用于流体支撑式自旋转显示器的磁定位机构的制作方法

文档序号:17486496发布日期:2019-04-20 06:51阅读:162来源:国知局
用于流体支撑式自旋转显示器的磁定位机构的制作方法

本申请要求2016年3月11日提交的美国临时专利申请no.62307268的优先权。

本发明涉及自供电显示装置,更具体地,涉及流体支撑式的、光动力的、电动机驱动的自旋转装置。



背景技术:

自动显示器通常用作玩具、装饰性对话件或广告媒体。这些装置公开于美国专利no.6,275,127、6,853,283、6,937,125和美国专利公开no.2005/0102869中;所有这些美国申请都通过引用的方式并入本文。

这些装置能够具有密封的外部容器,该外部容器具有透光壁,该透光壁包含透光液体,透光液体以浮力方式支撑内部主体,该内部内体看起来自身相对于外部容器神奇地旋转,或者看起来像是透明玻璃或塑料的固体块。这种旋转能够由隐藏在所述主体的电动机驱动。该电动机能够由电池供电,或者由照射在隐藏于所述主体内的光伏电池上的光辐射以长期的方式供电。因为该驱动机构能够被完全包含在自旋转主体内,所以与环境磁场(例如地球的磁场)对准的内部罗盘磁体被用作内部电动机的反扭矩源。

浮动的自旋转装置可能出现的一个问题在于自旋转主体不在容器内居中,而是撞到容器侧壁之一或靠在容器侧壁之一上。尽管旋转主体可能由于在侧壁附近遇到的剪切力而趋向于使其自身移动离开侧壁,但不能保证物体将保持居中,尤其是当容器较大而旋转主体较小时。

当自旋转主体已经停止旋转一段延长的时间,例如在夜间当没有供电光落在光伏供电元件上时,轻微的与表面张力相关的力趋向于使非旋转主体漂移并最终接触侧壁。当非旋转主体抵靠在侧壁上静止时,在主体和侧壁表面之间可能存在显著的静摩擦,典型的低扭矩驱动机构难以克服这种静摩擦。

因此,需要有解决一些或所有上述缺陷的自旋转装置。



技术实现要素:

本发明的主要和次要目的在于提供一种改进的流体支撑式自旋转装置。通过相对于流体支撑式自旋转主体的容器固定的磁定位结构来实现这些和其它目的。

在一些实施例中,通过两种不同密度的不混溶流体将自旋转主体以浮力方式支撑在容器内。

在一些实施例中,提供了一种自旋转装置,其包括:携载流体的容器;由所述流体以浮力方式支撑的自供电中空旋转主体;其中,所述主体具有:旋转轴线;电动机,该电动机包括:反扭矩元件,该反扭矩元件旋转地响应于环境磁场;并且,其中,所述装置还包括:相对于所述容器固定的磁定位结构,由所述磁定位结构和所述反扭矩元件中的至少一个产生的局部磁场;其中,所述磁定位结构位于距所述反扭矩元件的有效距离处,以便与所述局部磁场相互作用,从而将所述主体朝着所述磁定位结构和所述反扭矩元件之间的磁平衡位置偏压。

