DE69016031T2

DE69016031T2 - Elektromagnetischer resonanzschwinger.

Info

Publication number: DE69016031T2
Application number: DE69016031T
Authority: DE
Inventors: Irving Holden; Charles Mooney; George Selinko
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2010-08-04
Also published as: ES2066219T3; WO1991003914A1; US5107540A; JPH07106336B2; CA2056990C; CA2056990A1; ATE116874T1; EP0490930A4; EP0490930B1; DE69016031D1; JPH05500022A; EP0490930A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet elektromagnetischer Vibratoren, insbesondere elektromagnetische Resonanzvibratorbewegungseinrichtungen für Empfänger mit selektivem Anruf, die eine ähnliche Tastgefühlreaktion wie eine herkömmliche Vibratorbetätigungseinrichtung liefern, während weniger Energie und Raum benötigt werden.

Hintergrund der Erfindung

Selektive Anrufempfänger einschließlich Rufanlagen werden typischerweise verwendet, um einen Benutzer über eine Botschaft zu alarmieren, indem ein Audio-Alarm erzeugt wird. Jedoch kann das Audiosignal in-verschiedenen Umfeldern störend sein, und deshalb werden Vibratoren verwendet, um ein lautloses Alarmasignal bereitzustellen.
Vibratorbewegungseinrichtungen sind auf dem Gebiet der Technik gut bekannt und umfassen im allgemeinen ein zylindrisches Gehäuse, das eine sich drehende Welle entlang einer Längsachse aufweist, die an einem äußeren, unausgeglichenem Gegengewicht befestigt ist. Vibratorbewegungseinrichtungen haben sich als erfolgreich zum Alarmieren eines Benutzers über eine empf angene Botschaft herausgestellt, jedoch sind herkömmliche Konstruktionen wegen des Versagens des Mechanismus, typischerweise das unausgeglichene Gegengewicht, unzuverlässig gewesen, der die Vibration veranlaßt.
Fig. 1 der Zeichnung ist ein typisches Beispiel einer herkömmlichen Vibratorbewegungseinrichtung. Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt eine herkömmliche Vibratorbewegungseinrichtung 100 einen zylindrischen Körper 102, eine längliche, sich drehende Welle 104 und ein unausgeglichenes, sich drehendes Gegengewicht 106. Der zylindrische Körper 102 wird auf einer gedruckten Schaltungsplatte 108 durch eine Klammer 110 für die Bewegungseinrichtung in seiner Lage gehalten. Das Gegengewicht 106 ist an dem vorstehenden Ende der Welle 104 an der Vibratorbewegungseinrichtung 100 befestigt. Zum Betrieb wird die Bewegungseinrichtung 100 durch eine Stromquelle erregt, wodurch sich die Welle 104 und das Gegengewicht 106 mit dem Ergebnis drehen, daß die Bewegungseinrichtung 100 vibriert und infolgedessen der selektive Anrufempfänger vibriert.
Mit der Neigung zur Miniaturisierung wurde die Vibratorbewegungseinrichtung das größte Bauteil in lautlosen Alarm-Rufeinrichtungen. Es ist deshalb nicht möglich, die Größe einer lautlosen Alarmrufeinrichtung beträchtlich weiter zu verringern, es sei denn, die Vibratorbewegungseinrichtung wird in der Größe verringert. Jedoch ist es von Bedeutung, daß die Vibrationsstärke nicht verringert wird, da dieses den Vorteil der verringerten Größe vereiteln wurde.
Um diese Schwierigkeiten bei der herkömmlichen Vibratorbewegungseinrichtung zu überwinden, wurde ein elektromagnetischer Resonanzvibrator als das Frequenzsteuerelement zum Erzeugen eines Alarmsignals und auch als eine Freguenzreaktionseinrichtung verwendet, die auf ein gegebenes Signal reagiert. In solchen Einrichtungen ist ein Vibratorelement, wie ein Blatt, das eine natürliche Resonanzfrequenz hat, mit einer mit ihm gekoppelten, magnetischen Struktur enthalten, die die Schwingungen des Blattes bei seiner natürlichen Resonanzfrequenz bewirkt. Elektromagnetische Resonanzvibratoren sind auch