弹簧偏置的铰链及其方法 【技术领域】
一般地，本发明涉及电子设备，更一般地，涉及具有多个机架部分的便携式无线手机，这些机架部分通过铰链相互连接，并在开启与闭合位置之间旋转。
背景技术
具有铰链的翻盖部分的无线蜂窝式通信设备是众所周知的。例如，已知这样的压缩弹簧偏置的凸轮，其与凸轮从动件接合，以使机架构件(例如封盖(cover)或翻盖(flip)部分)以旋转轴为枢轴进行转动，该旋转轴与压缩弹簧的轴相同。
比如说，编号为No.5,640,690、题为“Hinged Assembly Having CamFollower”的美国专利公开这样的压缩弹簧偏置的凸轮，其与凸轮从动件接合，以使机身构件封盖或翻盖部分绕枢轴转动。
无线或便携式通信设备继续添加特性，同时维持甚至减小设备大小以提升便携性。折叠设备的现有铰链占据机架内的空间，减小了可用于集成其它想要的特性的本来就有限的空间的量。对相对机架部分的运动的控制也受到限制。另外，对开启协助(open assistance)特性的集成受到限制，占据设备内的宝贵的空间，或者不可能以现有铰链组件(实现)。
一些铰链将弹簧驱动(spring urged)的从动件推到棘爪凸轮中，使得基于棘爪地位置，两个部件相对于彼此形成各种角度的位置。比如说，编号为No.3,644,023、题为“Hinged Spring-Loaded SpectacleHinge”的美国专利公开弹簧偏置的凸轮设备，其将从动件推到棘爪中，以将边臂支持在各自的服务位置中。然而，这些铰链不提供一个部件相对于另一部件的运动。
在参照下面描述的所附绘图，仔细考虑下面的具体实施方式之后，对于本领域普通技术人员而言，本发明的各种方面、特性与优点将变得更加显而易见。
【附图说明】
图1是示例性的具有铰链的电子设备。
图2是示例性的无线通信手机的示意性框图。
图3是具有铰链部分的电子设备的示例性的横截面。
图4是示例性的处于第一旋转位置的电子设备。
图5是铰链从动件的示例性的横截面视图。
图6是凸轮与从动件铰链的示例性的横截面视图。
图7是示例性的自由体图，其阐释凸轮从动件套件的示例性的力。
图8是凸轮与从动件铰链的示例性的剖视图。
图9是示例性的具有铰链的电子设备。
【具体实施方式】
尽管本公开通过各种形式的实施例实现，本示例性的实施例在绘图中显示并在下文中描述，需要理解的是，本公开应被视为范例，而无意将下面的权利要求书限制于这里包含的特定实施例。
图1阐释处于开启位置的示例性的可闭合的电子设备100。在示例性的实施例中，电子设备100为无线电话。这里描述的无线电话100是可受益于本发明的无线通信设备类型的代表。然而，需要理解的是，本发明可施行于任何类型的手持或便携式电子设备，包括，但不限于，下述设备：无线电话、无座电话、寻呼设备、个人数字助理、便携式电脑、基于笔或基于键盘的手持设备、遥控单元、音频播放器(例如MP3播放器)，包括手持存储容器，例如，口袋大小的香烟容器，等等。相应地，这里对无线电话100的任何引用也应被视为同样地施行于其它手持或便携式电子设备。
设备100被显示为具有第一机架100，例如无线电话听筒机架，其可绕枢轴旋转地连接到第二机架120或封盖，例如，无线电话的电话翻盖。弹簧偏置的铰链将第一机架110连接到第二机架120，并影响第一机架110相对于第二机架120的运动。然而，本发明的铰链与弹簧偏置机制可一般地应用于任何应用中，其中想要在可折叠设备中提供弹簧偏置的铰链，如在下面的讨论中将变得更显而易见的那样。
图2是示例性的无线通信手机的示意性框图200，一般地，其特性为连接到存储器220(例如RAM、ROM、EPROM、等等)的处理器210。示例性的无线手机也包括无线收发器230，显示屏240(可选地为触摸显示屏)，可选地第二显示屏，输入250(例如小键盘、麦克风与视频输入)，输出260(例如声音与触觉(tactile or haptic)输出)，以及其它端口280(例如电源、音频、等等)，所有这些均连接到处理器。
