自穩定旋轉玩具的製作方法
2023-10-07 09:26:29 1
專利名稱：自穩定旋轉玩具的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及玩具技術領域，尤其是涉及一種方向無法控制的自穩定旋轉玩具。
背景技術：
大多數垂直升降型的飛行器玩具依靠陀螺儀來保持其在盤旋飛行時的穩定性。如本申請提出之前的美國專利5,971,320和PCT國際專利申請WO99/10235就提出了一種具有陀螺儀裝置的直升機玩具。但是，自轉型玩具，如飛碟，就有著與上述直升機玩具不同的特點。首先，自轉型玩具不一定需要陀螺儀裝置，但同樣可以實現盤旋飛行時的穩定性，這一點可從美國專利5,297,759、5,634,839、5,672,086以及美國專利申請09/819,189中看出。
然而，從下述的在先專利申請可以看出，設計者為消除或減小飛行器玩具的水平螺旋槳旋轉所產生的轉矩做了大量的努力，以替代因使用陀螺儀裝置所帶來的穩定性。如，申請號為63-026355的日本專利(申請人Keyence公司)，就公開了這樣一種飛行器玩具，該飛行器玩具有兩對彼此反向旋轉的水平螺旋槳以消除轉矩。同樣，見美國專利5,071,383，該專利也使用兩對做反向旋轉的水平螺旋槳來消除飛行器自身的轉動。此外，美國專利3,568,358也公開了一種以反向轉矩來抵消水平螺旋槳所產生的轉矩的類似技術方案。正如美國專利3,568,358中所述的那樣，水平螺旋槳所產生的轉矩將使飛行器玩具變得不穩定，並降低螺旋槳的速度和使用效率。
此外，在先的專利申請中也公開了一些垂直升降型或旋轉型的飛行器玩具，這些玩具具有不需要反向旋轉的水平螺旋槳即可達到穩定的能力。美國專利5,297,759就公開了這樣一種飛行器玩具，該飛行器玩具具有多個繞中心座和玩具的中心軸線呈放射狀分布並傾斜固定的槳翼；一對相對玩具的中心軸線橫向固定以提供升力和旋轉力的轉動件，這一對轉動件安裝在槳翼上，其位置對稱。每一個槳翼都具有外伸的末端，槳翼的末端通過產生橫向力的方式來取得被動平衡，以減小因槳翼所產生的垂直力而導致的不平衡。通過這樣的方式，來保證上升中心位於轉動件的中心軸線上。此外，由於轉動件是相對於玩具的中心軸線橫向固定以產生升力和旋轉力的，因此，由槳翼所產生的升力總是大於由轉動件所產生的升力。
儘管上述在先專利申請公開了多種使旋轉玩具達到穩定的技術方案，然而，人們總是希望能夠提供更新或新奇的自穩定玩具，這種自穩定玩具不需要附加的轉動件來減小主轉動件所產生的轉矩。也就是說，這樣一種自穩定玩具只需要一個單一的主轉動件即可產生大部分的升力，另外，這樣一種玩具的價格應該並不昂貴，其結構相對來說也並不複雜。
發明內容
本實用新型的目的就在於提供另外一種結構形式的自穩定旋轉玩具。
為實現上述目的，本實用新型的自穩定旋轉玩具包括有一個中心座、多個繞中心座的中心軸線呈放射狀分布的槳翼，它還包括有一個外環，所述的槳翼向外下方延伸其末端與外環固連；在槳翼下方的玩具的中心軸線上設置有單一的轉動裝置；中心座內部設置有帶動轉動裝置旋轉並使槳翼以與轉動裝置相反的方向轉動、從而產生升力的馬達裝置；玩具的重心位於槳翼和轉動裝置上方的中心座的軸線上。
所述的中心座包括有上座體和下座體，其中，上座體位於槳翼上方以使玩具的重心位於槳翼和轉動裝置上方，下座體則與槳翼的另一末端固定連接。
所述的玩具還包括有一與馬達裝置配合以接收命令從而控制旋轉玩具的轉速度的無線接收器。
所述的單一轉動裝置為一對固定在玩具的中心軸線上的主轉動葉片，該對主轉動葉片的總長度即為單一轉動裝置的直徑。
所述的玩具的重心位於外環的底部之上，並與其之間具有相當於主轉動葉片直徑的1/2-1/3的垂直距離。
所述的玩具的重心位於外環的底部之上，並與其之間具有相當於主轉動葉片半徑的65％的垂直距離。
所述的槳翼具有20-30度的下傾角。
