具有摆动电动机的振动换能器的制作方法

专利名称：具有摆动电动机的振动换能器的制作方法
技术领域：
本发明涉及触觉刺激。更具体地，本发明涉及一种用于产生多个彼此 容易区别的触觉刺激的方法和i殳备。
背景技术：
包括与电动机一^^运动的偏心锤的振动换能器是传呼机、蜂窝电话等 的普通器件。 一般，这些类型的换能器用于产生触觉刺激来指示某种事件 例如来电或寻呼的发生。然而，申请人认识到如果多个触觉刺激可被容易 地区别开，可以有用地用来指示多个发生事件之一。遗憾的是，现有技术 中的振动换能器不能容易地产生容易区别的多个触觉刺激，尤其是在要求 短持续时间的刺激的应用中。

发明内容
认识到此缺陷，申请A^提出了^^发明的主要目的，即，通过开发一种 能够在短持续时间内传递高能量水平的振动换能器，从而使得振动换能器 能够产生容易区别的多个触觉刺激，改善了现有技术的振动换能器。作为
本发明的另一目的，申请人开发了这样一种振动换能器，其还非常紧凑， 从而易于广泛应用。此外，本发明的又一目的是制造这样的振动换能器， 其可以被容易且经济地制造。
根据上述目的，本发明(用于产生多个容易区别的触觉刺激的振动换
能器)一般包括刚性外壳；^刚性外壳中的电动机，其上附有偏心锤； 以及其中在刚性外壳内用有弹性的、但易于变形的衬垫来支撑电动机，使 得电动机在工作期间能够在外壳中摆动。
电动机装配装置(mount)可以由衬垫形成，该衬垫可以由泡沫材料等 制成。在本发明的至少一个实施例中，在电动机周围基本上包裹着衬垫， 使该电动机在形成刚性外壳的圆柱体形状的管中处于中心位置。为了便于 本发明的振动换能器的制造，可以通过固定片，比如薄包装纸、 一,带 等将衬垫包H^来。
在本发明的振动换能器的另一实施例中，可以提供驱动电路，以便于 电动机的操作。驱动电路可以包括电流放大器、多个定时子电路(比如可 以包括单稳多谐振荡器)或上述的结合。优选地，每个定时子电路用于在 不同的时间賴:操作电动机。
优选地，每个定时子电路由触发信号来激活，该触发信号可以从单个 输入信号得到。在本发明的至少一个实施例中，触发信号通ii^t输入信号 的滤波来区分。可以提儉ft号发生器来产生输入信号，所述输入信号可以 包括脉冲列。优选地，所述脉沖列包括至少两个不同电特性，比如不同持 续时间的脉冲。
本发明人发现，将振动换能器放置成与人体的有骨部位，比如用户的 脊柱、胫骨、踝骨或腕骨部位接触比将所述换能器放置成与人体的软组织 接触会产生更显著的感觉，因为骨比软组织能更好地传导振动。此外，本 发明人良现限制与人体发生接触的换能器的表面积会增加所感知的感觉。 更具体地，本发明人^现给所述换能器用小的、圓柱形的外壳比用平坦或 矩形的外壳可以損，供更明显的感觉。
为了减小换能器外壳的尺寸，从而增加触感，优选地将用于所述换能 器的驱动电路和电源放置于与所述换能器的外壳分离的笫三便携式外壳 中，使用线来传送功率和/或控制信号，从而将所述第三外壳连接到所述 换能器的外壳。这具有将振动换能器与驱动电路隔离的额外好处，因为如 果驱动电路不够结实的话，可能被过度的振动损害。
本发明的振动换能器可以用于蜂窝电话、个人数字助理、便携式音乐
设备比如苹果公司的I-Pod ,以及运动训练设备比如高尔夫挥杆和/或推 击球节奏训练设备，或者可以与上述设备结^使用。
另外，本发明的振动换能器可以被结合到嬰儿褥垫、毯子或枕头中， 给嬰儿提供对应于其父母心跳的抚慰性节奏振动，或者，可以被结合到由 父母使用的成人的枕头中，提供对应于其嬰儿的心跳或呼吸的触觉刺激。 提供了生物反馈机构来检测该嬰儿或父母的呼吸或心跳并将相应的信号 传送到接收单元。
最后，尤其是才艮据上面的说明和下面的附图、示例性详细描述和所附 权利要求书，本发明的许多其它特征、目的和优点对于相关领域普通技术 人员将是清楚的。


图1以分解透视示了本发明的振动换能器的优选实施例。
图2以横截面侧视示了图1中的振动换能器的内部部件布置的细节。
图3以从图2的切线3-3处得到的横截面端视图，图示了图1中的振 动换能器的内部部件布置的额外细节。
图4以部分切除的透视示了在图1中的振动换能器的操作中产生 的力的表示。
图5A到图5F以大体对应于图3的视图的示意性表示图来图示了图1 的振动换能器的各个内部部件的相对位置变化，该变化的发生为图4中表 示的操作力的结果。
图6以功能框示了使用图1中的振动换能器的系统的一个实施例。
图7A和图7B以示意示了比如可以应用于(如果必要)图6的系 统中的示例性电子电路，其用于调节用于驱动图1的振动换能器的信号发 生器输出信号。
图8A和图8B以电压时间示了由电子节拍器产生的分别用于分拍 和下拍(downbeat)的典型信号，或由电損束置产生的分别用于划线和点等 的典型信号
图9A以电压时间示了在以一种模式通过包络检测器之后的图8A 和图8B的信号，该包络检测器如在图7A的i殳计中所实施的那样；图9B 以电压时间示了在进一步通过C类放大器之后的同样的复合信号，该 C类放大器也如在图7A的设计中所实施的那样。