示例性的无线电话100的各种部件，例如处理器、存储器、输入、输出，一般地放置于机架中。显示屏经常安装在机架上，无论其是否是单件套件或多件套件的一部分，所述多件套件中机架部件相对于彼此进行移动。机架还可包括一个或多个小键盘。这些示例性无线手机部件的位置与布局仅仅是示例性的应用，且对于下面更充分地讨论的铰链结构与弹簧偏置机制而言是非实质性的。
再次参照图1，提供了具有第一机架110与第二机架120的处于开启位置的示例性的无线电话100。第一机架110具有伸长的形状，其具有至少第一表面104。第二机架120具有类似的伸长的形状，其具有第二表面108。在闭合位置，第二机架120基本上覆盖第一机架110，其中第一表面104与第二表面基本上平面地邻接。第二机架120相对于第一机架110围绕旋转轴128转动，该轴基本上垂直于至少第一机架110的第一表面104。第一机架110包括中空部分132，其容纳从动件102与弯曲构件134。从动件102与弯曲构件134在中空部分132之内往复运动，其示例性的组合可被视为偏置构件或套件。在其它实施例中，偏置构件不要求中空部分，例如，在其它结构为弹簧提供支持的应用中，或者在弹簧足够硬而不要求托架或支持的实施例中。从动件可与弹簧集成，或者其可以是分立部件。在示例性的实施例中，弹簧是压缩类型的，尽管在其它实施例中其可以是扭矩弹簧或者叶片类型(leaf-type)的弹簧或者某其它弹簧构件。
第二机架120包括携带凸轮122的保持环106，凸轮122具有具有特定轮廓的表面(contoured surface)部分138，该表面部分被适配以接合从动件102。第一机架110围绕旋转轴128相对于第二机架120旋转，使得第一表面104在旋转时与第二表面维持同一平面。铰链栓130从第一机架110沿着旋转轴128 伸到第二机架120。
参照图3，图1中所示的示例性的实施例的横截面阐释了处于闭合位置的第一机架110与第二机架120。第一机架110包括中空部分132，其什么也不包括，或者在其凸轮端131处包括切口300。切口300在中空部分132的凸轮端131形成叉形302，其横跨凸轮122，使得凸轮122部分地封装于中空部分132的叉形302两个尖叉之间。铰链栓130伸过叉形302与凸轮122，允许凸轮122在叉形302的两个尖叉之间旋转。从动器102既接合叉形302的两个尖叉之间的凸轮122，也接合中空部分132内的弯曲部件134。铰链栓130在第一机架轴衬304处连接到第一机架，并在第二机架轴衬306处连接到第二机架120。尽管示例性的实施例包括两个尖叉，其它实施例可仅包括单个尖叉。
凸轮122在保持环106上，该凸轮从环向内延伸到保持环106的中央。保持环106可旋转地将第一机架110连接到第二机架120，防止第二机架120从第一机架110分离。保持环106的边缘308通过与第一机架110的支持边沿310紧密配合，在第一机架110内支持第二机架120。保持环106刚性地固定到凸轮122，使得当凸轮122旋转时，保持环106与附着于其上的第二机架120一起旋转。
铰链栓130是穿过第一与第二机架(110、120)的一部分并基本上垂直于至少第一机架110的第一表面104的轴。铰链栓130也穿过凸轮122与中空部分132。保持环106连接于凸轮122与第二机架120之间。在其它实施例中，凸轮122可连接到第二机架120，并通过另一可供选择的枢轴连接机制，例如通过滚珠轴承座圈或特氟隆(teflon)表面，由第一机架部分110保持。铰链栓130与凸轮122的旋转轴128排成一列，从而与第二机架120相对于第一机架110排成一列。
参照图4，设备100的示例性实施例中显示的第一机架110处于第一开启位置400。第一机架110具有伸长的形状，并且具有至少第一表面402，该表面基本上是平的。在此实施例中，第一表面402携带用户接口404，当无线电话100处于第一开启位置400时，用户可访问该接口。用户接口404可以是显示屏、小键盘、触摸屏或其任何组合、等等。第一机架110具有长的维度408与短的维度410，长的维度408具有纵向轴412，该轴贯穿(run the length of)长的维度408。
