绷紧电枢往复脉冲换能器 【发明背景】
【发明领域】
本发明一般涉及电磁换能器(Transducer)，尤其涉及一种绷紧电枢往复脉冲换能器。
已有技术描述
象寻呼机这样的便携式通信设备一般采用圆柱形电动机或“扁平型”电动机，前者旋转一偏心平衡块，而后者利用偏心电枢加重(weighting)以产生“触觉或振动”报警信号(alert)。这种报警最好是产生一“静音”报警信号，该报警信号用来提醒用户已收到一消息而不打扰附近的人。尽管这种设备已令人满意地工作了许多年并且仍被广泛使用着，不过有几个问题限制了其在更宽的范围内得到使用。当用来提供一触觉、“静音”的报警时，电动机很难达到“静音”，而是提供一易感有声输出，部分因为需要高旋转频率以使电动机运行，从而充分旋转平衡块以提供易感触觉刺激作用。同样，作为它们固有结构的结果，这种电动机一般消耗相当大量的能量用于工作。这意味着电动机必须由工作电池直接配电，从而显著影响在便携式通信设备正常工作期间预期的电池寿命。
最近，由Mooney等人的美国专利No.5,107,540和Mckee等人的美国专利No.5,327,120描述了新一代非旋转径向电磁换能器，它显著降低了作为触觉报警设备工作的电池所耗的能量。另外，由于该电磁换能器工作于次声频，该频率使换能器与人接触时所产生的触觉最大，所以提供了一种完全静音的无打扰报警。由于径向电磁换能器的尺寸和外形类似于扁平型电动机的尺寸和外形，因此该新设备的改型可更易容纳于所建立的通信设备中，而几乎不改变驱动电路或机构。
尽管新一代非旋转径向电磁换能器显著降低了能耗，并且还显著降低了实际工作时产生的声响，不过仍需要一种电磁换能器，它具有更低的能耗，具有更小的外形轮廓，并能更适于用在诸如信用卡通信设备之类的薄型电子设备中，同时保持径向电磁换能器的性能特征。
发明概述
根据本发明，一种绷紧电枢往复脉冲换能器，包括：一电磁驱动器，它响应一输入信号而产生一交变电磁场；一电枢，其包括具有从中穿过地径向轴的上平悬构件和具有从中穿过的径向轴的下平悬构件，被耦合到该电磁驱动器上，其中上平悬构件的径向轴基本上垂直于下平悬构件的径向轴取向；和一磁活动块，悬浮于上、下平悬构件之间，并被耦合到该交变电磁场上以与之响应而交替移动磁活动块。磁活动块的运动通过上、下平悬构件以及电磁驱动器转换成动能。
附图简介
图1是根据本发明的绷紧电枢往复换能器的分解图。
图2是根据本发明的绷紧电枢往复换能器的剖视图。
图3是根据本发明第一实施例用于图1绷紧电枢往复脉冲换能器中的平悬构件的顶视图。
图4是根据本发明第二实施例用于图1绷紧电枢往复脉冲换能器中的平悬构件的顶视图。
图5是采用本发明绷紧电枢往复脉冲换能器的通信设备分解图。
图6是采用本发明绷紧电枢往复脉冲换能器的通信设备电气框图。
优选实施例描述
图1表示本发明绷紧电枢往复换能器100的分解图，图2表示其剖视图。该绷紧电枢往复脉冲换能器100包括：一电枢12，它包括上平悬构件14和下平悬构件16；一支架24，它包括线圈26；和一磁活动块18。磁活动块18包括磁铁座20，其用来夹持多个永久磁铁22不动，图中示出四个永久磁铁，其中示出两个与磁铁座20分开。把支架24和线圈26结合起来称作电磁驱动器(24,26)。
如以下进一步描述的那样，电磁驱动器(24,26)用来响应于一所提供的驱动电压而产生一交变电磁场。作为例子，线圈26包括约两百二十七(227)匝No.44规格的漆包铜线，它终止于线圈端26，并提供出一百(100)欧姆电阻。优选用注模工艺制造电磁驱动器(24,26)，在该工艺过程中，将线圈26模制入支架24中。可知，也可采用其他形成电磁驱动器(24,26)的制造技术。作为例子，用含30％玻璃的液晶聚合物来形成支架24，不过可知也可采用其他的可注模热塑材料。用如下将要描述的四个止挡28将上平悬构件14和下平悬构件16固定到支架24上，从而对上平悬构件14定位以使其基本上平行于下平悬构件16。作为例子示出三个固定引脚30，优选在注模工艺过程中将固定引脚30装配到支架24上。可知，在本发明的一个实施例中，固定引脚30只是用来机械连接到如印刷电路板之类的支承片上；而在另一实施例中，固定引脚可电连接和机械连接到支承片上，此时以一种标明三个引脚中哪一个向线圈26提供电输入的方式来标记固定引脚30。