在一些实施例中,所述反扭矩元件是与所述环境磁场对准的罗盘磁体。

在一些实施例中,所述环境磁场是地球的磁场。

在一些实施例中,所述磁定位结构包括产生多用途磁场的定位磁体,所述多用途磁场提供所述环境磁场和所述局部磁场二者。

在一些实施例中,所述定位磁体是永磁体。

在一些实施例中,所述容器包括透光外壁;并且其中,所述流体包括透光液体。

在一些实施例中,所述磁平衡位置使所述反扭矩元件和所述磁定位结构之间的距离最小化。

在一些实施例中,所述磁平衡位置被定位成使得所述旋转轴线与由所述磁定位结构占据的区域相交。

在一些实施例中,所述轴线穿过由所述磁定位结构界定的空隙。

在一些实施例中,所述有效距离小于约5厘米。

在一些实施例中,所述局部磁场产生偏压力,该偏压力不足以克服抵抗重力而以浮力方式支撑所述主体的浮力。

在一些实施例中,所述局部磁场产生偏压力,该偏压力不足以克服作用在所述主体上的重力。

在一些实施例中,所述磁定位结构包括涂覆所述容器的一部分的、一定量的铁磁涂料(ferromagneticpaint)。

在一些实施例中,所述流体包括两种不同密度的液体,其中,选择所述液体以将所述主体以浮力方式支撑在所述容器内。

在一些实施例中,所述装置还包括形成所述容器的透光外壳体,其中,所述壳体被设定形状和尺寸而具有内腔,所述内腔包含形成所述流体的一定量的透光液体,并且所述自供电中空旋转主体被浸没在所述液体中。

在一些实施例中,所述局部磁场的强度不能克服所述主体的重量。

原始权利要求的原始文本通过引用的方式并入本说明书中,以描述一些实施例中的特征。

附图说明

图1是示出了在现有技术的装置中、旋转速度如何随旋转角度变化的图。

图2是根据本发明的示例性实施例的光驱动的、包含电动机的旋转主体的概略性截面侧视图,该旋转主体浸没在包含在透光外部容器内的透光流体中,该外部容器包括磁定位结构。

图3是图2的装置的更详细的概略性截面侧视图。

图4是图2的装置的磁定位结构部件的磁场图。

图5是图3的某些电动机元件的概略性顶部局部透明视图。

图6是图3的主体的电气部件的电路图。

图7是根据本发明的替选示例性实施例的、包括底部安装的磁定位结构的自旋转装置的概略性截面侧视图。

图8是根据本发明的替选示例性实施例的、包括分体式薄片磁定位结构的自旋转装置的概略性截面侧视图。

图9是根据本发明的替选示例性实施例的、包括分体式薄片磁定位结构的棱锥形自旋转装置的概略性截面侧视图。

图10是根据本发明的替选示例性实施例的、包括外侧磁体磁定位结构的悬挂式容器自旋转装置的概略性截面侧视图。

具体实施方式

现在参考附图,在图1-3中示出了自旋转装置1,该自旋转装置1具有:基本静止的密封的外部容器2,外部容器2具有透光壁3,该透光壁3形成包围内腔5的壳体,该内腔5包含一定量的透光流体6;以及轴对称形状的主体4,例如浸没在所述流体中并被允许相对于外部容器绕轴线7旋转11的球体或球。所述主体具有透光壁9,该透光壁9允许环境光线l穿过外部容器壁3、流体6和主体壁9,以向太阳能电池15提供功率,该太阳能电池15向所述主体内的电动机14提供电流。所述主体的轴对称形状允许它以由于接触周围流体而产生的最小量的阻力旋转。所述主体内的罗盘磁体18旋转地响应于环境磁场10(例如地球的磁场)以与环境磁场10对准,并为所述电动机提供反扭矩元件以使所述电动机转动。

流体6能够包括两种不混溶的液体,即较低密度的液体6a和较高密度的液体6b,二者在界面8处分离,如french的通过引用的方式并入本文的美国专利公开no.2005/0102869中所公开的。选择这两种液体的折射率以使其基本类似,以便不出现所述界面。进一步选择所述液体的密度以提供浮力fb,其同等地抵消重力fg,使得所述主体竖直地悬浮在内腔5内。

在图3-6中更详细地示出了图1和2的装置。图5示出了图3结构的顶视图,其中为了清楚起见,该结构的主要部分被以透明的方式示出。应当注意,驱动机构的旋转部分的角度取向在图3和图5之间是不同的。

大致球形的主体4漂浮在容器2内携载的较高密度的液体6b上。所述主体是中空的,具有内部腔室27,该内部腔室27携载用于使所述主体旋转的自含式驱动机构。该驱动机构可以包括连接到罗盘磁体18的竖直轴30、顶部铁盘45、垫圈49和底部铁盘47。轴30在底部上由坐放在杯形宝石轴承32中的硬圆形球端31支撑。顶部轴承33旋转地接合所述轴的顶部。环形压载配重22将所述主体定向成使得所述主体的旋转轴线7是竖直的。