图4也阐释与第一机架110类似的具有伸长的形状的第二机架120与至少第二表面108。第二表面108可以具有也可以不具有用户接口。如果第二表面108确实携带用户接口，该用户接口可以是显示屏、小键盘、触摸屏、摄像头或其任何组合。在图4中显示的示例性的实施例中，第二表面108具有显示屏430与按钮426。第二机架120也可具有第三表面414。第三表面414上可携带一个或多个用户接口，在示例性的实施例中，该第三表面处于第二机架120的第二表面108的反面上。第二机架120具有长的维度420与短的维度424，长的维度420具有纵向轴422，该轴贯穿(run the length of)长的维度420。在图示的实施例中，第二机架120主要作为封盖，如上面所解释的那样，该封盖也包括一些功能电子部件，例如选择按钮426、扬声器428、显示屏430或指示灯。然而，在图示的实施例中，大多数功能电子部件作为第一机架110的一部分包括，该第一机架也被称为机身或底层机架。作为封盖，当处于闭合位置时，第二机架120基本上覆盖第一机架110，保护第一表面104上的部件。
参照图5，显示了连接到凸轮122的中空部分132的横截面。中空部分132保持弯曲构件134，其在示例性的实施例中为压缩弹簧501，且从动件102在示例性的实施例中为球体502，例如滚珠轴承等等。中空部分132使从动件502与凸轮122排成一列。中空部分132具有两部分，中空部分凸轮端503与中空部分弯曲构件端504。叉形302位于中空部分凸轮端503，并包括第一尖叉506与第二尖叉508。叉形302允许从动件102与凸轮122排成一列，并且在与此同时允许凸轮在中空部分132的叉形302的第一尖叉506与第二尖叉508之间旋转。叉形302的尖叉(506、508)引导从动件102，使得从动件102在随着凸轮122的旋转而往复运动时不会从中空部分132侧面脱出。中空部分132引导从动件102在垂直于旋转轴128的平面中，并在第二机架120相对于第一机架110旋转的同一平面中往复运动。
叉形302由中空部分132的中空部分凸轮端503的开口500与两个尖叉形成。叉形302的尖叉(506、508)是中空部分138的扩展，使得中空部分弯曲构件段504的内表面510连续到尖叉。内表面510的连续形状允许从动件102与弯曲构件134在中空部分132的两个部分中无缝地往复运动。
中空部分132可以是在第二机架120中携带的腔室，或者可以是集成地形成于第一机架110中的腔室。无论中空部分132是否作为第一机架110中的独立部件携带，还是作为其组成部分携带，内表面510具有适应于从动件102、示例性实施例中的球体502与压缩弹簧501的维度，在从动件102与凸轮122交互时，允许球体502与压缩弹簧501沿着中空部分132的长的维度往复运动。
第一尖叉506具有第一空隙，且第二尖叉508具有第二空隙，以接收铰链栓130。铰链栓130穿过第一空隙、凸轮122并穿过第二空隙。凸轮122、中空部分132与从动件102组成凸轮-从动件套件，其由铰链栓130连接在一起。中空部分132围绕穿过第一与第二空隙的铰链栓130旋转。
压缩弹簧501在往复运动中服从于从动件102，以响应在第一机架110以旋转轴128为枢轴转动时凸轮122的旋转。压缩弹簧501可沿着压缩弹簧134的压缩轴503压缩，其沿着中空部分132的中央轴136。压缩弹簧503基本上垂直于第一机架110的第一表面104。放置压缩弹簧501，使其向从动件102施加力，其中从动件102在沿着具有特定轮廓的表面138的所有点上均保持与具有特定轮廓的表面138连接。压缩弹簧501具有压缩量级，以在第二机架120以旋转轴128为枢轴转动时，响应具有特定轮廓的表面部分138中的改变。在图5中所示的实施例中，压缩弹簧501可压缩地放置于中空部分132中。压缩弹簧501可沿着压缩弹簧134的压缩轴503压缩，压缩弹簧134沿着中空部分132的中央轴136放置。在图5中所示的示例性实施例中，确定压缩弹簧501的方向，使得其向从动件102施加力，其中从动件102在沿着具有特定轮廓的表面部分138的所有点上均保持与具有特定轮廓的表面部分138连接。