磁活动块18包括磁铁座20和四个永久磁铁22。优选用压铸工艺制造磁铁座20，并优选由诸如Zamak3锌压铸合金之类的压铸材料铸造磁铁座20。可知，也可用其他铸造工艺如熔模铸造工艺，用铸造材料如钨来制造磁活动块18，它们显著增大了例如需要实现更低频工作的磁铁座20的质量-体积比。磁铁座20包括两个上腔槽42，上腔槽42绕公共径向轴54设置并位于磁铁座20上表面中相对象限内，磁铁座20还包括两个下腔槽44，下腔槽44绕一公共径向轴(图中未示)设置并位于磁铁座20下表面中相对象限内。如图1所示，两个上腔槽42的公共径向轴54垂直于磁铁座20内下腔槽44的公共径向轴设置。磁铁座20还包括在与两个下腔槽相对的上表面内形成的上沟槽32，和在与两上腔槽相对的磁铁座20下表面内形成的下沟槽(图中未示)。两上沟槽32和两下沟槽能使磁铁座20的部分在磁活动块18运动的过程中自由通过上平悬构件14与下平悬构件16中的孔，从而使在磁活动块18受电磁驱动器(24,26)驱动时可实现沿轴56(图2)的位移最大。轴56(图2)垂直于上、下平悬构件的平面。而且将会意识到，与在永久磁铁内模制沟槽相比，更易于在磁铁座内以合理的公差模制沟槽，前者在烧结过程中能显著改变尺寸。
每个永久磁铁22产生一磁场并沿预定N-S磁场方向保持在磁铁座20内，作为例子，在图1中该N-S磁场方向使S磁极朝向磁铁座20中央，而N磁极朝向磁铁座20的周边，由此使永久磁铁22的S磁极相对放置。永久磁铁22优选由具有25MGOe最小磁通密度的钐钴材料制成，不过可知也可采用其他高磁通密度的磁性材料，所选的永久磁铁具有最高的磁通密度和质量。作为例子，用一种粘结材料将永久磁铁夹持在磁铁座20的上、下腔槽内，该粘接材料例如是一种热固β级环氧树脂预制件，用热和压力来硬化它，由于永久磁铁22的磁极相对设置，所以在硬化期间必须固定永久磁铁22。当完全夹持在上、下腔槽内时，使每个永久磁铁22的预定N-S磁场方向的取向平行于上腔槽42和下腔槽44的径向轴。
磁铁座20包括位于磁铁座20上、下表面中心的平中央区，并包括固定凸缘36(图中示出一个固定凸缘)，利用固定凸缘借助作为例子的边缘铆接(orbital riveting)或其它适当的方法将磁活动块18紧固到上平悬构件14和下平悬构件16上。两个止挡38用来使上平悬构件14和下平悬构件16定向，从而使上平悬构件14的径向轴50的方向基本垂直于两个上腔槽42的公共径向轴54，而使下平悬构件16的径向轴52的方向基本垂直于两个下腔槽44的公共径向轴。除了使上、下平悬构件定向外，磁铁座上、下表面上的两个止挡38可提供用来防止磁活动块18相对于上、下平悬构件转动的手段。
上述绷紧电枢往复换能器100较之以前的非旋转径向电磁换能器具有改善的性能。利用磁活动块18得到性能的改善，磁活动块18使永久磁铁22的尺寸与能量积(product)最大，从而在磁活动块18与电磁驱动器(24,26)之间建立基本为360°的磁/电磁界面。通过使用平悬构件14,16使得性能得以进一步增强，将平悬构件14、16相互垂直固定，并使它们位于与上述使永久磁铁固定到磁铁座20上的象限相对的象限中。磁铁座20还包括沟槽，如环形磁铁用来代替根据本发明的四个永久磁铁时，此沟槽使磁活动块的运动幅度最大而不增大磁活动块的整体厚度。由于该磁结构的能量产出最大，可知，在保持绷紧电枢往复换能器100的触觉能量输出时，可减小电磁驱动器(24,26)的电流。
