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Die
Erfindung betrifft einen Vibrationslautsprecher zur Verwendung in
mobilen Kommunikations-Endgeräten,
beispielsweise tragbaren Telefonen und Pagern, zur Erzeugung sowohl
hörbarer
Töne als
auch fühlbarer
Vibrationen und betrifft die Erzeugung einer spürbaren Vibrationskraft ohne
Anschlagen am Gehäuse
und eines damit einhergehenden Berührungstones der Vibrationsmasse
und zur Erzeugung einer minimalen Vibrationskraft während der
Vibration bei Verbreiterung Frequenzbandbreite des Erregungsstromes.
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Ein
Vibrationsgenerator für
Mobiltelefone u. dgl. zur wahlweisen Erzeugung eines hörbaren Tonsignals
oder eines fühlbaren
Vibrationssignal ist in der US-Patentschrift 5,894,263 beschrieben,
bei dem ein Tauchmagnet gegenüber
dem Gehäuse
elastisch federnd unterhalb einer Membran mit einer Resonanz- oder Eigenfrequenz
von 2 bis 3 kHz abgestützt ist,
die mit einer mit ihr verbundenen Schwingspule in den Magnetspalt
des Tauchmagneten eintaucht. Die Ausbildung der elastischen Abstützung ist
derart, das diese eine niederen Resonanzfrequenz von 50 bis 150
Hz hat und bei entsprechendem Erregungswechselstrom mit einer Frequenz
von nicht mehr als 250 Hz an der Schwingspule ein fühlbares
Vibrationssignal erzeugt. Wird an die Schwingspule jedoch ein hochfrequenter
Wechselstrom von über
600 Hz angelegt, so gibt nur die Membran ein hörbares Tonsignal ab.
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Aus
der europäischen
Patentanmeldung
EP 0
906 790 A1 ist ein ähnlicher
Vielfachsignalgeber bekannt, bei der Magnet mit Joch und Magnetspalt nur
mit einer Blattfeder am Gehäuse
e lastisch abgestützt
sind und diese Abstützung
eine Eigenfrequenz con etwa 100 Hz hat. Zusammen mit der Abstützungsfeder
wird bei entsprechend niederfrequenter Anregung der Schwingspule
ein Vibrationssignal abgegeben wird, während bei hochfrequenter Anregung
(im hörbaren
Bereich) ein Tonsignal von der Membran mit einer Eigenfrequenz von
3 kHz, an deren Unterseite die in den Magnetspalt eintauchende Schwingspule
(Tauchspule) vorgesehen ist, erzeugt wird.
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Ein übliches
Prinzip zur Erzeugung eines Vibrationssignals in einem Vibrationslautsprecher
zur Verwendung in tragbaren Telefonen, Pagern, etc. ist es also,
die Resonanzfrequenz eines Vibrationssystems im Innenraum des Vibrationslautsprechers
zu nutzen und die Schwingspule entsprechend niederfrequent zu erregen.
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Hierbei
führt die
Vibrationsmasse innerhalb des Vibrationslautsprechers eine axiale
Schwingbewegung aus. Dabei kann ein Berühren mit oder ein Anstoßen an dem
Gehäuse
oder Teilen in diesem durch die Vibrationsmasse abhängig von
der Intensität
oder Frequenz eingegebener Vibrationssignale auftreten. Infolgedessen
müssen
Intensität
und Frequenz der eingegebenen Vibrationssignale begrenzt werden,
wenn der Vibrationslautsprecher als Vibrationserzeuger verwendet
wird, um ein Anstoßen
zu verhindern.
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1 ist eine Querschnittsdarstellung
eines herkömmlichen
Vibrationslautsprechers. Gemäß 1 weist dieser Vibrationslautsprecher
ein einen Innenraum umschließendes
Gehäuse 8 und
in diesem einen Magneten 4 und eine Schwingspule 2 an einer
Vibrationsplatte (Membran) 1 zur Tonerzeugung auf.
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Bei
diesem herkömmlichen
Vibrationslautsprecher hat der Mag net 4 eine obere Platte 3 und sitzt
in einem topfförmigen
Joch 5, das mit der Platte 3 einen Magnetspalt
begrenzt, in den die Schwingspule 2 eintaucht. Gemäß 1 wird eine elektromagnetische
Kraft erzeugt, wenn der Schwingspule 2 innerhalb des Magnetfeldes
im Magnetspalt über
eine (in 1 nicht gezeigte)
Leitung von außen
her Wechselstrom zugeführt
wird. Die Schwingspule 2 führt aufgrund der erzeugten
elektromagnetischen Kraft eine Axialbewegung aus. Hierbei wird bei
Anlegen eines hochfrequente Wechselstroms eine Schwingung mit geringer
Amplitude der Vibrationsplatte 1 (Membran), an deren Unterseite
die Schwingspule 2 befestigt ist, ein hörbarer Ton erzeugt.