vorgeschlagen worden, in denen ein Anker zur seitlichen oder Drehbewegung angebracht ist. Die magnetische Struktur für solche Einrichtungen kann eine erste Spule zum Erregen des Ankers und eine zweite Spule zum Aufnehmen von Signalen in Reaktion auf die Schwingungen einschließen, so daß Signale dazwischen nur bei der Resonanzfreguenz des Vibratorelements gekoppelt werden. Die Einrichtung muß auch eine Isolierung der kritischen Bauteile gegenüber äußerem Stoß un Vibrationseinflüssen vorsehen. Wenn beispielsweise einr Einheit fallengelassen oder erschüttert wird, sollte das Blatt nicht vibrieren und eine Reaktion leifern, als wenn ein Signal emfangen worden wäre. Diese bisher bekannten Einrichtungen waren instabil; deshalb schwangen sie nicht und ihre Rückstellkraft war unausgeglichen, was einen größeren Energieverbrauch als notwendig ergab.
US-Patent 4,728,934 beschreibt einen kleinen Vibrator, der an dem Handgelenk in der Form einer Armbanduhr getragen werden kann. Eine Spule wird verwendet, in die ein Magnetkern, der elastische durch eine Membran angebracht ist, als ein Anker hervorsteht. Das Gehäuse, das die Membran und die Spule trägt, bildet den Rückführteil für den magnetischen Fluß.
Was somit benötigt wird, ist ein verbesserter Vibrator in einem selektiven Anrufempfänger, um einem Benutzer über eine emfangene Botschaft zu warnen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein elektromagnetischer Resonanzvibrator geschaffen, der umfaßt einen Anker der einen ebenen, kreisförmigen Umfangsbereich, einen ebenen Mittelbereich und einen Mehrzahl unabhängiger, ebener, kreisförmiger Federelement hat, die gleichförmig um den genannten Mittelbereich herum innerhalb des genannten Umfangsbereiches angeordnet sind und mit dem genannten Umfangsbereich und dem genannten Mittelbereich gekoppelt sind, wobei die genannten Federelemente eine Rückstellkraft normal zu einer Bewegung des genannten Mittelbereichs des genannten Ankers leifern; einen Permanentmagnet, der mit dem genannten Mittelbereich gekoppelt ist; ein Gehäuse, das ein oberes Teil und ein unteres Teil umfaßt, die mit dem genannten Umfangsbereich zum Einschließen und Halten des genannten Ankers gekoppelt sind; und eine elektromagnetische Einrichtung, die sich innerhalb des genannten Gehäuses befindet und mit dem genannten Permanentmagnet zum Herbeiführen einer Bewegung des genannten Ankers bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz gekoppelt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der genannte Anker eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche, und wobei der genannte Perinanentmagnet einen ersten Magnet, der an der oberen Oberfläche des genannten Mittelbereichs angebracht ist, und einen zweiten Magnet einschließt, der an der genannten unteren Oberfläche des genannten Mittelbereichs angebracht ist.
Der Anker kann aus Metallblech, das magnetisch sein kann, hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Anker wenigstens zwei ebene, kreisförmige Federelemente, um für die Bewegung des genannten Ankers eine Rückführkraft zu schaffen.
Die Erfindung schafft in vorteilhafter Weise einen verbesserten, selektiven Anrufempfänger, der einen verbesserten lautlosen Betriebsmodus hat.
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Vibrators, der an einer gedruckten Schaltungsplatte befestigt ist.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine Membran einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Scheibenvibrators gemäß der vorliegenden Erfindung, der die Membran der Fig. 2 umfaßt.
Fig. 4 ist eine Seitenansicht der Membran der Fig. 2 bei der Schwingungsbewegung.