图10以电压时间示了在由第 一 阶R-C滤波器4氐通滤波之后的图 9B的信号，该第一阶R-C滤波器如在图7A的设计中所实施的那样。
图IIA和图IIB以电压时间示了来自第一和第二单稳多谐振荡器 或"one-shot (单稳态)，，电路的输出信号，所述电路如在图7A的设计中所 实施的那样，来自第一个的输出是将图SA的信号输入到图7A的电路的结 果，而来自第二个的输出是将图8B的信号输入到图7A的电路的结果，因 此，第一个用于驱动图1的振动换能器来产生容易识别为分拍、划线等的 触觉刺激，而第二个用于驱动图1的振动换能器来产生容易识别为下拍、 点等的触觉刺激。
图12图示了与便携式个人通信、信息、培训或娱乐设备比如蜂窝电 话、个人数字助理、运动训练设备或便携式音乐设备结合使用的本发明的 振动换能器。
图13图示了与数字触觉节奏发生器结合使用的本发明的振动换能器。
图14图示了与高尔夫挥杆训练设备结合使用的本发明的振动换能器。
图15图示了与本发明的振动换能器一起使用的数字运动训练设备 (其可以结合信号发生器)的一个实施例。
图16图示了与单独封装的振动换能器一^^f吏用的便携式个人通信、 信息、培训或娱乐设备的一个实施例，所述振动换能器通过电源线连接， 并附着到可固定在带子上的单独的夹子上。
图17图示了与生物反馈枕头结^f吏用的本发明的振动换能器，其提 供与人的心跳或呼吸对应的振动。
具体实施例方式
尽管本领域普通技术人员会很容易地认识到许多替选实施例，尤其是 根据在此提供的说明，此详细描述是本发明的优选实施例的示例，本发明
的范围仅由所附权利要求书限定。
现在参见附图，特别是图l至图4,本发明的振动换能器20被示出 为一般包括其上附有偏心锤29并被装入刚性外壳21中的电动机24。如 同传呼机换能器等的典型方式一样，电动机24的操作转动轴30，偏心锤 29利用例如销31安装在轴30上。如本领域普通技术人员将会理解的那 样，偏心锤29在轴30上的旋转在电动机24上产生振动效果，这是由于 电动机前部试图从轴30的旋转的标称轴线32向外横向移位而导致的，如 图4中的离心力线F所表示。
在此原理的典型实施中，电动机用安装夹、支架等刚性固定到某个主 体比如传呼机或蜂窝电话外壳上。但是，与现有技术的振动换能器不一样， 在本发明中通过提供摆动电动机装配装置(mount) 34，电动机24被"到 刚性外壳21中，当偏心锤29在电动机轴30上旋转时，所述装配装置34 允许电动机24的前部28在刚性外壳21内总体摆动。这样，合力F是偏 心锤29中的与现有技术的固定配置中所获得的动量相比大得多的动量的 产物。
在本发明的优选实施例中，如图1至图4所详细描述的，摆动电动机 装配装置34 —般包括优选的容易压缩但有弹性的泡沫衬垫包装材料35， 其尺寸和形状被定制成密合地填充在电动机24和刚性外壳21的内部之间 提供的空间。本发明人t现3kf制造的、标识为零件号4016的聚氨酯、 开孔泡沫带包括合适的泡沫衬垫材料35的来源。该泡沫带具有1英寸的 1/16 (1. 6毫米)的标称厚度，容限在0. 045到0. 08英寸(1.14到2. 03 亳米)之间，以及大约11磅/立方英尺或175公斤/立方米的密度(这比 橡胶的大约1100-1200公斤/立方米小得多)。该泡沫带具有大约 140psi(磅/平方英寸)或965kPa(千帕)的抗拉强度。所述泡沫还具有大约 10到82. 8kPa之间的压缩变形特性(即，用于压缩标准测试样品其高度 的25%的力)以及大约在5-12%之间的压缩变定百分比损失(即，当测试 样品在经受固定时间段的标准压缩负荷或变f后无法恢复到其原始厚度 的量，以百分比度量)。
为了便于制造如图1总体描绘的振动换能器20，泡沫衬垫35可以利 用衬垫固定片37保持在电动机34的主体周围的适当位置，其中衬垫固定 片37可以包括粘在衬垫35周围的适当位置的薄纸、薄胶带或其任何基本 等效装置。为了完成振动换能器20的制造，已加衬垫的电动机34被插进 刚性外壳21中并通过将环氧树脂23施加到外壳21的开口的后部22中而
被固定在适当位置，其中所述电动机的轴30上附有偏心锤29。 一^S^皮插 入，泡沫衬垫材料35在刚性外壳21内具有基本未压缩的"干涉配合"。 如本领域普通技术人员将理解的，环氧树脂23也用于将电源线26固定到 电动机24，从而防止电源线26从电动机24上意外脱离。
现在参见图3到图5,详细说明本发明的振动换能器20的增强的操 作。但是，首先注意，为了获得本发明的最大益处，刚性外壳21以大体 圆柱形状提供，这里将会进一步更好地理解。在任何情况下，如图3的横 截面视图和图5A至5F的相应视图所示，电动机24的前部28被泡沫衬垫 35的前部36包围。静止时，即电动机24未工作时，电动机24被泡, 垫35基本均匀地围绕，如图5A所示。