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Auf
der Umfangsfläche
des Jochs 5 ist ein Gewicht 6 befestigt. Dieses
bildet mit dem Magneten 4, der oberen Platte 3 und
dem Joch 5 eine Vibrationsmasse, die mit einer oberen Aufhängefeder 7 und
einer unteren Aufhängefeder 9 am
Gehäuse 8 federnd
abgestützt
ist. Wenn der Schwingspule 2 ein niederfrequentes Wechselstromsignal
(bevorzugt von 100–200
Hz) gemäß dem linken
Teil des Diagramms nach 2 zugeführt wird,
wird eine fühlbare
Vibration erzeugt, indem eine niederfrequente Axialbewegung der
Vibrationsmasse mit größerer Amplitude
bewirkt wird.
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Die
Größe der Bewegung
der Vibrationsmasse ändert
sich abhängig
von Intensität
und Frequenz des eingespeisten niederfrequenten Wechselstromsignals
zur Erzeugung der Vibration. Hierbei tritt häufig eine Berührung dadurch
auf, dass die Vibrationsmasse an der Vibrationsplatte 1 mit
der Schwingspule 2 an der Unterseite und anderen angebrachten
Teilen anstößt.
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Um
die Axialbewegung der Vibrationsmasse zu beschränken und vor Berührungen
mit anderen Teilen zu schützen,
hat die Vibrationsmasse einen abstehenden Anschlag 6a,
der die vertikale Auslenkung begrenzen kann, da an der Innenwand
des Gehäuses
nach innen vorstehende fingerartige Anschläge 8a und 9a oberhalb
und unterhalb des Anschlags 6a vorgesehen sind.
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Selbst
wenn der Anschlag 6a und die fingerartigen Anschläge 8a und 8b in
der Lage sind, wesentliche Teile zu schützen, kann eine Berührung als solche
aufgrund des Anschlages 6a nicht verhindert werden und
das Berührungs-
oder Anschlaggeräusch
wird nach wie vor erzeugt.
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Um
daher die Berührung
der Vibrationsmasse und das hierdurch erzeugte Geräusch zu
verhindern, müssen
die Intensität
und der Frequenzbereich des Erregungswechselstroms beschränkt werden, welcher
der Schwingspule 2 etc. zugeführt wird.
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Die
Intensität
und Frequenzbandbreite der Eingangssignale zur Erzeugung einer Vibration,
welche die Amplitude der Vibrationsmasse beeinflussen, müssen mit
Bedacht begrenzt werden, wenn die Minimalfunktion der Anzeige eingehender
Anrufe erfüllt sein
soll.
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Amplitude
und eingespeiste Frequenzbandbreite werden abhängig von der Vibrationscharakteristik
des Lautsprechers bestimmt, welcher mit der Vibrationsmasse und
den Aufhängefedern
das Vibrationssystem bildet. Infolgedessen wird die eingegebene
Frequenz insbesondere durch die Eigenfrequenz des Vibrationssystems
(ωn = 2π fn) bestimmt, wodurch die Amplitude der Vibrationsmasse
beeinflusst wird.
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10A zeigt einen herkömmlichen
Vibrationslautsprecher, dargestellt durch ein Ersatzvibrationssystem.
Unter der An nahme, dass die Vibrationsmasse in Form des Magneten 4,
des Jochs 5, der oberen Platte 3 und dem Gewicht 6 mit "m" gegeben ist und dass die Aufhängefedern 7 und 9 mit
einem Federkoeffizienten "k" vereinfacht wiedergegeben sind,
wird die Eigenfrequenz des Vibrationssystems mit obigem Aufbau durch
die Werte von "m" und "k" wie folgt bestimmt: ω n = √k/m
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Da
die Eigenfrequenz, welche die Charakteristiken des Vibrationssystems
festlegt, durch die Ausgangsbedingungen oder die Amplitude beeinflusst
wird, ist eine strikte Handhabung der Bauteile, welche zur Vibrationscharakteristik
beitragen, bei der Herstellung des Lautsprechers notwendig, um das durch
eine Berührung
verursachte, oben erwähnte Störproblem
zu lösen.