图3是一平悬构件(14或16)的顶视图，该平悬构件可用于根据本发明第一实施例的绷紧电枢往复换能器100中。该平悬构件包括一对非线性弹性件302，它们由一圆形的外径306和一椭圆形的内径304限定，由此提供具有不均匀宽度的弹性件，在邻近端部限制器308的区域中宽度“2X”最宽，而在轴向非线性弹性件302的中点314周围减至宽度“X”。非线性弹性件302通过基本上为均匀宽度“2.57X”的端部限制器308对称地与邻接的平中央区310连接，而且还连接至一对邻接的平端部限制器312(图中示出一个邻接的平端部限制器312)。邻接的平中央区310包括：位于中央的孔320，它用来将上、下平悬构件固定到磁活动块18上；和细部(feature)324，用来防止磁活动块18相对于上、下平悬构件转动。关于图3平悬构件的其他信息公开于序列号为08/297,730的美国专利申请中，它于1994年8月29日提出，题为“Dual Mode Transducer for a Portable Receiver”，它已转让给本发明的受让人。
图4是一平悬构件(14或16)的顶视图，它能用于根据本发明另一实施例的绷紧电枢往复脉冲换能器100中，并用来工作于与图3平悬构件相比更高的频率下。该平悬构件14、16包括一对并置的平组合梁402、404和406、408，它们对称地与一邻接的平中央区310连接，邻接的平中央区310包括：位于中央的孔320，用来将上、下平悬构件固定到磁活动块18上；和细部324，用来防止磁活动块18相对于上、下平悬构件转动。并置的平组合梁402、404和406、408还分别接至一对邻接的平端部限制器412、414中相应的一个。并置的平组合梁402、404、406和408中的每一个都分别包括两个独立的同心拱形梁：内梁402A、404A、406A和408A；和外梁402B、404B、406B和408B，每个梁都有基本相同的弹性率(K)。通过相对于外梁宽度减小内梁宽度而在功能梁长度l上实现基本相同的弹性率。关于图4平悬构件的其他信息公开于序列号为08/341,242的美国专利申请文件中，它于1994年11月17日提出，题为“Taut Armature Resonant Impulse Transducer”，它已转让给本发明的受让人。
如图3和4所示的平悬构件14、16优选由金属片制成，例如SandvikSteel Company,Sandviken,Sweden所产厚度为0.0040英寸(0.10mm)的SandvidTM7C27Mo2不锈钢，它优选用一种化学铣削或蚀刻工艺方法制成，不过可知也可采用其他的部件制作工艺方法。
绷紧电枢往复脉冲换能器100的设计方案提供了Z轴装配技术，例如用于自动机器人装配过程或流水线的技术。以下将简述装配过程。在如上所述将永久磁铁22装到磁铁座20上之后，将上平悬构件14放在磁铁座20上表面上的凸缘36上，然后例如利用边缘铆接工艺对其进行拉软(stake)。接着将磁活动块18放入支架24内图1所示的内腔中，并相对于支架24定位在上平悬构件14的平端部限制器上，然后，通过用拉软过程如热拉软或超声拉软使止挡28变形，将上平悬构件14固定到支架24上。接着翻转支架28，将下平悬构件16放在凸缘36和止挡28之上。然后如上所述使止挡28变形，之后亦如上所述对凸缘进行拉软，如此完成了将磁活动块18装配到支架24和电枢12上的工作。
已如上所述装配好的绷紧电枢往复脉冲换能器100可在此状态下使用，即在无外壳的情况下使用，或可装一外壳，以封装绷紧电枢往复脉冲换能器100。该外壳优选包括至少一个以下待述图5中所示的上外壳部分46。上外壳部分46优选采用利用一适当成型过程如金属片拉拔和成型过程的“316”不锈钢制成。可知也可用其他非磁性材料制作上外壳部分46。