Beschreibung der Erfindung im einzelnen

Bezugnehinend auf die Fig. 2 umfaßt eine bevorzugte Membran 2 einen Körper 4, der gewölbte, im wesentlichen ebene Federn 50, 52, 54 und 56 einschließt, die einstückig darin positioniert sind, eine geätzte Oberfläche 42 und eine Öffnung 44. Die Membran 2 kann aus einem einzigen Metallstück hergestellt werden, das chemisch geätzt wird, um die folgende Ausgestaltung bei der bevorzugten Ausführungsform zu bilden. Jede der Federn 50, 52, 54 und 56 umfaßt zwei Teile 6 und 8, 10 und 12, 14 und 16 bzw. 18 und 20. Die Federn 50, 52, 54 und 56 sind durch kreisförmige Öffnungen 22, 24, 26 und 28 und gekrümmte Öffnungen 30, 32, 34 bzw. 36 gebildet. Parabolische Öffnungen 38 und 40 sind für Befestigungszwecke geformt, obgleich andere Möglichkeiten verwendet werden könnten.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 2 aus internationaler Nickellegierung 902 hergestellt, wobei die Federn 50, 52, 54 und 56, die chemisch auf die Membrandicke geätzt worden sind, typischerweise 0,0762 Millimeter (0,003 Zoll) oder weniger haben. Dieses Material ist eine Legierung mit einem konstanten Elastizitätsmodul, so daß durch Temperatur herbeigeführte Frequenzänderungen und Kraftimpulsänderungen verringert werden. Diese einzigartige Auslegung der Membran 2 liefert eine lineare Federkonstante wegen der elastischen Biegung der Teile 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 und 20. Eine Frequenzabstimmung wird vorzugsweise durchgeführt, indem der Innendurchmesser der Federn 50, 52, 54 und 56 durch ein geeignetes Ätz-Zuricht- oder Schleifverfahren eingestellt wird. Die Ringgeometrie macht es möglich, jedes der Teile 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 und 20 um 0,038 mm (0,0015 Zoll) zu verlängern, ohne den benötigten maximalen Dauerspannungswert von 206,8 MPa (30.000 psi) des ausgewählten Materials bei der bevorzugten Ausführungsform zu überschreiten. Man sollte beachten, daß sich die Formen und Abnutzungen ändern könnten, ohne die Absicht der Erfindung zu ändern.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist die Membran 2 innerhalb eines Scheibenvibrators 58 angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 2 zwischen zwei magnetische Abschirmungsschalen 62 und 66 geklemmt. Zwei Antriebsmagnete 90 und 92 grenzen an die Oberfläche 88 bzw. 98 der Membran 2 an, und zwei Magnete 84 und 86 grenzen an den Antriebsmagnet 90 bzw. 92 an. Innerhalb der Schalen 62 und 66 sind zwei Spulen 76 und 78 angebracht (durch eine nichtgezeigte Stromquelle erregt), die jeden der Magnete 84 und 86 umgibt und durch Abdeckungen 60 und 70 darin abgedichtet sind. Eine an die Spulen 76 und 78 angelegte Wechselspannung zieht abwechselnd die Magnet 84 und 86 an und stößt sie zurück, wodurch eine Schwingung in der Mitte der Membran 2 bei der natürlichen Resonanzfrequenz der Membran 2 geschaffen wird. Kissen 80 und 82 grenzen an die Abdeckung 60 bzw. 70 an, um die Magnete 84 und 86 daran zu hindern, die Abdeckungen 60 und 70 zu berühren. Bei der Resonanz werden eine maximale Amplitude und Impuls bei einem relativ kleinen Stromverbrauch geliefert. Der Grund hierfür ist die Rückstellkraft, die durch die Spannung in den Federn 50, 52, 54 und 56 erzeugt wird, wenn jedes Teil 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 und 20 der Federn 50, 52, 54 und 56 sich 0,0381 mm (0,0015 Zoll) ausdehnt. Die Rückstellkraft wird durch den Umfang der Membran 2 ausgeglichen, die zwischen den magnetischen Abschirmungsschalen 62 und 66 eingeklemmt ist. Die Antriebskraft (unausgeglichen) ist in der Achse 9-9 und ist 10 % der ausgelichenen Rückstellkraft, die in den Achsen 5-5 und 7-7 ist. Deshalb verwendet das System ungefähr 10 % der gespeicherten Energie, den selektiven den Anrufempfänger bei jedem Zyklus zu bewegen, was die Batterielebensdauer des Systems erhöht.
Der Scheibenvibrator 58, der die Membran 2 enthält, ist weniger als 7,62 mm (0,30 Zoll) dick bei der bevorzugten Ausführungsform was ihn flacher als die herkömmliche, zylindrisch geformte Vibratorbewegungseinrichtung 100 macht. Die herkömmliche Bewegungseinrichtung 100 bestimmt im allgemeinen die Dicke des selektiven Anrufempfängers, die vom Entwurfsstandpunkt her unerwünscht ist. Selektive Anrufempfänger haben zu einer flacheren, rechteckförmigen Form tendiert, die den Scheibenvibrator 58 notwendig machen, um dieses Ziel zu erreichen.