印刷电路板43通过多个角撑板35连接到球形壁9。该印刷电路板携载三个以均匀角度间隔开的太阳能电池42a、42b、42c和安装在该印刷电路板的顶部上的三个以均匀角度间隔开的光电二极管44a、44b、44c。缠绕有金属丝形成的线圈48a、48b、48c的三个以均匀角度间隔开的线轴被示出为安装在印刷电路板的底部上。垫圈49穿过印刷电路板中的孔28,并且轴30位于垫圈49的中心。

四个以均匀角度间隔开的盘形磁体50a、50b、50c、50d能够安装在下部铁盘47上,图3中示出了其中两个磁体50a和20b。

当印刷电路板43相对于铁盘45、47旋转时,每个光电二极管44a、44b、44c都被上部铁盘45遮挡,直到它在其中一个孔口46a、46b下方通过。在图5中,光电二极管44a被示出为在孔口46a下方通过,并且光电二极管44b和44c被顶部铁盘45遮挡。在该孔口下方时,光电二极管44a暴露于光线并打开其相应的晶体管51a,该晶体管51a向它的线圈48a传输电流。

图6示出了印刷电路板43上的电子电路。落在任何光电二极管44a、44b、44c上的光都将产生电流,该电流打开其相应的晶体管51a、51b、51c,以驱动电流通过其相应的线圈48a、48b、48c。如果线圈48a、48b、48c和磁体50a、50b、50c、50d的相对旋转以某种方式被迫反向发生而产生任何反向电压的情况下,二极管54a、54b、54c保护这些晶体管。太阳能电池42a、42b、42c提供电压以驱动该电路。

在图3所示的印刷电路板43与铁盘45、47的相对取向下,因为光电二极管44a被照亮,线圈48a将接收电流,并且该电流将在线圈48a与磁体50a和50b之间产生相对扭矩。再一次,通过罗盘磁体18与环境水平磁场10(例如地球的磁场)的相互作用,使轴30保持不旋转。最终结果将是线圈48a、印刷电路板43且因此主体4将感觉到扭矩,并且如果所述主体处于如上所述的低摩擦环境中则开始旋转。继续的旋转将最终导致光电二极管44a被遮挡并暴露另一光电二极管44b或44c以便通过孔口46b暴露,这将导致继续的旋转。

如图1-4中所示,该装置包括相对于容器2固定的磁定位结构20。该磁定位结构可以是涂覆所述容器的一部分的、一定量的铁磁材料涂料或者是粘附或以其它方式相对于所述容器固定的铁磁性材料(例如钢)的薄片21,该磁定位结构与由提供反扭矩的罗盘磁体18产生的局部磁场28相互作用,以使所述主体被磁性地朝着该薄片横向拉动。该薄片能够在所述容器的外表面22的顶上定位在横向中心位置。通过将该薄片相对于所述容器的内腔5放置在横向中心位置上,主体被朝着与该薄片竖向邻近的位置偏压,从而该将主体横向定位在所述腔内。当主体4已经到达内腔5内的在薄片21正下方的中心横向位置时,则可以说该薄片和罗盘磁体18处于平衡,换句话说,处于磁平衡位置。在该平衡位置,所述主体的旋转轴线7将趋向于与该薄片占据的区域相交,对于大多数简单的薄片形状而言,此区域通常是该薄片的质心。重要的是要注意,所述容器的平坦底部能够维持所述容器静止在诸如桌面的平坦表面上的取向。所维持的该取向对于使磁定位结构保持正确地位于所述腔的中心上是重要的,并因而将所述主体朝着平衡位置驱动。