但是，在电动机24启动之后，通过偏心锤29外向掷投产生的离心力 F导致电动机的轴30的旋转轴线32沿着圆锥图案运动，如图4所示。结 果，电动机24的前部28被掷入泡沫衬垫35的前部36中，从而下压邻近 于偏心锤29的衬垫35区域，并使得衬垫35的大体相对的部分扩张，如 与偏心锤29的各个旋转位置相对应的图5B到5F所示。
通过参见图5B到5F可以明显地看出，通过圆柱形状的刚性外壳21 得到增强的、衬垫35在电动机24周围的配合布置允许偏心锤29产生的 动量比在电动机刚性固定在主体上的实施例中可能产生的动量更大。然 而，随着泡沫衬垫35的前部36在偏心锤29的离心力F下压缩，将达到 某个点，在此点处泡沫衬垫35不能再向刚性外壳21的内壁压缩，且电动 机24的前部28从所述内壁向内壁相反部分弹离。
结果是，振动效果比要求将电动机刚性固定到外壳的现有技术配置中 获得的振动效果显著得多。另夕卜，申请人发现所获得的显著的振动效果一 般比现有技术配置中产生的振动效果更易于^CA体触觉感知到。具体地， 能容易地感知和区别在本发明的振动换能器20工作期间，即电动机24 被加电期间的在数十毫秒级或更短时间上的小的差别。结果，本发明的振 动换能器20尤其适于要求区别多个触觉剌激的应用，比如摩尔斯码或其 它信号系统的传送，具有表示分拍和下拍的不同触觉刺激的触觉节拍器的 实现，以及用于加强节奏和用于动作定时的运动训练设备的实现等。
现在参见图6，其图示了采用上述改进的代表性触觉刺激系统38， 一 般包括与本发明的振动换能器20进行电通信的信号发生器39。如本领域 普通技术人员将理解的，信号发生器39可以采取各种形式，但在任何情 况下都适于以适合于4吏用振动换能器20的应用的任何速度、持续时间、
复杂节奏等产生用于振动换能器20的驱动信号。另外，可以实施信号调 节电路40，由此可以使得振动换能器20的一种实施与具有广泛多样化的 电输出特性的多个信号发生器39相兼容。
如图7A所示，这样的信号调节电路40具体地包括能够提供对于振动 换能器20的电动机23的操作所需的电流的输出放大器48，并优选地包 括功率调节电路51,如图7B所示，其能够防止和/或抑制电压尖峰形成， 比如，可以预期，在响应对于在振动换能器20的实施中使用的电动机24 的类型是典型的高感应负载时可能形成电压尖峰。另外，信号调节电路 40优选地包括用于接受具有不同的电特性的输入信号的一个或多个装 置。例如，图7A中的调节电路40包括包络检测器42，如本领域普通技 术人员所知，包络检测器42能够接受电压脉冲突发，所述脉沖突发就象 是与其具有相同持续时间的单个脉冲一样，或没有区别地，接受与所述脉 沖突发具有相同持续时间的单脉冲；在包络检测器42的输出端，来自每 个的所述信号将基本上不可辨别。
尽管本领域普通技术人员会i人识到，根据从信号发生器39输出的信 号的电特性可以要求更少的信号调节电路，或在某些情况下无需信号调节 电路，但是在图7A中示出了仅用于示例的信号调节电路40，其一般包括 用于接收来自信号发生器39的信号的输入插口 41;用于将各种类型的输 入信号转变成具有共同特性的脉冲列的包络检测器42，其中每个脉冲的 持续时间规定振动换能器20的输出；用于使包络检测器的输出成为方形 以便进一步处理的输入故大器43;用于从振动换能器20产生"中等强度" 或短持续时间输出的第一信号发生器45和用于从振动换能器20产生"强 烈"或长持续时间输出的第二信号发生器46;用于提供振动换能器20的 电动机24的操作所需的电流的输出放大器48;用于通过引到振动换能器 20的电动机24的电源线26的电源线插口 27连接的输出插口 50;以及支 持上述操作和/或用于提供其它特征的其它电路，在此将会进一步更好地 理解。
进一步观察图7A中描述的信号调节电路40,包络检测器42被示出 为包括IN4148二极管D2，其阳极连接到输入插口 41的端子J1-1;以 及0. 022 nF电容器C2，其将二极管D2的阴极接地。在输入插口 41的端 子J1-1处输入的信号被提供给二极管D2的阳极，这些信号的包络在二极 管D2的阴极处被输出。为了产生所得到的信号包络的更干净、形状更方 的表示，以便于对输入信号进行进一步的处理，使来自包络检测器42的
包络信号通过输AJ故大器43，该输AJ改大器43包括在C类操作中被配置 为公共射机故大器的2N3904 NPN BJT晶体管Ql。选择47kQ的电阻器R2 来限制通过晶体管Ql的基极-射极结的电流，并将放大器43的输入阻抗 提高到不使输入包络信号负载过重(load down)的水平。选择2. 2WZ的电 阻器R3来在饱和状态下操作放大器43，从而在晶体管Ql的集电极处得 到呈方形的放大的输出。