在图5中所示的示例性实施例中，从动件502具有弯曲表面，即球状、椭球状、或其它减小摩擦的表面。从动件在中空部分132之内由位于中空部分凸轮端503的叉形302的至少一部分引导。在凸轮122旋转时，从动件132也可沿着中空部分穿越到叉形302以外。更特别地，当旋转轴128到接合从动件的具有特定轮廓的表面部分138的距离增加时，从动件远离旋转轴，进入中空部分132。结果，压缩弹簧501被进一步压缩，向第一与第二机架110、120施加更大的旋转力。从动件502沿着凸轮122的具有特定轮廓的表面部分138转动或滑动或其组合。从动件502安装在压缩弹簧503的从动件端520。当从动件502运动(沿着具有特定轮廓的表面部分138转动或滑动或其组合)时，其可以在压缩弹簧501的从动件端520之内旋转。
叉形302捕获(capture)并引导从动件，使得其与凸轮122与压缩弹簧501排成一列，并且在与此同时允许凸轮122在中空部分132的叉形302的第一尖叉506与第二尖叉508之间旋转。
凸轮122由保持环106定位于第一机架110之内，并由铰链栓130与从动件502连接到中空部分。凸轮122位于中央，环绕旋转轴128。在示例性的实施例中，凸轮的旋转轴128位于中央，沿着第一机架110的长轴412与第二机架120的长轴422。凸轮122，以及第二机架120，相对于第一机架110围绕旋转轴128转动。在示例性的实施例中，凸轮122的具有特定轮廓的表面部分138被设计为获得第二机架120相对于第一机架110的运动。在沿着具有特定轮廓的表面部分138的位置上的凸轮直径的变化，导致作为如下面所描述的从动件502与压缩弹簧501施加在凸轮上的力的结果，凸轮122围绕旋转轴128旋转。在其它实施例中，可改变比例，和/或定位偏置构件，以在凸轮上提供不同的杠杆动作。
取决于从动件102在凸轮122的具有特定轮廓的表面部分138上的相对位置，第二机架120或者是固定的，或者相对于机架部分120旋转。第二机架120的位置与移动是在凸轮122围绕旋转轴128旋转时，从动件102与具有特定轮廓的表面部分138交互的结果。凸轮从动件套件是施加于第二机架120的力的一个来源。第二机架120的旋转是在从动件102穿过具有特定轮廓的表面部分138时，从动件336在凸轮122上的力的结果。从动件102穿过具有特定轮廓的表面部分138的运动至少是弯曲部件力与具有特定轮廓的表面部分138相对于第二机架120的斜率的函数。弯曲部件(或压缩弹簧501)的力，以及具有特定轮廓的表面部分138相对于弯曲部件力的方向的斜率的角度，确定了由弯曲部件通过从动件502施加在第二机架120上的力的量级。
当弯曲部件力将从动件102推(urge)向具有特定轮廓的表面部分138时，从动件102与具有特定轮廓的表面部分138之间的接合创建了两个分量力。这两个分量彼此垂直，并反作用于弯曲部件力。当具有特定轮廓的表面部分138的角度或斜率不垂直于弯曲部件力时，反作用力的第一分量被创建，并平行于具有特定轮廓的表面部分138而作用，从而使从动件102穿越具有特定轮廓的表面部分138。结果，凸轮122与保持环106向第二机架120施加力。第二分量力以180度的角度，即基本上与弯曲部件力相反，进行反作用。
压缩弹簧134的相反端由中空部分132的一端或中空部分132之内的固定组件(例如围壁或者螺钉或者托架或者其组合)固定在沿着中空部分132的位置。只要中空部分132中的弯曲构件134能够响应凸轮从动件动作套件的施力，自由地沿着压缩轴302的方向移动，中空部分132的外面的维度不必类似于管状结构。在示例性的实施例中，中空部分132的内径足够大，能够接受并允许压缩弹簧501在其中自由地移动。凸轮从动件套件完全在第一机架110内部，第一与第二机架部分的外表面没有铰链组件，创建了美学上令人愉悦的外观。