如图3和4中所示,钢薄片21和罗盘磁体18之间的磁吸引力在自旋转主体4上提供横向力分量,从而将主体4朝着与该薄片竖直邻近的位置推动,并且使该薄片与罗盘磁体之间的距离d最小化。当然,该薄片必须位于距磁反扭矩元件18的有效距离处,以便与磁反扭矩元件18的局部磁场28相互作用,从而即使当所述主体已朝向内腔5的横向边界漂移时也将所述主体朝着该薄片偏压。该有效距离由罗盘磁体所产生的磁场的强度、该薄片的质量、以及该薄片的与所述磁场相互作用的能力决定。对于具有约600高斯的强度的罗盘磁体和具有0.5克质量的403型钢的薄片,在平衡时,该薄片和罗盘磁体之间的最大间距不应超过2厘米,并且所述有效距离不超过约5厘米。

应当理解,所述偏压力可以非常弱并且仍然有效地将主体横向地定位在内腔内,这是因为没有要克服的明显的横向力。重要的是要注意,当该薄片位于容器的顶部时,偏压力不足以克服由于重力引起的所述主体的重量,并且所述主体可能仅经历浮力的轻微增大。

在图7中,示出了与图2的装置类似的自旋转装置101的替选实施例。然而,在本实施例中,薄片121方便地且不显眼地定位在凹部122内,该凹部122在横向中心位置处设置于容器102的底部的外侧下表面123中。实际上,当该薄片位于容器的底部上时,偏压力不足以克服抵抗重力fg而以浮力方式支撑主体104的浮力fb。磁性地锚固到环境磁场(例如地球的磁场110)的、诸如罗盘磁体的反扭矩元件118能够位于更靠近容器的底部的位置,从而确保该薄片与磁性地锚固的反扭矩元件之间的有效距离。

在图8中,示出了与图2的装置类似的自旋转装置131的替选实施例。然而,在本实施例中,磁定位结构140包括一对铁磁薄片141、142,这一对铁磁薄片141、142彼此间隔开一定距离s1,并固定到容器132的顶表面。所述薄片被定位成使得它们的总质心位于横向中心位置处。当所述薄片与由用作电动机139的反扭矩元件的罗盘磁体138产生的局部磁场相互作用时,主体134被横向地朝着腔135的横向中心偏压,直到罗盘磁体和所述薄片处于平衡。一旦处于平衡,则所述主体的旋转轴线137基本上与磁定位结构的质心相交,该质心处在介于所述两个薄片之间并因而由磁定位结构界定的空隙143处。

在图9中,示出了与图8的装置类似的自旋转装置151的替选实施例。然而,在本实施例中,作为示例示出了容器152可以是各种形状的。在本实施例中,该容器是四棱锥形状的。驱动机构和定位机构能够以与上述那些实施例相同的方式工作。磁定位结构160包括一对铁磁薄片161、162,这一对铁磁薄片161、162彼此间隔开一定距离s2并固定到容器132的上表面。这些薄片被定位成使得它们的总质心位于横向中心位置处。当这些薄片与由用作电动机159的反扭矩元件的罗盘磁体158产生的局部磁场相互作用时,主体154被横向地朝着腔155的横向中心偏压,直到罗盘磁体和所述薄片处于平衡。一旦处于平衡,则所述主体的旋转轴线137基本上与磁定位结构的质心相交,该质心处在介于这两个薄片之间的空隙143处。

应当理解,该定位机构能够用于将所述主体朝着所述腔内的基本上任何横向位置偏压,而不一定朝着所述腔的中心。

在图10中,示出了自旋转装置171的替选实施例,其中,大致球形的容器172通过与环状冠部189接合的钩子188悬挂在支架187上。在本实施例中,磁定位结构180包括容器磁体181,该容器磁体181连接到所述容器并相对于所述容器产生环境磁场。一块铁磁材料(例如钢)连接到主体174的轴186,以用作反扭矩元件。在本实施例中,容器磁体产生多用途磁场,该磁场既用作环境磁场以锚固反扭矩元件,又用作局部磁场以用于定位目的。换句话说,容器磁体产生磁场,该磁场既锚固反扭矩元件的旋转位置,又将该元件朝着平衡位置偏压,使得所述主体的旋转轴线177与容器磁体相交。所述环形冠部维持该容器相对于磁定位结构的定向,以使所述主体在所述腔上居中。