Ein anderer Vorteil des Scheibenvibrators 58 ist, daß er bei der bevorzugten Ausführungsform bei 200 Hz arbeitet, wohingegen die zylindrische Bewegungseinrichtung 100 auf 60-80 Hz oder 3.600-4.800 UpM aus mechanischen Gründen begrenzt ist. Bei 60-80 Hz benötigt die Bewegungseinrichtung 100 5,6 mal den Impuls, um dieselbe Tastgefühlreaktion zu liefern, wie sie durch den Scheibenvibrator 58 erzeugt wird, der die Membran 2 bei 200 Hz verwendet. Deshalb liefert der Scheibenvibrator 58 dieselbe Tastgefühlreaktion bei 200 Hz wie sie der Motor 100 bei 60-80 Hz liefert.
Der Scheibenvibrator 58 erzeugt einen Impuls in Richtung zu dem Benutzer in einer Richtung, während die Bewegungseinrichtung 100 einen Impuls in alle Richtungen erzeugt; deshalb wird ein großer Teil der von der Bewegungseinrichtung 100 erzeugten Kraft nicht gefühlt. Eine äquivalente Tastgefühlreaktion wird dann erhalten, wobei der Scheibenvibrator 58 verwendet wird, der weniger Energie und Raum als die herkömmliche Bewegungseinrichtung 100 verwendet. Die Schwerkraftwirkung des Scheibenvibrators 58 ist verglichen mit derjenigen der herkömmlichen Bewegungseinrichtung 100 relativ klein, da die Magnet 90 und 92 ausgeglichen sind, wohingegen die herkömmliche Bewegungseinrichtung 100 ein unausgeglichenes Gegengewicht 106 verwendet. Die Schwerkraftwirkung auf die herkömmliche Bewegungseinrichtung hängt dann von der Beziehung zwischen der Welle 104 und dem unausgeglichenen Gegengewicht 106 ab. Deshalb ist ein weiterer Vorteil des Scheibenvibrators 58, daß die Schwerkraftwirkung eine kleinere Verringerung bei der Impulskraft als bei der herkömmlichen Bewegungseinrichtung 100 wegen der Resonanzart des Systems ergibt.
Bezugnehmend auf Fig. 4 befindet sich die Membran 2A innerhalb des Scheibenvibrators 58 mit einer Masse 112a, die von den Magneten 90 und 92 gebildet wird, in ihrer stationären Lage. Die Membran 2A, 2B und 2C wird starr über ihren Umfang gehalten, wie es durch 114A und 114 B dargestellt ist. Wenn der Scheibenvibrator 58 beginnt, bei seiner Resonanzfrequenz zu schwingen, bewegen sich die Membran 2A und die Masse 112A aus ihrer stationären Lage entlang der Achse 9-9 bis zu ihrer maximalen Amplitude, wie sie durch die Membran 2B und die Masse 112B dargestellt ist. Die Federkraft wird durch die Federn 50, 52, 54 und 56 entlang der 9-9 Achse geliefert. Die Membran 2B und die Masse 112B schwingen dann zu dein entgegengesetzten Extrem, wie es durch die Membran 2C und die Masse 112C dargestellt ist. Da die Membran 2 über den Umfang durch Stifte 72 und 74 gedämpft ist, kann der Vibrator einen größeren Stoß ohne Fehler überstehen, verglichen mit der herkömmlichen Vibratorbewegungseinrichtung 100, die eine sich drehende Welle und ein unausgeglichenes Gegengewicht verwendet. Der Scheibenvibrator 58 ist dann empfindlich für Betätigungssignale und relativ unempfindlich gegenüber einem physikalischen Stoß.
Das einzigartige Merkmal der Rückstellkraft und der Federkraft ist, daß sie von der Ebene der Achsen 5-5 und 7-7 (Fig. 2) erzeugt werden, die um 90º zu dem Betriebsmodus der Achse 9-9 phasenverschoben sind. Zusätzlich wird die Kraft gleichmäßig durch den Außendurchmesser der Haltestruktur die Membran 2, den Schalen 62 und 64, ausgeglichen.
Der Scheibenvibrator 58 liefert eine lineare Federkonstante auf der Achse 9-9, die durch das elastische Verbiegen des äußeren Durchmessers der Federn 50, 52, 54 und 56 aufgrund der Spannung in der Membran 2 in der Ebene der Achsen 5-5 und 7-7 (Fig. 2) während des Betriebsmodus der Achse 9-9 ausgeführt wird. Dies macht die Reaktionsfrequenz unabhängig von der Auslenkungsamplitude und dem Ansteuersignal. Der Scheibenvibrator 58 liefert auch eine Reaktionsfrequenz, die von der Masse der Anrufeinrichtung unabhängig ist.
Ferner schafft der Scheibenvibrator 58 eine Frequenzreaktion bei einem einzigen Freiheitsgrad entlang der Achse 9-9, wobei die fünf anderen Hauptfreiheitsgrade ein Minimum von einer Oktave höher als der Betriebsmodus oder zweimal so groß wie der Betriebsmodus der 9-9 Achse ist. Dies verhindert Energieverluste aufgrund einer Moduskopplung zwischen den Positionen, die durch die Membranen 2B und 2C entlang der Achse 9-9 dargestellt sind, und allen übrigen Modi.