Die Belastung durch die Handhabung der Einzelteile wird so beim
Zusammenbau des Lautsprechers zum zusätzlichen Problem, was die Einzelkosten
erhöht.
Ein Ignorieren dieser Faktoren führt
zu einem Lautsprecher von niederer Qualität.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Vibrationslautsprecher zur
Verwendung in mobilen Kommunikationsendgeräten, beispielsweise tragbaren
Telefonen und Pagern zu schaffen, der die erforderliche stabile
Vibrationskraft auf ein solches Gerät übertragen kann und bei dem
ein Anschlagen der Vibrationsmasse und damit die Erzeugung eines
Berührungstones
verhindert und dessen Erregungsfrequenzbandbreite vergrößert ist.
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Eine
diese Aufgabe lösender
Vibrationslautsprecher ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
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Durch
das Vorsehen eines magneto-rheologische Fluids bestimmter Viskosität unterhalb
der Vibrationsmasse bzw. zwischen Joch und Bodenplatte bzw. Vibrationsspule,
wenn eine solche vorgesehen ist, ist die Bandbreite des einspeisbaren
Vibrationssignals vergrößert und
eine geringere aber stabile Vibrationskraft erzeugbar. Berührungstöne erzeugendes Anschlagen
der Vibrationsmasse am Gehäuse
tritt nicht auf.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Vibrationslautsprecher
nach 3, ist das magneto-rheologische Fluid zwischen
einem Joch 15 und einer Bodenplatte 20 vorgesehen.
Das magneto-rheologische Fluid ist ein Fluid, das gemäß 7 feine
magnetische Partikel mit Eigenmagnetismus in einer Flüssigkeit 24 mit einem
Tensid 23, welches die Magnetpartikel 22 umgibt,
und Öl
aufweist. Das magneto-rheologische Fluid 21 hat die Eigenschaft,
eine gleichbleibende Form zu behalten und fließt nicht, wenn es sich innerhalb eines
Magnetfeldes befindet, das eine bestimmte Mindeststärke hat.
Wird das Magnetfeld des Magneten 14 mit der oberen Platte 13 und
dem Joch 15 gemäß 7 erzeugt,
führt die
Vibrationsmasse eine Axialbewegung aus, bei der sich der Zwischenraum zur
Bodenplatte 20 verringert. Das magneto-rheologische Fluid 21 befindet
sich gemäß den 3 und 4 aufgrund
seine hohen Viskosität
stets zwischen der Vibrationsmasse und der Bodenplatte. Es wirkt
aufgrund der inhärenten
Viskosität
als eine Art Dämpfer.
Nachfolgend wird diese Funktion erläutert.
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10B zeigt ein Vibrationsersatzmodell, welches
den Lautsprecher gemäß der Erfindung
vereinfacht wiedergibt. Im Vergleich zum üblichen Aufbau nach 10a zeigt 10B,
dass aufgrund der Viskosität
des magneto-rheologischen Fluides 21 ein Dämpfer hinzugefügt wurde.
Das Vibrationssystem mit dem Dämpfer
wird beeinflusst durch eine zur Auslenkgeschwindig keit sowie der
Elastizität
der Feder und der Größe der Masse
proportionalen Dämpfung. Somit ändert sich
die Vibrationscharakteristik gemäß 9.
Dies bedeutet, dass die Bewegung des Vibrationssystems abhängig von
der Dämpfung
variabel ist. Die Vibration wird für gewöhnlich gedämpft, wenn die Höhe der Dämpfung im
Vergleich zu dem Fall anwächst,
in dem keine Dämpfung
vorhanden ist. Mit anderen Worten, die Amplitude wird verringert,
wenn die Dämpfung
abnimmt.
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Infolgedessen
wird kein Geräusch
erzeugt, da eine Berührung
nicht auftritt. Auch andere Arten von Geräuschen werden stark verringert.
Was die Frequenz der Vibrationskraft betrifft, welche durch die
Axialbewegung der Vibrationsmasse erzeugt wird, kann die Intensität der Eingangssignale
ebenfalls stärker
als bei herkömmlichen
Fällen
aufgrund einer erhöhten
Dämpfung,
hervorgerufen durch die Viskosität
des magneto-rheologischen
Fluides, verringert werden. Somit wird die Bandbreite der eingebbaren
Frequenz erhöht.