图7中显示的力图阐释了弯曲部件力与从动件502上的作为结果的或反作用的力726，其作为压缩部件力与具有特定轮廓的表面部分138的斜率的结果。图4显示了处于第一位置702的从动件502。压缩部件力706沿着压缩轴704作用，将从动件502推向具有特定轮廓的表面部分138。从动件502在第一接合点708接合具有特定轮廓的表面部分138，其中斜率具有相对于压缩轴704的第一角度710。压缩部件力706对与第一角度710相联系的从动件502的应用导致位于第一位置708的接合点上的平行于具有特定轮廓的表面部分138的第一平行力711。第一平行力711导致从动件以第一平行力711的第一方向713穿越具有特定轮廓的表面部分138。
图7中也显示了位于第二位置712的从动件502。在第二位置712，斜率的角度是相对于压缩弹簧轴704的第二角度714。在此配置中，第二平行力716作用在从动件502上，并且由于第二角度714，从动件502以与第一方向713基本上相反的第二方向718穿行。第一位置702中的压缩弹簧力706的量级可以与第二位置712中的压缩弹簧力720相同，也可以不同。移动件的方向取决于具有特定轮廓的表面部分的斜率的角度。作为基本上垂直于具有特定轮廓的表面的力，第一位置702上的垂直力722与第二位置712上的垂直力724驱动从动件，以维持与具有特定轮廓的表面部分138的接合。
如图8所示，本发明的一个实施例包括中空部分132与第二机架120，该机架以旋转轴128为枢轴或绕其旋转。图8阐释当第二机架120相对于第一机架110绕旋转轴128旋转时，中空部分132、从动件502、凸轮表面138与压缩弹簧501之间的交互。凸轮122和附着于其的第二机架120，比如说绕旋转轴128，绕枢轴从第一位置802旋转到第二位置804。当第二机架120以旋转轴128为枢轴旋转时，图示实施例中的从动件502在被压缩弹簧134推向凸轮表面138的同时沿着凸轮122的凸轮表面138转动或滑动。凸轮表面138相对于中空部分132与压缩弹簧轴503的角度随着凸轮表面轮廓的变化而变化。
当凸轮表面138的角度在与从动件501的接合点垂直于压缩弹簧轴302时(例如在位置804)，凸轮表面138在从动件502上的反作用力822与压缩弹簧501的力基本上相反并平行。当凸轮表面138相对于压缩弹簧轴503的角度改变时(例如在位置802)，产生横向分量反作用力824。在凸轮122表面与从动件502的交点，该横向分量反作用力824平行于具有特定轮廓的表面部分138。横向分量反作用力824促使从动件502按横向分量反作用力824的由第一箭头826所示的方向沿着具有特定轮廓的表面部分138移动。当按横向分量反作用力824的方向驱动从动件502时，从动件502在中空部分上施加从动件力828，导致第二机架120绕旋转轴128转动。
当第二机架120绕旋转轴128转动时，作为对维护在从动件502上的力的具有特定轮廓的表面部分138的响应，压缩弹簧501压缩或放松。当凸轮122从具有特定轮廓的表面部分138上的第一位置802旋转到具有特定轮廓的表面部分138上的第二位置804时，具有特定轮廓的表面部分138变化的轮廓导致具有特定轮廓的表面部分138与旋转的旋转轴128之间的距离变化。距离或轮廓中的变化导致当从动件592沿着凸轮表面138移动和按压缩弹簧轴503的方向在中空部分132之内纵向移动时，压缩弹簧134压缩和放松变化的量。从动件502施加在中空部分132上的从动件力828导致第二机架120绕旋转轴128转动。对中空部分132的偏离第一轴128的一面施加从动件力828，导致旋转地偏置封盖110的臂的扭矩。扭矩的量级是横向分量反作用力824的函数，该横向分量反作用力824是凸轮表面142相对于臂和由压缩弹簧134导致的力的角度或斜率的函数。