在信号调节电路40的下一级中，提供了一对信号发生器45、 46，以 便产生用于振动换能器20的电动机24的操作的驱动信号。每个信号发生 器45、 46分别包M配置为单稳多谐振荡器或"单稳态"的LM555N CMOS 定时器U1、 U2。如图所示，第一CM0S定时器U1的输出定时电路包括68k O的电阻器R5和0. 22 jLiF的电容器C4,以Y更在CMOS定时器Ul的引脚3 处产生大约10毫秒的短持续时间输出信号。 一旦将该输出信号传送到振 动换能器20的电动机24，就会产生中等强度(或短的)触感。另一方面， 第二 CMOS定时器U2的输出定时电路包括100kQ的电阻器R6和0. 47 m F 的电容器C6，使得在第二 CMOS定时器U2的引脚3处产生的输出信号的 持续时间大约为40毫秒，所述输出信号当被传送到电动机24时，振动换 能器20将产生明显地强度更大(或长的)触感。
为了在输入信号之间进行区分，来自晶体管Ql集电极的放大的包络 信号，即来自输入故大器43的输出被"原样"传送到第一 CMOS定时器 Ul的触发引脚2，但在被传送到第二 CMOS定时器U2的触发引脚2之前， 通过笫一阶R-C低通滤波器44进行滤波。如本领域普通技术人员将理解 的，这防止较短持续时间输入脉冲或脉冲流触发第二单稳多谐振荡器信号 发生器45。如本领域普通技术人员也将理解的，用接地的2. 2jiF的电容 器和5. 8kQ串联电阻器可以容易地实施所需的R-C滤波器44。
然后，第一单稳多谐振荡器信号发生器45的输出(从CMOS定时器 Ul的引脚3处)和第二单稳多谐振荡器信号发生器46的输出(从CMOS 定时器U2的引脚3处)通过包括一对其阴极连接在一起的IN4148 二极管 D3、 D4的固态0R电路结合。以此方式，在第一二极管D3的阳极处出现 来自笫一信号发生器45的信号或是在第二二极管D4的阳极处出现来自第 二信号发生器46的信号都将导致在二极管D3、D4的公共阴极处出现信号， 然后将所述信号提供给输出放大器48。
尽管至此所述的信号调节电路40的许多前述特征可能不是本发明的 每一个实施方式中都要求的，不过，输出放大器48或其基本等效物一般
会被要求用于任何这样的实施方式中即，在该实施方式中要求用逻辑电 平信号来驱动振动换能器20的电动机24，该电动机一般具有超过大多数 固态部件的能力的电流要求。
如图7A所示，示例性的输出放大器48包括被配置为射极跟随器的 2N3904 NPN BJT晶体管Q2，该晶体管Q2在TO-220散热封装中与TIP42 高电流PNP晶体管Q3耦合，用于提供振动换能器20的电动机24的操作 所需的电流。本领域普通技术人员将认识到，所示的输出放大器48可视 作两级、高电流射极跟随器。
在任何情况下，来自输出放大器48的输出通过输出功率电平选择器 49提供给输出插口 50，到振动换能器20的电动机24的电源线插口 27 可以插入该输出插口 50。如图7A所示，输出功率电平选择器49优选地 包括22Q电阻器R8，其通iti^择单极单掷开关SW2的适当位置，被选择 性地置于与所述输出电路串联。尽管申请人已经发现22n是用于电阻器 R8的适当值，但注意所述值是根据经验选择的，以便获得用户所期望的 对于"低，，输出选择的触感。另外，本领域普通技术人员将认识到，可以 用电位计来代替电阻器R8，从而提供完全可调的输出功率电平。
最后，如前所述，优选地提供如图7B所示的功率调节电路51来防止 和/或抑制电压尖峰形成，可以预期，在响应对于在振动换能器20的实施 中使用的电动机24的类型是典型的高感应负载时可能形成电压尖峰。如 图7B所示，所述功率调节电路包括10pF电解电容器Cl，该电容器将来 自例如9V电池BAT的9V电源总线接地。本领域普通技术人员将认识到， 电解电容器Cl将临时供应额外电流到9-V总线，这对于补偿在振动换能 器20的电动机24的启动期间引起的利用输出放大器48所导致的瞬态可 能是需要的。另外，所述功率调节电路优选地包括ON-OFF开关SW1，还 可以包括上电指示器52。本领域普通技术人员将理解，通过在9-V电源 总线和地之间将lkQ限流电阻器Rl与发光二极管("LED") Dl串联，可 以容易地实施这样的上电指示器。
现在概括地参见附图，尤其是图8至图11，详细说明本发明的振动 换能器20的操作。为了示例性说明，假定振动换能器20要被用于要求区 别两个不同触觉刺激的应用。但是，应当认识到，本发明的振动换能器 20能够容易地用于要求更多的应用。还有，特别是依据此示例性的公开， 本领域普通技术人员将容易地认识到，对于更高阶系统的实施，可能需要 对前面说明的电路作必要的修改。
在任何情况下，图8A和8B以电压时间图表示可能由如图6中所示的 信号发生器39产生的代表性输入信号。具体地，图8A图示了 "短"脉冲 列，持续时间大约为3毫秒。此脉冲列可由信号发生器39产生来表示第 一事件。同样，图8B图示了 "长"脉沖列，持续时间大约为15毫秒，该 脉冲列比如也可以由图6的信号发生器39产生。此后一脉沖列可被产生 以表示第二事件。在使用图7A的信号调节电路40的本发明的振动换能器 20的操作中，图8A和8B的脉沖列将以期望的模式在端子Jl-l处提供到 调节电路40的输入插口 41中。例如，所述脉冲列可以以"短-长-短-短-短-长"的模式提供。