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Der
in 9 gestrichelt dargestellte Teil stellt den herkömmlichen
Aufbau dar, bei dem die Bandbreite der maximal zulässigen Erregungsfrequenz schmal
ist. Der durch eine durchgezogene Linie dargestellte Teil zeigt
die Charakteristiken der Erfindung mit einer verbreiterten maximalen
Frequenzbandbreite. Infolgedessen zeichnet sich die Erfindung darin
aus, dass die gewünschten
Vibrationscharakteristiken dadurch erhalten werden können, dass
die üblicherweise
vorhandene Berührung
durch geeignete Wahl der Dämpfung
des Vibrationssystems mit einem erfindungsgemäßen Dämpfer verhindert werden kann.
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Einzelheiten,
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich weiterhin aus der
nachfolgenden detaillierten Beschrei bung von Ausführungsbeispielen
anhand einer Zeichnung, in der zeigt:
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1 einen
Querschnitt durch einen herkömmlichen
Vibrationslautsprecher,
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2 ein
Diagramm, welches den Vibrationsschalldruck abhängig von der Frequenz des eingespeisten
Vibrationssignals darstellt,
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3 einen
Querschnitt durch einen Vibrationslautsprecher gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung,
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4 einen
Querschnitt zur Veranschaulichung, wie sich die Form eines magneto-rheologischen
Fluides bei einer Axialbewegung der Vibrationsmasse verändert,
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5 einen
Querschnitt durch einen Vibrationslautsprecher gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung,
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6 einen
Querschnitt zur Veranschaulichung, wie sich die Form des magneto-rheologischen
Fluides bei einer Axialbewegung der Vibrationsmasse ändert,
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7 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
des magneto-rheologischen Fluides,
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8 eine
Darstellung der Ausbildung eines Magnetfeldes gemäß der Erfindung,
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9 eine
diagrammatische Darstellung, welche die Vibrationscharakteristiken
zeigt, welche abhängig
von erhöhten
In tensitäten
eines Eingangssignals variabel sind, und
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10A und 10B schematische
Darstellungen eines Vibrationslautsprechers nach dem Stand der Technik
bzw. der Erfindung.
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Bei
der Darstellung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung sind allgemein bekannte Funktionen oder Anordnungen
nicht im Detail beschrieben, da sie die Darstellung der Erfindung
nur verkomplizieren würden.
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3 zeigt
eine einzelne Schwingspule zur Tonerzeugung und zur Vibrationserzeugung.
Wenn gemäß 3 das
magneto-rheologische
Fluid 21 vorgesehen worden ist und ein niederfrequentes
Signal eingegeben wird, um eine Vibration zu erzeugen, wird ein
stabiles Vibrationssystem ohne irgendeine Berührung erhalten.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun unter Bezug auf die 3 und 4 beschrieben.
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Ein
Vibrationslautsprecher umfasst ein Gehäuse 18 mit einem von
einer Außenwand
umschlossenen Inneraum, eine Vibrationsplatte 11 (Membran) zur
Tonerzeugung, welche am oberen Rand des Gehäuses mit ihrem Außenrand
befestigt ist, eine Schwingspule 12, welche an der Unterseite
der Vibrationsplatte 11 befestigt ist, eine Bodenplatte 20,
die mit ihrem Außenrand
am unteren Rand des Gehäuses
befestigt ist, einen achsparallelen Magneten 14, eine obere
Platte 13, die auf dem Magneten 14 zur Richtung
des Magnetfeldes angebracht ist und die zusammen mit einem topfartigen
Joch 15, in dem der Magnet 14 sitzt, einen Magnetspalt
begrenzt, in den die Schwingspule 12 eintaucht. Ein an
der Umfangsfläche
des Jochs 15 befestigtes Gewicht 16 bildet mit diesen
Teilen eine Vibrationsmasse, die mittels einer oberen Aufhängefeder 17 und
einer unteren Aufhängefeder 19 am
Gehäuse 18 elastisch
gelagert ist. Ferner ist ein magneto-rheologisches Fluid 21 bestimmter
Viskosität
zwischen der Vibrationsmasse und der Bodenplatte 20 angeordnet
ist, um als Dämpfer
zu wirken, wenn die Aufhängefedern
in axialer Richtung ausgelenkt werden.
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Eine
elektromagnetische Kraft wird erzeugt, wenn der Schwingspule 12 durch
eine (in der Zeichnung nicht gezeigte) Leitung ein Wechselstrom
zugeführt
wird. Hat dieser eine hohe Frequenz, wird ein Ton erzeugt.
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Eine
Vibration wird erzeugt, wenn ein niederfrequentes Signal (bevorzugt
von 100–200
Hz) angelegt wird, wie auf der linken Seite von 2 dargestellt,
um eine Axialbewegung der Vibrationsmasse zu bewirken.