所述的玩具還包括有一內部設置有發射器以發出命令給接收器、從而控制馬達裝置的轉速的遙控裝置。
所述的玩具由輕質量材料製成以使玩具可以被氣流推動；遙控裝置上還設置有一風扇，該風扇由遙控裝置啟動以向旋轉玩具提供推動其移動的氣流。，本實用新型僅僅使用一個單一的轉動裝置配合反向上升槳翼即可使玩具在旋轉時產生類似陀螺儀的穩定效果，從而使玩具在飛行旋轉具有自穩定效果，性能良好，結構也較為簡單。
以下結合附圖對本實用新型做進一步的說明附圖1為本實用新型一較佳實施例的總體結構示意圖附圖2為附圖1的分解示意圖附圖3為附圖1中所示的飛行旋轉玩具的剖視結構示意圖附圖4為表示槳翼和主轉動件之間相互關係的局部剖視示意圖附圖5為另一種形式的齒輪減速箱的截面圖附圖6為用於控制馬達裝置速度的遙控裝置的截面圖附圖7為另一種結合有風扇或吹風機的遙控裝置的結構示意圖附圖8為本實用新型另一實施例的分解示意圖附圖9為附圖8中的齒輪減速箱的截面圖具體實施方式
以下所述僅為體現本實用新型原理的較佳實施例，並不因此而限定本實用新型的保護範圍。
見附圖1和附圖2所示，本實用新型的第一個實施例提供了一種飛行旋轉玩具5，該飛行旋轉玩具5包括一個單一的主轉動葉片12，該主轉動葉片12與由輕質材料製成的主體10轉動連接，主體10的轉動方向與主轉動葉片12的方向相反。主體10又包括有一個中心座14，中心座14內放置有驅動和控制裝置。中心座14由上、下座體18和16構成，其中，上座體18和下座體16皆與一個內座體20套接在一起。本實用新型的主體10還包括多個從中心座14向外下方伸出並延伸到外環24的槳翼22。下體座16內設置有一個用於驅動主轉動葉片12的馬達裝置26，上座體18內則至少設置有一個電源裝置28和一塊電路板30。上座體18的頂部還設置有一個透明的頂蓋32以保護設置在中心座14內的部件並接收無線信號。
見附圖3所示所述的馬達裝置26為一包括馬達36在內的行星齒輪減速箱34，該行星齒輪減速箱34允許馬達裝置26沿與轉動葉片12的中心軸線38對齊的一根軸線安裝。
當主轉動葉片12旋轉時，不需要去抵消主轉動葉片12產生的轉矩，相反，該轉矩可促使主體10反向轉動。當玩具飛起來後，外環24可保護主轉動葉片12並起到類似陀螺儀的穩定作用。如上所述，外環24和中心座14通過多個槳翼22相連，槳翼22的表面呈上升狀，當玩具5旋轉時可以產生升力。槳翼22旋轉的方向與主轉動葉片12的方向相反，但兩者都同樣可給玩具5提供升力，槳翼22由此被定義為反向旋轉上升表面(槳翼22與主轉動葉片12之間的相互關係在附圖4中可以看出)，因此得出的主轉動葉片12與槳翼22之間的特性關係也可調整以提供合適的主體旋轉速度。
本實用新型的旋轉玩具5在旋轉時具有自穩定的性能，所謂的自穩定是這樣定義的當旋轉玩具5被以某種方式幹擾後，它將向一個方向傾斜並開始向該方向移動。此時，位於更高位置或玩具5前端一側的槳翼22(假設玩具5是傾斜的)將比位於更低位置或玩具後端一側的槳翼22獲得更大的升力，原因在於位於前端的槳翼22將具有更高的空氣流入量。玩具上升的方向將取決於其旋轉的方向而偏向這一側或另一側。該動作將產生一個與玩具移動方向呈90度角的上升力，並使玩具如陀螺狀旋轉，產生一個與上升力呈90度相位差的反作用力以使旋轉玩具5達到自穩定，所謂的自穩定就是由玩具的陀螺狀旋轉和位於移動方向的槳翼22所產生的附加升力所產生的，而玩具欲達到自穩定，則由旋轉玩具自身所產生的陀螺前進力必須大於主轉動葉片12所產生的陀螺前進力。