如前所述，调节电路40首先产生输入信号的包络。然后，继续所设 置的例子，包络检测器42的输出将为如图9A的电压时间图所示的那样， 其中图9A表示在二极管D2的阴极处获得的信号。但是，如图9A的图所 示，包络检测器42的输出将总体反映其电容器C2的时间常数的效果，导 致波形的滑离(roll off )。为了产生更干净、形状更方的波形(这样更 容易地用于控制定时^Mt )，包络检测器42的输出优选地通过被配置为工 作在C类或饱和状态下的输入放大器43。如图9B所示，其表示在形成输 凡故大器43的晶体管Ql的集电极处的电压波形，输入故大器43的输出 是一系列大体为方形的脉沖。在任何情况下，本领域普通技术人员将认识 到，输入信号模式"短-长-短-短-短-长，，在此点处仍被保留。
同样，如上面说明的，调节电路40的下一级包括一对单稳多谐振荡 器或"单稳态"信号发生器45、 46。图9B中描述的放大的信号直接提供 给第一信号发生器45的CMOS定时器Ul的触发引脚2中。如本领域普通 技术人员将理解的，每个越过阈值触发电平(在图9B上图示为TRIG)的 输入信号脉冲将触发第一定时器Ul，导致如图11A所示的大约10毫秒的 脉冲从定时器U1的引脚3处被输出。但是，期望的是只有较长脉冲才触 发第二信号发生器46的CMOS定时器U2。为了达成这个结果，因而，图 9B的放大信号在施加到第二信号发生器46的CMOS定时器U2的触发引脚 2之前，首先通过低通滤波器44。从表示从低通滤波器44输出的经滤波 的信号的图IO的图中可以明显看出，只有较长持续时间的脉冲才具有足 够低的频率以便足够地通过滤波器44从而越过如在图10中以TRIG表示 的阈值电平。结果，当此波形被提供给第二信号发生器46的CMOS定时器 U2的触发引脚2时，只有较长脉冲才导致在第二信号发生器46的CMOS 定时器U2的输出引脚3处产生大约40毫秒脉冲，如图IIB所示。
然后，由所述一对单稳多谐振荡器或"单稳态"信号发生器45、 46 这样产生的脉冲列由图7A中所示的固态0R电路47结合。 一经结合，如 本领域普通技术人员将理解的，在输出放大器48的输入处将会出现下面 的电压模式Vlto-停顿-V1(tes-停顿-V,-停顿-V涵-停顿-V函-停顿-V40ms， 其表示"短-长-短-短-短-长"模式的输入信号中的一系列40亳秒持续时 间和10毫秒持续时间的电压脉沖。然后，这些电压通过输出放大器48， 该放大器48提供对于振动换能器20的电动机24的操作足够的电流，然 后将所述电压传递到振动换能器20的电动机24，其接通10亳秒，断开， 接通40毫秒，断开，接通10毫秒，断开，接通10亳秒，断开，接通IO 毫秒，断开，然后接通40亳秒。如申请人已经发现的，该输入信号模式 通过振动换能器20易于被感知。
本发明的换能器可以用于广泛的各种应用。图12图示了与1更携式个 人通信、信息或娱乐设备53，比如蜂窝电话、个人数字助理、便携式音 乐设备或运动训练设备结合使用的本发明的振动换能器20。振动换能器 20通过电源线26和插入个人通信、信息或娱乐设备53的电源线插口 27 连接到便携式个人通信、信息或娱乐设备53。用这样的方式，振动换能 器20可以被戴在与个人通信、信息或娱乐设备53不同的位置，例如，在 腰背部。或者，振动换能器并入到便携式个人通信、信息或娱乐i殳备53 的外壳内。个人通信、信息或娱乐设备53控制由振动换能器20传递的触 觉脉冲的持续时间、强度和节奏模式。例如，蜂窝电话可以引起振动换能 器20振动来指示有来电。个人数字助理可以引起振动换能器20振动来提 示配戴者即将来临的约会。便携式音乐设备可以使得振动换能器20根据 正在播放的歌曲的节秦振动。
图13图示了包括与本发明的振动换能器20电通信的信号发生器52 的数字触觉节奏发生器54。如上所述，信号发生器52用于产生各种节奏 和/或复杂模式。然后，信号发生器52通过振动换能器20传达所产生的 节奏和/或模式给用户。用这种方式，如这里将会进一步更好地理解的， 数字触觉节奏发生器54可以由用户，例如运动员60使用以提高运动敏锐 度和/或精确性等。另外，本发明的数字触觉节奏发生器54也可以用于治 疗的目的，比如，在其治疗和/或恢复中帮助患有神经、肌肉和/或神经肌 肉失调和/或受到身体伤害的患者。
同样，触觉节奏发生器54尤其适合这样的应用，比如，说话治疗， 其中用户可能被要求以信号源的节奏来说话。传统上，这样的治疗包括倾 听由信号源产生的音调并努力以所述音调的节奏来说话，同时还倾听自己 的语音以便^J绩。遗憾的是，传统技术由于加在患者的听觉神经通路上的 负荷过重而很不利。然而，本发明可以通过用触觉刺激代替音调来解除此 负荷，从而解放了患者的听觉，使其专注于他或她自己的语音。