图5是利用根据本发明绷紧电枢往复脉冲换能器100的电子设备500的分解图。该绷紧电枢往复脉冲换能器100尤其适用于有一薄外形轮廓的电子设备500，例如用于信用卡寻呼机中。可知，由于绷紧电枢往复脉冲换能器100具有小外形轮廓和如上所述的低功率要求，所以它可用于任何备有触觉报警的薄外形轮廓的电子设备。如图5所示，该电子设备500作为例子包括框架510和顶盖515与底板520，它们封装诸如一印刷电路板之类的支承片505，例如通过焊接或其他适当的方法将绷紧电枢往复脉冲换能器100固定于其上。在如图所示的例子中，顶盖515与底板520作为例子分别具有舌片548、549与521、522，它们与框架510中的凹槽523和524相啮合，通过螺钉551、552将顶盖515与底板520固定到框架510上。用螺钉525、526将支承片505作为例子固定到底板520上，螺钉525、526与通过许多众所周知的固定技术中的一种来固定到底板520上的螺母540、541相啮合。电子设备500由电池575供电，电池575一般为一钮扣电池。
根据本发明的绷紧电枢往复脉冲换能器100最好用一扫频输入信号驱动，该信号例如是序列号为08/297,730的美国专利申请文件和序列号为08/341,242的美国专利申请文件所述的信号。当扫频范围在绷紧电枢往复脉冲换能器100基模频率之上的次声频输入信号耦合到电磁驱动器24、26上时，将产生由磁活动块沿垂直于上、下悬浮件平面的方向位移所产生的触觉能量。磁活动块的位移幅度在基模频率之上的整个预定频率范围内非线性增大，导致触觉能量输出增大。
图6是一电子设备600的电气框图，该设备利用了本发明的绷紧电枢往复脉冲换能器100。作为例子，该电子设备600是一通信设备，例如适于包含在以上图5所述外壳之内的寻呼接收机。该寻呼接收机包括：天线602，它截取编码消息信号，这些信号包括以许多众所周知发信号协议中任一协议发送的消息信息，这些协议例如是POCSAG(PostOffice Code Standardization Advisory Group)发信号协议或FLEXTM发信号协议。将天线602所截取的消息信息耦合到接收器604的输入端，接收器604以本领域公知的方式接收和解调所接收到的编码信息信号，并在输出端提供代表所发送消息的消息信息流。该消息信息流一般包括解调的地址和消息信息，它被耦合到处理地址信息的解码器606上。当该地址信息与存储在代码存储器608中的预定地址信号相匹配时，解码器606产生一输出信号，它允许处理跟随该地址的消息信息。控制器610以本领域公知的方式处理该消息信息，将该消息信息存入一存储器(图中未表示)并产生报警控制信号622或报警控制信号624，以警告接收该信息的用户，其中报警控制信号622被耦合到触觉报警设备616(例如上述绷紧电枢往复脉冲换能器100)上，而报警控制信号624被耦合到声响报警设备620上。可知，解码器606和控制器610的功能可由单独一个电子设备如微型计算机612以本领域的普通技术人员所公知的方式来实现。所存储的消息信息可以由用户通过用户输入装置614来再调用，用户输入装置614一般包括一个或多个开关。当从存储器中再调用消息时，该消息呈现于显示器618如液晶显示器上。
总之，较之以前的非旋转径向电磁换能器，上述绷紧电枢往复脉冲换能器100使触觉能量输出最大。通过使用于磁活动块18内的永久磁铁尺寸最大，可使触觉能量输出最大。该永久磁铁结构允许利用一种独特的电枢结构，其中上、下平悬构件14、16的径向轴相互垂直取向，并垂直于与其相应的磁活动块表面上的永久磁铁。永久磁铁相对于平悬构件的方向允许采用形成于磁铁座内的沟槽，它们使工作过程中磁活动块18的位移56(图2)最大。通过使永久磁铁尺寸最大，从而使总能量产出最大，这进一步导致减少了要实现以往非旋转径向电磁换能器的同等触觉能量输出所必须的电耗。
尽管已示出和描述了本发明的具体实施例，不过本领域的技术人员可作进一步的修改和改进。保持这里所公开和要求的基本潜在原理的所有修改，都在本发明的范围和实质之内。