示例

由透明丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)制成的外部大致立方体的中空容器具有约5毫米的壁厚度和测得的约15厘米见方的边长,该容器宽松地携载由透明abs制成的中空球形主体,该中空球形主体具有约3毫米的壁厚度和约10厘米的直径。通过两种不混溶的不同密度的液体将该主体以浮力方式支撑在所述容器内。第一种较高密度的液体是约81%体积的丙二醇和19%体积的水的混合物。第二种较低密度的液体是十二烷。所述主体由通过一定量的粘合剂沿着赤道线粘合的两个半球壳形成。具有约2厘米的长度的圆柱形罗盘磁体用作内部反扭矩元件。选择被形成为具有约2毫米厚度和约1.5厘米直径的徽标标志的钢片,并通过粘合剂贴装到容器的顶表面的中心。在约5厘米的距离上观察到钢片和罗盘磁体之间的磁相互作用,从而有效地将所述主体偏压到平衡。

虽然已经描述了本发明的示例性实施例,但在不脱离本发明的精神和所附权利要求书的范围的情况下,能够做出变型并且可以想到其它实施例。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种自旋转装置,包括:

携载流体的容器;

由所述流体以浮力方式支撑的自供电中空旋转主体;

其中,所述主体具有:

旋转轴线;

电动机,所述电动机包括:

旋转地响应于环境磁场的反扭矩元件;并且

其中,所述装置还包括:

与所述主体间隔开并相对于所述容器固定的磁定位结构,

由所述磁定位结构和所述反扭矩元件中的至少一个产生的局部磁场;

其中,所述磁定位结构位于距所述反扭矩元件的有效距离处,以便与所述局部磁场相互作用,从而将所述主体朝着所述磁定位结构和所述反扭矩元件之间的磁平衡位置偏压。

2.根据权利要求1所述的装置,其中,所述反扭矩元件是与所述环境磁场对准的罗盘磁体。

3.根据权利要求2所述的装置,其中,所述环境磁场是地球的磁场。

4.根据权利要求1所述的装置,其中,所述磁定位结构包括产生多用途磁场的定位磁体,所述多用途磁场提供所述环境磁场和所述局部磁场二者。

5.根据权利要求4所述的装置,其中,所述定位磁体是永磁体。

6.根据权利要求1所述的装置,其中,所述容器包括透光外壁;并且其中,所述流体包括透光液体。

7.根据权利要求1所述的装置,其中,所述磁平衡位置使所述反扭矩元件和所述磁定位结构之间的距离最小化。

8.根据权利要求1所述的装置,其中,所述磁平衡位置被定位成使得所述旋转轴线与由所述磁定位结构占据的区域相交。

9.根据权利要求8所述的装置,其中,所述轴线穿过由所述磁定位结构界定的空隙。

10.根据权利要求1所述的装置,其中,所述有效距离小于约5厘米。

11.根据权利要求1所述的装置,其中,所述局部磁场产生偏压力,所述偏压力不足以克服抵抗重力而以浮力方式支撑所述主体的浮力。

12.根据权利要求1所述的装置,其中,所述局部磁场产生偏压力,所述偏压力不足以克服作用在所述主体上的重力。

13.根据权利要求1所述的装置,其中,所述磁定位结构包括涂覆所述容器的一部分的、一定量的铁磁涂料。

14.根据权利要求1所述的装置,其中,所述流体包括两种不同密度的液体,其中,所述液体被选择以将所述主体以浮力方式支撑在所述容器内。

15.根据权利要求1所述的装置,其中,所述装置还包括形成所述容器的透光外壳体,其中,所述壳体被设定形状和尺寸而具有内腔,所述内腔包含形成所述流体的一定量的透光液体,并且所述自供电中空旋转主体被浸没在所述液体中。

16.根据权利要求1所述的装置,其中,所述局部磁场的强度不能克服所述主体的重量。

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