如图13所具体图示的，信号发生器52—般包括控制器57，以及相 关联的只读存储器13、非易失性随M取存储器14和本领域普通技术人 员容易理解的各种其它实施部件。如在此将进一步更好地理解的，非易失 性随MM储器14用于存储定义针对触觉节奏发生器20的具体应用所 期望的节奏或模式的数据。在使用中，存储在只读存储器13中的程序指 令被控制器57用来根据存储在非易失性随M取存储器14中的数据产生 电输出。此输出又被振动换能器20用来产生对应于所述节奏或模式的触 感。
还是如图13所示，提供了编程接口 19以便初始地传送所期望的节奏 或模式到信号产生器52。具体地，用户使用编程接口 19来将所期望的节 奏或模式的定时细节输入到信号产生器52的非易失性随MM储器14 中，所述编程接口 19可以包括台式或膝上型计算机、M和显示系统、 USB端口、无线接口、 PDA、 M或拨号盘或任何其它基本等效的系统。 优选地，编程输入19通过总线缆线连接与信号发生器52接口，所述总线 缆线连接只在信号发生器52的编程期间被连接。
在转到图14之前，应当注意，在很多运动中， 一致、自然的节奏是 很重要的因素。 一致节奏的概念被强调且被教给蓝球(自由抛投动作)、 网球(发球动作)、棒球(击球、投掷动作)、高尔夫(挥杆和推击球)和 许多其它运动中的参加者。
在高尔夫教学中有许多内容涉及节奏的重要性。大多数高尔夫教练员 达成一致的是，打高尔夫球的人对于每一击的挥杆应具有一致的节奏。这 对于推击球尤其重要。在由Dave Pelz所著的书"Dave Pelz，s Putting Bible"(见132-141、 227-232页)(其通过引用结合于此)中广泛地讨论 了这个概念。在此书中，Pelz先生详细描述了打高尔夫球的人如何能够 识别其自然节奏并利用自然节奏练习推击球。Pelz先生和其它教练员建 议使用听觉节拍器，其被设置成打高尔夫球的人所偏爱的自然节奏来练习 和训练可重复的、有节奏的推击球。
本发明的振动换能器可以由高尔夫和其它运动的参加者使用来练习 和改善一致、有节奏的动作，其在比赛中可重复。例如，振动换能器可以
用作节拍器训练设备来帮助打高尔夫球的人练习自然节奏的推击球和挥 杆。其应比听觉节拍器更好，因为它安静且可被用于拥挤的练习场所而不
会打扰其他高乐夫球手。实际上，位置m^的许多打高尔夫球的人可以全 都使用此设备，设置到他们自己偏爱的节奏，而不会互#=^阮。发明人还 发现，振动换能器的刺激比听觉节拍器更为有效地促进了自然、内部的节 奏。此优势将使它成为对于打高尔夫球的人和其它许多运动的参加者有效 的训练i殳备。
图14图示了与高尔夫挥杆和/或推击球节奏训练设备10结合使用的 本发明的振动换能器。使用中，运动员60或其它用户按照其将参加的体 育活动的要求，利用整体地固定到振动换能器16上的弹性或布料带子17 将振动换能器16附着到他或她的脚踝、手腕、胸或身体其它部位。然后， 通过电缆18将触觉换能器16电连接到信号发生器11。然后，利用在信 号发生器52上提供的控制输入15来开始生成所期望的节奏或模式。例如， 打高尔夫球的人可以利用本发明的高尔夫挥杆和/或推击球节奏训练设备 IO来产生简单、重复的"一-二，，刺激，该打高尔夫球的人可以遵照该刺 激以改善他或她的挥杆.其它运动员，比如跳高运动员，可以使用更复杂 的模式来对接iOI匕高时他或她的加狄步进行定时。蓝球选手可以使用振 动换能器来改善他或她的自由抛投技巧。
图15图示了与本发明的振动换能器20 —起使用的数字运动训练设备 71 (其可以结合信号发生器52)的一个实施例。数字运动训练设备71具 有显示器70和用户界面，该用户界面具有节奏加快63和减慢64掩組、 程序模式拾纽65、脉冲强度选择按钮66、脉冲持续时间掩組67、和下一 脉冲掩纽68。此外，显示器70适于提供当前节奏(用脉冲数/分钟表示)、 在编程的脉冲模式内的当前脉沖的数量、当前脉冲的强度和当前脉沖的持 续时间的数字读出。用户按下程序模式掩纽65至少两秒钟来编程新的脉 冲模式或修改先前存储的脉沖模式。通过脉冲强度选择按钮66,该用户 限定当前脉冲的强度(即，强、弱、安静)。通过脉冲持续时间按钮67， 该用户限定当前脉冲的持续时间(即，1/2间隔、1间隔、2间隔、3间 隔、4间隔)。利用下一脉冲掩組68，该用户前进到才莫式中的下一个脉冲， 在这之后用户再次编程那个脉冲的强度和持续时间。为了通知所编程的模 式的完成，用户再次选#^呈序模式按钮65。数字运动训练设备71优选地 装配有足够的存储器以存储至少9个不同的脉冲模式。通it^^^呈序模式 按钮65,然后选择节^*纽63和64 (其还在正常操作期间用于选择播放 脉冲模式的速度)，用户可以编程、再编程或为了对其操作而选择所述九
个或更多不同脉冲模式中的任何模式。