位於上升中心的玩具重心(CG，見附圖3所示))的位置對於自穩定效應來講非常關鍵。試驗顯示，自穩定效應取決於氣動阻尼和前面所述幾種力的相對大小。這就決定了當CG在高度上距離外環24的底部24b相當於主轉動件12直徑的1/2～1/3時，玩具的自穩定效應較佳，而當這個距離在相當於主轉動葉片12半徑的65％時，玩具的自穩定效應達到更佳狀態(應該注意的是主轉動葉片12的直徑與兩個槳翼22的長度之和相等，所謂兩個槳翼22的長度之和是指從一個槳翼的末端到另一個槳翼的末端的長度)。另外應該注意的是外環24的截面形狀和CG的高度相互制約，對於玩具5的穩定來說是非常重要的。假如CG位置過高，玩具5將變得不穩定，同樣，CG位置過低的話，玩具5也將變得不穩定。而一旦玩具5失去穩定性，自穩定效應也就無從談起，這也就是說它將呈螺旋狀飛出控制範圍並在飛行過程產生越來越大的振動。
由於CG在距離外環24底部24b約相當於主轉動葉片12的半徑的65％時，玩具的自穩定效應最佳，因此，大多數的部件被設置在主體10上方。馬達36因此必須通過一根較長的轉軸來帶動主轉動葉片12。此外，由於玩具5的重量將影響到重心的位置，因此，主體10和槳翼22皆最好使用輕質材料。
由於槳翼22所產生主要的氣動阻尼，使得本實用新型的旋轉玩具5在飛行時相當穩定。如上面所提到的，整個槳翼22呈流線型並從中心座14向外下方延伸到外環24，特別是其具有20-30度的下傾角(該傾角可以通過畫一條通過流線型槳翼22中心的假想線來測量)，使得槳翼22在側面具有較大的面積，可以對空氣產生較大的阻力，從而防止旋轉玩具5在動作時偏向一側。
旋轉玩具5在動作過程中，主轉動葉片12旋轉並通過外環24內的槳翼22將氣流從玩具5的上方導向下方，因此，氣流在與主轉動葉片12接觸時應先流過槳翼22，這也就意味著，氣流從槳翼22離開時是呈一定的斜角並獲得一定的加速度，與主轉動葉片12在靜止的氣流中的情況相反的是它必須使氣流加速從一個區域流向鄰近的區域。因此，主轉動葉片12的效率由此而提高。此外，假如槳翼22不是安裝在主轉動件12上方的話，則主轉動葉片12上方的頂點必須降低許多。
在各種試驗中，主轉動葉片12和主體10分別和共同以600r/min的速度旋轉，且主轉動葉片12和主體10的所產生的升力是可以測量的。當主轉動葉片12和主體10分別轉動時，主轉動葉片12產生的升力僅為主轉動葉片12和主體10(連同槳翼22在內)共同轉動時所產生的升力的60％。然而，如果說槳翼22產生了另外40％的升力是不正確的，因為人們發現槳翼22通過單獨旋轉而達到這樣的轉速時僅僅產生相當於主轉動葉片12和槳翼22共同旋轉時所產生升力的5-10％。然而，既然說主轉動葉片12產生60％的升力，而槳翼22僅產生5-10％的升力，那就還有30-35％的升力來自何處無法說明。實際上，當主轉動葉片12單獨旋轉時，氣流是未加速或者說是靜止的。同樣，安裝在主轉動葉片12上方的槳翼22在單獨旋轉時也僅僅產生相當於兩者共同旋轉時所產生升力的5-10％。由此可以得出結論，槳翼22的存在可以使氣流在接觸到主轉動葉片12之前獲得加速度，因此，是主轉動葉片12和槳翼22共同轉動並協調利用加速的氣流而產生了另外30-35％的升力。
在另外一種實施例中，本實用新型使用偏置齒輪減速箱60(見附圖5所示)，該偏置齒輪減速箱60的馬達36以偏離在主轉動葉片12的中心軸線一側的方式安裝。在這種偏置安裝的狀態下，馬達36所產生的重力(圖中未示出)將加在外環24上以保持旋轉玩具5中心的平衡狀態。
為了控制馬達裝置26，頂蓋32內安裝有頻率感應或接收器40，該頻率感應或接收器40與外部的頻率發射器52配合，頻率發射器52被安裝在遙控裝置50內(見附圖6所示)，遙控裝置50具有一個扳機狀開關54，通過扣動扳機狀開關54，遙控裝置50可發射出遙控信號。實際上，除了上述頻率控制方式(RF)外，也可採用紅外線控制方式(IR)或其它控制方式。此外，旋轉玩具5即使在被氣流推動的情況下，其自穩定性能也可使玩具5保持穩定，氣流可使玩具5獲得初始運動，但最終玩具5將或得一個穩定的水平盤旋位置。見附圖7所示遙控裝置50上也可以安裝一個可由使用者啟動的風扇56，通過這樣一種簡單的方法，當風扇56啟動後，它所產生的氣流可以令玩具5繞使用者飛行。