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Das
magneto-rheologische Fluid 21, welches während der
Vibration zur Wirkung kommt, dient dazu, durch einen Dämpfungseffekt
eine Berührung
der Vibrationsmasse mit dem Gehäuse
und anderen Einbauteilen zu verhindern. Dies dadurch, dass das magneto-rheologische
Fluid 21 zwischen der Unterseite der Vibrationsmasse wirkt,
genauer gesagt, der Unterseite des Jochs 15 und einem Teil im
Unterteil des Gehäuses,
vorgesehen ist.
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3 zeigt
die Möglichkeit,
das magneto-rheologische Fluid auf das Joch 15 aufzubringen. 4 zeigt
die Form des magneto-rheologischen Fluides, wenn ein niederfrequentes
Signal (bevorzugt zwischen 100–200
Hz) angelegt ist und die an den Aufhängefedern 17 und 19 gelagerte
Vibrationsmasse sich nach unten bewegt.
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Ein
Vibrationslautsprecher mit einer getrennten Anordnung einer Schwingspule
zur Tonerzeugung und einer Vibrationsspule zur Erzeugung einer Vibration
gemäß einer
anderen Ausführung
der Erfindung wird nachfolgend anhand der 5 und 6 beschrieben.
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Dieser
Vibrationslautsprecher weist ein einen Innenraum umschließenden Gehäuse 38 und
in diesem einen Magneten 34 und eine Schwingspule 32 sowie
eine Vibrationsplatte 31 (Membran) zur Tonerzeugung und
eine Vibrationsspule zur Vibrationserzeugung auf. Eine elektromagnetische
Kraft und ein Ton werden erzeugt, wenn ein hochfrequenter Wechselstrom
an die Schwingspule 32 innerhalb des Magnetfeldes bzw.
-spalts, welches zwischen einer oberen Platte 33, dem Magneten 34 und
einem Joch 35 ausgebildet wird, über eine Leitung (nicht gezeigt) angelegt
wird.
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Eine
Vibration wird erzeugt, wenn ein niederfrequentes Signal an die
Spule angelegt wird. Aufgrund der erzeugten elektromagnetischen
Kraft bewegt sich die Schwingspule 32 in vertikaler Richtung. Ein
Ton wird durch eine feine Vibration der Vibrationsplatte 31 erzeugt,
an der die Schwingspule 32 angebracht ist.
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Weiterhin
löst ein
niederfrequentes Signal (bevorzugt zwischen 100–200 Hz), das an eine Spule 45 zur
Vibrationserzeugung angelegt wird, eine Vertikalbewegung der Vibrationsmasse
aus, welche an Aufhängefedern 37 und 39 aufgehängt ist.
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Das
magneto-rheologische Fluid 41 dient dazu, mit einem Dämpfungseffekt
eine Berührung
zu verhindern, wie es in den 5 und 6 gezeigt.
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5 zeigt
die anfängliche
Aufbringung des magneto-rheologischen
Fluides auf das Joch 35. 6 zeigt
die Form des magneto-rheologischen Fluides, wenn ein niederfrequentes
Signal (bevorzugt zwischen 100–200
Hz) an die Spule 45 zur Vibrationserzeugung angelegt wird
und die Vibrationsmasse einschließlich der Teile, die das Magnetfeld bilden
und durch die Aufhängungsfedern 37 und 39 aufgehängt sind,
sich nach unten bewegen. Das magneto-rheologische Fluid 41 wirkt
zwischen der Unterseite des Jochs und der Oberseite der Vibrationsspule 45.
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Infolgedessen
ist es möglich,
die Intensität der
eingespeisten Vibrationssignale zu erhöhen. Weiterhin, wie in 9 gezeigt,
wird die Bandbreite der Frequenz, welche eine minimale Vibrationskraft sicherstellen
kann, das heißt
die zulässige
Frequenzbandbreite, vergrößert, wodurch
eine beständige
Vibrationskraft für
einen Vibrationslautsprecher erzeugt wird, welcher in eine Vorrichtung,
beispielsweise ein tragbares Telefon oder einem Pager eingebaut
wird. Die Bandbreite der Frequenz wird durch Erhöhen der Intensität der Eingangssignale
zur Vibrationserzeugung wesentlich vergrößert. Im Ergebnis können die Materialkosten
verringert werden und es kann eine hohe Produktivität aufgrund
einer weniger restriktiven Standardgröße des Lautsprechers beim Zusammenbau
der Teile für
die Vibrationscharakteristik erhalten werden. Gegenüber