另外，可以想到，运动训练i殳备71可以包^^接口 (未图示)，比如 USB连接或无线蓝牙或红外连接，用于将此i史备71连接到外部数字输入 源，比如通用膝上型计算机、通用个人数字助理或某种其它便携式消费电 子设备。其在使运动教练对运动训练设备71或由几个学生同时使用的多 个运动训练设备71进行编程以生成所期望的复杂脉沖模式方面会尤其有 用。为此，运动训练i殳备71装配有开关69,其4吏运动员能够在外部或遥 控通道和本地控制通道之间选择，其中，在外部或遥控通道中，运动训练 设备71接收来自外部源的模式，而在本地控制通道中，运动训练设备71 输出由运动员通过使用内置用户界面选择的脉冲模式。
此外，显示器70可用于提供对应于播放脉沖模式的图形读出。运动 训练设备71优选地装配有存储器，比如闪存，以存储在其上定义或选择 的各种复杂的模式。用这样的方式，运动训练设备71被配备成编程、记 录和存储序列(sequence)。尽管在图15中未图示，运动训练设备71还可 以装配有扬声器和音频控制按钮、灯指示器和其它特征。运动训练设备 71还可以装配有基于红外线的遥控单元来启动和停止序列。
图16图示了便携式个人通信、信息或娱乐设备53的一个实施例，其 包括封装在大约2至3厘米长、附着到带夹76上的小圃柱体75中的换能 器。在换能器外壳75和其带夹76之间放置有柔性减震材料，比如棉花、 泡沫或^t胶。该夹76祐i殳计成装在传统带77上用户选择的且可调的位置。 该换能器被设计成被配戴使得换能器外壳75的外部优选地在腰背部接触 用户，以^t于振动通过用户的骨头传导。线74将换能器连接到《更携式个 人通信、信息或娱乐i史备53，该设备也是可调节地夹在传统带77上，比 如用户的侧部。优选地，使用任何合适的方式，比如小环、带或钩和环材 料，使线74在传统带77内部分隐藏并受到保护或置于传统带77的内部， 以便使所述线保持在传统带77的内部或与传统带77的内表面接触，同时 仍然便于换能器外壳75和便携式个人通信、信息或娱乐设备53的位置调 整。应当理解，夹76可以用可移除地附着换能器外壳75到传统带77上 的任何其它合适装置来代替。
图17图示了使用如在此公开的振动换能器的父母与其孩子间的生物 反馈系统80。在一个实施例中，生物反馈系统80包括振动换能器89，其 被置于婴儿的被褥93中，如儿童床褥垫、毯子或婴儿枕头，或者可替选 地围着嬰儿胸部、腰部、手臂或腿的带子(未图示)中，或者进一步可替
选地嬰儿的衣服(例如，婴儿的衬衣或裤子)中。振动换能器89由控制 器87控制，该控制器87使振动换能器89以类似于心跳的节奏发出脉冲。 控制器87可以通过编程输入85被编程以提供与在该婴儿在子宫内的末三 个月期间记录下的其母亲的心跳模式相对应的触觉脉冲。这可以对嬰儿 94产生镇静作用，帮助嬰儿94的夜间睡眠。
在另一实施例中，生物反馈系统80适于使换能器89产生对应于父母 的当前心跳或呼吸的触觉脉冲。在此实施例中，生物反馈系统80还包括 心率或呼吸监测器81 (其可以采取由父母95配戴的麦克风或腕带或手表 91的形式)来感测父母的心跳或呼吸。所感测的呼吸或心跳从监测器81 提供给控制器84到无线发射器或收发器83，在此处将其通过无线信号传 送到无线接收器或札发器86，然后从这里提供给控制器87，然后到换能 器89。
在另一实施例中，生物反馈系统80还适于向父母95提供对应于嬰儿 的心跳或呼吸速率的触觉刺激。提供了可采取麦克风或心率监测器形式的 婴儿监测器88来感测该嬰儿的心跳或呼吸。与振动换能器93 —样，婴儿 监测器88可附着到儿童床、床栏，置于婴儿的被褥93 (例如，儿童床褥 垫、毯子或婴儿枕头)中，置于围着婴儿胸部、腰部、手臂或腿的带子中， 或置于嬰儿的衣服(例如，婴儿的衬衣或裤子)中。所感测的婴儿94的 呼吸或心跳从监测器81提供给控制器84到无线发射器或^ML器86，在 此处将其通过无线信号传送到无线接收器或M器83，然后从这里提供 给控制器84，然后到换能器82。对于父母95,换能器82优选地置于床 枕头92中，不过它也可以置于任何方便的地方，包括床栏(未图示)、褥 垫(未图示)、毯子(未图示)、围着父母胸部、腰部、手臂或腿的带子(未 图示)，或置于父母的衣服(例如，父母的衬衣、裤子或睡衣)中。这样 的孩子与父母的生物^Jt系统可以对担心的父母95产生镇静作用，帮助 父母95的夜间睡眠。
在又一实施例中，控制器84和87 (其可组成单个单元)用于，如果 在异常的时间段内没有检测到呼吸、心跳、和/或移动，则增加换能器振 动的速率或强度。如果在几秒内没有检测到呼吸、心跳、和/或移动的恢 复，则所增加的振动速率和强度应增加到足以唤醒婴儿94和父母95两者 的水平。在此实施例中，生物反馈系统80优选地配备成还发出可听告警 和发出开和关的闪烁光，以确保及时采取补救行动。
监测器81、换能器82和控制器84还可以用作鼾声控制设备，以便
当成人开始打鼾或发生睡眠呼吸暂停时安静地提醒他或她，而不打扰该成
年人的配偶。在此实施例中，监测器81可以被调整以检测軒声噪音或睡 眠呼吸暂停时段.