在本實用新型的另外一個實施例中，見附圖8和附圖9所示一個電池組80被用來平衡偏置馬達36的重力，如圖中所示該電池組80如此安排的話可以馬達裝置26中的馬達36所產生的重力和電池組80所產生的重力相互平衡，以使旋轉玩具5保持平衡，此外，在本實施例中，上座體18和下座體16結合成一體，一個開/關82被安裝在電路板30，並可讓使用者通過頂蓋32上方的孔84撥動。
權利要求1.自穩定旋轉玩具，包括一個中心座、多個繞中心座的中心軸線呈放射狀分布的槳翼，其特徵在於它還包括有一個外環，所述的槳翼向外下方延伸其末端與外環固連；在槳翼下方的玩具的中心軸線上設置有單一的轉動裝置；中心座內部設置有帶動轉動裝置旋轉並使槳翼以與轉動裝置相反的方向轉動、從而產生升力的馬達裝置；玩具的重心位於槳翼和轉動裝置上方的中心座的軸線上。
2.根據權利要求1所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的中心座包括有上座體和下座體，其中，上座體位於槳翼上方以使玩具的重心位於槳翼和轉動裝置上方，下座體則與槳翼的另一末端固定連接。
3.根據權利要求1或2所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的玩具還包括有一與馬達裝置配合以接收命令從而控制旋轉玩具的轉速度的無線接收器。
4.根據權利要求3所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的單一轉動裝置為一對固定在玩具的中心軸線上的主轉動葉片，該對主轉動葉片的總長度即為單一轉動裝置的直徑。
5.根據權利要求4所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的玩具的重心位於外環的底部之上，並與其之間具有相當於主轉動葉片直徑的1/2-1/3的垂直距離。
6.根據權利要求5所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的玩具的重心位於外環的底部之上，並與其之間具有相當於主轉動葉片半徑的65％的垂直距離。
7.根據權利要求6所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的槳翼具有20-30度的下傾角。
8.根據權利要求4至7中任何一項所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的玩具還包括有一內部設置有發射器以發出命令給接收器、從而控制馬達裝置的轉速的遙控裝置。
9.根據權利要求8所述的自穩定旋轉玩具，其特徵在於所述的玩具由輕質量材料製成以使玩具可以被氣流推動；遙控裝置上還設置有一風扇，該風扇由遙控裝置啟動以向旋轉玩具提供推動其移動的氣流。
專利摘要本實用新型涉及玩具技術領域，尤其是涉及一種方向無法控制的自穩定旋轉玩具。它主要包括有一個中心座，該中心座具有一根中心軸線和下座體；多個從中心座下部向外延伸的反向旋轉上升槳翼，該反向旋轉上升槳翼的一個末端與外環相連；一個使中心座和槳翼旋轉以產生主要上升力的單一轉動裝置；中心座的上座體位於反向旋轉上升槳翼和轉動裝置上方以使玩具的重心位於反向旋轉上升槳翼之上，從而使玩具獲得自穩定效果。本實用新型僅僅使用一個單一的轉動裝置配合反向上升槳翼即可使玩具在旋轉時產生類似陀螺儀的穩定效果，從而使玩具在飛行旋轉具有自穩定效果，性能良好，結構也較為簡單。
文檔編號A63H27/127GK2746957SQ20042000520
公開日2005年12月21日 申請日期2004年2月15日 優先權日2004年2月15日
發明者史提夫·戴維斯 申請人:史提夫·戴維斯