具有特定轮廓的表面部分138规定了在沿着具有特定轮廓的表面部分138的各种位置上的压缩的量，以及相应地，压缩弹簧134施加到凸轮从动件套件的力。力的变化产生扭矩分布(profile)。可定形具有特定轮廓的表面部分138，以获得想要的扭矩分布，该分布在沿着具有特定轮廓的表面部分138的特定点上、从而在第二机架120相对于第一机架110的不同的旋转点上具有特定的想要的值。这允许设计者通过最终影响在不同的旋转点上施加到第二机架120的力的具有特定轮廓的表面部分138来改变扭矩分布。例如在一个示例性的实施例中，将具有特定轮廓的表面部分138定形得类似于具有圆角部分810的三角形508。圆角部分810允许从动件更容易地穿越凸轮表面142。在图8中的第一位置802上，压缩弹簧开始施加力812。当压缩弹簧134处于放松或接近平衡位置时，这可以是微不足道的力，或者这可以是小于当压缩弹簧134被完全压缩时所获得的最大力的力。然而，在此实施例中，压缩弹簧812在第一位置802上不可能是最大弹簧力，这是因为这将防止压缩弹簧134进一步压缩，从而防止凸轮122旋转。在优选实施例中，在沿着具有特定轮廓的表面部分138的组成具有特定轮廓的表面部分138的圆角810的点上，压缩弹簧501施加不同的力814。在第一位置802与第二位置804中间，压缩弹簧501进一步压缩，并相应地产生增大的力，直到它达到第二位置804。需要注意的是，其它的力与图8中特别示例的不同的其它旋转位置相关联。本领域技术人员将意识到由凸轮从动件套件内的弹簧压缩的相对量导致的臂的位置与产生的力之间的相关。
由凸轮从动件套件施加到第二机架120的力产生的扭矩使得恰好在臂达到第二位置804之前(即，在从动件502到达具有特定轮廓的表面部分138的圆角810之前)，压缩弹簧501的力促使滚珠轴承502沿着具有特定轮廓的表面部分138按离开具有特定轮廓的表面部分138的圆角810的方向运动，并返回到第一位置802。结果，该力按将把第二机架120转到第一位置802的方向偏置凸轮122。在一个实施例中，第一物理障碍821防止凸轮122转出第三位置806。类似地，第二物理障碍820将凸轮122保持在第四位置(未显示)。一致地，具有特定轮廓的表面部分138在第一位置802上的轮廓使得以足以维持第二机架120相对于机架部分120的接合或闭合的力将第二机架120向闭合位置偏置，直到用户施加力。这也可以是与第一物理障碍独立的或与其联合(如果出现第一物理障碍的话)。
类似地，一旦第二机架120转过第二位置804(即从动件502移过在第二位置804上的具有特定轮廓的表面部分138的圆角810)，由弹簧501产生的力813促使从动件502离开第二位置804向第三位置806移动，该第三位置与第一机架110相对于第二机架120的开启位置重合。这只是产生封盖110的一种可能的想要的运动的凸轮表面138的拓扑的一个示例。下面将讨论其它示例性的具有特定轮廓的表面。
例如，参照图1，具有特定轮廓的表面部分138的拓扑促使第二机架120自动地开启到90度角度位置900。凸轮122中的90度棘爪140将第二机架120保持在90度角度，直到第二机架120转回闭合位置或转到完全开启位置(图9)，其中第二机架相对于第一机架110成180度。当从从动件位于凸轮122上的棘爪内的位置移动时，一旦将从动件502沿着凸轮122手动地移动到克服凸轮122的位置，第二机架120将自动地移动，如上面参照图8所讨论的那样。
凸轮从动件套件协助用户开启和定位设备以供使用。凸轮122的具有特定轮廓的表面部分导致第一机架110相对于第二机架120旋转，并且如用户所想要的那样定位。凸轮122中的棘爪可将设备保持在闭合位置。当用户施加的力大得足以将从动件102、502从凸轮122的具有特定轮廓的表面部分138中的棘爪移开时，凸轮从动件交互自动地导致第二机架旋转到由凸轮122上的障碍限定的下一想要的位置，或者具有特定轮廓的表面部分138中的棘爪。在90度位置上的下一棘爪(图1)可用于摄像头位置，或者用于将显示屏旋转到风景(landscape)方位。将设备旋转到180度开启位置(图9)可以是无线电话或游戏模式。存在示例，并且如本领域技术人员所意识到的那样，存在多种功能，其可与机架部分的相对位置相关联。
尽管以确立发明人对其所有权并且允许本领域普通技术人员制造和使用本发明的方式描述了本发明及其目前认为的最佳模式，应该理解并意识到，这里公开的示例性实施例存在许多等价物，并且可对其进行无数种变更与改动，而不偏离本发明的范围与实质，该范围与实质不是由示例性实施例，而是由所附权利要求书进行限制的。