Claims

1. Ein elektromagnetischer Resonanzvibrator (58), umfassend

einen Anker (2), der einen ebenen, kreisförmigen Umfangsbereich (4), einen ebenen Mittelbereich (62) und eine Mehrzahl unabhängiger, ebener, kreisförmiger Federelemente (50, 52, 54 und 56) hat, die gleichförmig um den genannten Mittelbereich (42) herum innerhalb des genannten Umfangsbereiches (4) angeordnet sind und mit dem genannten Umfangsbereich (4) und dem genannten Mittelbereich (42) gekoppelt sind, wobei die genannten Federelemente (50, 52, 54 und 56) eine Rückstellkraft normal zu einer Bewegung des genannten Mittelbereichs (42) des genannten Ankers (2) liefern;

einen Permanentmagnet (84, 86), der mit dem genannten Mittelbereich (42) gekoppelt ist;

ein Gehäuse (60, 62, 66 und 70), das ein oberes Teil (62) und ein unteres Teil (66) umfaßt, die mit dem genannten Umfangsbereich (4) zum Einschließen und Halten des genannten Ankers (2) gekoppelt sind; und

eine elektromagnetische Einrichtung (76, 78), die sich innerhalb des genannten Gehäuses (60, 62, 66 und 70) befindet und mit dem genannten Permanentmagnet (84, 86) zum Herbeiführen einer Bewegung des genannten Ankers (2) bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz gekoppelt ist.

2. Der elektromagnetische Resonanzvibrator (58) des Anspruchs 1, in dem der genannte Anker (2) eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche hat und in dem der genannte Permanentmagnet einen ersten Magnet, der an der oberen- Oberfläche des genannten Mittelbereichs angebracht ist, und einen zweiten Magnet einschließt, der an der genannten unteren Oberfläche des genannten Mittelbereichs angebracht ist.

3. Der elektromagnetische Resonanzvibrator (58) der Ansprüche 1 oder 2, in dem der genannte Anker (2) aus einem Metallblech hergestellt ist.

4. Der elektromagnetische Resonanzvibrator (58) des Anspruchs 3, in dem das genannte Metallblech magnetisch ist.

5. Der elektromagnetische Resonanzvibrator (58) irgendeines vorhergehenden Anspruchs, in dem der genannte Anker (2) wenigstens zwei ebene, kreisförmige Federelemente (50 und 54 oder 50 und 56) zum Bereitstellen einer Rückstellkraft für die Bewegung des genannten Ankers (2) einschließt.

6. Der elektromagnetische Resonanzvibrator (58) des Anspruches 5, in dem der genannte Anker (2) vier ebene, kreisförmige Federelemente (50, 52, 54 und 56) einschließt.