可以认识到，本发明的振动换能器具有许多其它应用，例如包拾浯言 病理治疗、职业和身体治疗、以及帮助人们克服口吃障碍。
尽管上面描述为本发明的优选实施例的示例，相关领域普通技术人员
将认识到，尤其是依照本说明书、附图及所附权利要求书，可以容易地进
行许多变化、变动、修改、替代等。无论如何，由于本发明的范围比任何 具体实施例广泛得多，所以前面的详细描述不应被解释为对本发明的范围
的限制，本发明的范围仅由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种用于产生触觉刺激的振动换能器，所述振动换能器包括具有轴的电动机；封装所述电动机的刚性外壳；附着到所述电动机轴的偏心锤；以及在所述刚性外壳内支持所述电动机的电动机装配装置，所述电动机装配装置适于使所述电动机在被激励时在所述刚性外壳内摆动，使得所述偏心锤沿椭圆路径运行。
2. 如权利要求1所述的振动换能器，其中所述刚性外壳包括总体上 为圓柱形的管。
3. 如权利要求2所述的振动换能器，还包括 用于向所述电动机供电的电源；封装所述电源的第二外壳，其中第二外壳与封装所述电动机的所述刚 性外壳不同且与所述刚性外壳没有固定关系；以及 将所述电源连接到所述电动机的电缆。
4. 如权利要求3所述的振动换能器，还包括连接到所述振动换能器 的夹子，所述夹子适于将所述振动换能器可移除地附着到传统带。
5. 如权利要求1所述的振动换能器，还包括用来根据所编程的节奏 激励所述电动机的控制器和数字输入设备。
6. 如权利要求5所述的振动换能器，其中所述控制器适于激励所述 电动机来生成多个容易区别的触觉刺激。
7. 如权利要求5所述的振动换能器，其中所述控制器和数字输入设 备包括运动训练设备。
8. 如权利要求5所述的振动换能器，其中所述控制器和数字输入设 备包括高尔夫挥杆训练设备。
9. 如权利要求7所述的振动换能器，其中所述运动训练设备与封装 所述电动机的所述刚性外壳不同且与所述刚性外壳没有固定关系。
10. 如权利要求1所述的振动换能器，还包括控制器，所述控制器适于以其定时与人的心跳一致的模式周期性地激励所述电动机。
11. 如权利要求l所迷的振动换能器，还包括控制器，所述控制器适 于以其定时与测得的人的心跳一致的模式周期性地激励所述电动机。
12. 如权利要求11所述的振动换能器，其中所述测得的人的心跳是处于怀孕末三个月的孕妇的心浪L
13. 如权利要求12所述的振动换能器，其中所述刚性外壳被^以 下组中的其中一个儿童>^褥垫； 毯子；枕头；以及 服装。
14. 如权利要求10所述的振动换能器，还包括 测量人的心跳的监测器；以及无线通信系统，其将所述监测器链接到所述控制器；从而所述控制器 适于实时地以与人的心跳一致的模式周期性地激励所述电动机。
15. —种用于产生多个容易区别的触觉刺激的振动换能器，所述振动 换能器包括具有轴的电动机； 封装所述电动机的刚性外壳； 附着到所述电动机轴的偏心锤；以及泡沫衬垫，其在所述刚性外壳内环绕所述电动机，所述衬垫适于使所 述电动M被加电时在所述刚性外壳内摆动，使得所述偏心锤沿椭圓路径 运行。
16. 如权利要求15所述的振动换能器，其中所述刚性外壳包括总体 上为圆柱形的管。
17. 如权利要求16所述的振动换能器，其中所述泡沫衬垫被固定片 包裹。
18. 如权利要求15所述的振动换能器，还包括用于促进所述电动机 的操作的驱动电路。
19. 如权利要求18所述的振动换能器，其中所述驱动电路包括多个 定时子电路。
20. 如权利要求19所述的振动换能器，其中每个所述定时子电路适 于在不同的时间段操作所述电动机。
21. 如权利要求20所述的振动换能器，其中 每个定时子电路通过触发信号激活； 每个触发信号从单个输入信号获得；以及其中，所述触发信号通过对所述输入信号的滤波被区别开。
22. 如权利要求21所述的振动换能器，还包括用于产生所述输入信 号的数字信号发生器。
23. 如权利要求22所述的振动换能器，其中所述信号发生器适于产 生具有不同持续时间的脉冲列。
全文摘要
一种振动换能器包括刚性、圆柱形的外壳；被封入刚性外壳内的电动机，其上附有偏心锤；以及用于支持刚性外壳内的电动机的衬垫电动机装配装置。可由在电动机周围将其基本上包裹的泡沫衬垫形成的衬垫装配装置允许电动机摆动，以及允许电动机的转子在工作期间沿椭圆路径运行，这增加了振动的强度。单独封装的电源和驱动电路被提供以利于电动机的操作，其中该驱动电路可包括电流放大器或定时子电路。
文档编号B06B1/16GK101180137SQ200680017759
公开日2008年5月14日 申请日期2006年5月17日 优先权日2005年5月26日
发明者克里斯托弗·V·帕森斯, 大卫·M·图梅 申请人:思考方案有限公司