日期2010年12月15日 優先權日2009年12月16日
發明者A·西摩, A·馬茨, B·約翰森, G·切克欽 申請人:伊蘭克電子公司