横向模式共振的刺激装置的制造方法
【专利说明】横向模式共振的刺激装置
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求于2013年1月22日提交、代理案卷编号为N0TH-2011002、名称为 "Mechanisms and Methods for Coupling Vibrational Energy into "Transverse Modes of Elastic Rods and User Feedback Control for Consumer Vibrating Devices'，（用于 将振动能量耦合到"弹性棒的横向模式）以及用于消费者振动装置的用户反馈控制）"中的 机构和方法"的临时专利申请第61/755, 191号的优先权。本申请还要求于2013年1月31 日提交、代理案卷编号为 N0TH-2013003、名称为 "Mechanisms and Methods for Coupling Vibrational Energy into "Transverse Modes of Elastic Rods and User Feedback Control for Consumer Vibrating Devices"（用于将振动能量親合到"弹性棒的横向模式 以及用于消费者振动装置的用户反馈控制"中的机构和方法）"、且将发明人定名为Bryan Jos印h NORTON的临时专利申请第61/758, 949号的优先权。以上引证的申请通过引用以它 们的全部内容结合于此，以用于所有目的。
【背景技术】
[0003] 触觉感觉可由振动引起。振荡（oscillation，摆动）重复地刺激体内的对机械变 形敏感的神经。这是因为声波产生周期性应力-应变型式（pattern)，神经对所述型式敏 感。了解这一点，用户拥有的对于该应力-应变型式的控制（空间上和时间上）越大，刺激 装置的效率越高。
[0004] 图2示出了典型现有技术的非平衡转动电机式机械振荡转换器（transducer，换 能器）200,诸如通常在振动的性刺激装置中所使用。转子（rotor，转动体）220围绕不通过 其质心230的轴线240转动。因为质心距离转动轴线一定距离250,所以在转动期间存在离 心力。该力由于这样的事实产生，即，质量不在力的影响下沿一直线移动。因为不平衡的转 子被约束为沿圆周移动，所以存在径向力。该径向力取决于转子的质量、转动轴线240到质 心230的距离、以及转子210的角速度。利用此观点，明显的是，在较低的角速度下，仅少量 的能量将被转换。驱动具有离心力的谐波振荡器使得该结果更明显。
[0005] 在X方向上的力的和
[0011] 谐波振荡器方程在y方向上的解
[0016] 图3是示出了现有技术的非平衡转动电机式振荡器（通过电机转子的与频率有关 的力而被驱动）的振幅310的图表300。随着频率305下降到零，转动电机式振荡器的响应 的振幅也下降到零。非平衡转动电机式振荡器固有地具有较差的低频性能。
[0017] 再参照图2,由非平衡转子产生的力仅取决于转子的质量、转动轴线到质心230的 距离、以及转子220的角速度。转子的质量以及距转动轴线的距离通常取决于装置的物理 构造，使得它们在使用期间不可更改。仅角速度在应用时可改变。非平衡转动电机式转换 器不能产生比如上所述的与频率相关的振幅的可变频率的正弦曲线更复杂的振动。
[0018] 由于转动的性质，被转换的力是正弦的，并且在两个维度上具有投影 (projection)。该两个投影具有90度的相对相移。当非平衡转动电机式振荡器被用来将 能量耦合到弹性物体的振动模式中时，对刺激模式的控制是有限的。独立于定向，至少两个 横向模式定向（或者一个纵向模式和一个横向模式）受到刺激。能量不能被耦合到单个横 向定向中。此外，每次仅一个频率可被耦合到介质中。
[0019] 为了改进非平衡转动电机式振荡器的低频性能，仅能做一件事情：增加转子的质 量与其距转动轴线的距离的乘积（product)，所述质量和所述距离两者均增加转子的转动 惯量。这具有两个不期望的结果：增大了装置的尺寸、并且减小了速率（振荡器在该速率下 可改变频率）。非平衡转动电机式振荡器存在另一基本的限制。它由这样的事实产生，即， 振荡的振幅及其频率具有如早先所讨论的基本的联系（link)。这不会产生任意波形转换所 需要的必要控制。
[0020] 存在多种应用，所述多种应用需要或可受益于振荡的振幅及其频率的独立控制。
【附图说明】
[0021] 图1示出了弹性棒及其第一四个正常横向模式的图示。
[0022] 图2示出了现有技术的机械振荡转换器。
[0023] 图3示出了通过电机转子的与频率有关的力而被驱动的现有技术振荡器的振幅、 以及由与驱动频率无关的力驱动的振荡器的振幅。
[0024] 图4至图6示出了根据多个实施例的多个扭矩转换器式刺激装置。
[0025] 图7a至图7c、图9至图10、图Ila至图lib、图12a至图12c和图13至图14示出 了根据多个实施例的多个转动移动磁体式致动器设计。
[0026] 图8示出了根据一个实施例的刺激装置系统。
【具体实施方式】
[0027] 性刺激装置的功能是产生被用户感知的触觉感觉。人类通常感觉到在约0.1 Hz至 IkHz的有限频带内的触觉振动。在受试人中所测量的振动知觉阈值依赖于频率。感知与频 率之间的关系具有最低阈值为150-200HZ的U形，并且对于~400Hz以上的频率来说显著 地增加。理想地，刺激装置将具有在感觉频带上的感觉阈值上产生振动的能力。
[0028] 另一考虑是身体的共振结构。体内的大多数软组织在低频率（5-lOHz)下共振。以 生物结构的共振频率为目标具有产生比装置独自可实现的振幅更大的振荡振幅的益处。
[0029] 为了使波有效地传递到用户的身体，刺激装置通常由具有与目标身体的机械性能 类似的机械性能的材料制成。例如，常规使用具有与软组织的杨氏模量接近的杨氏模量的 弹性体。
[0030] 弹性介质支持三种不同类型的波运动：纵向、横向和扭转。对于诸如那些通常被用 作刺激装置的棒来说，纵向波和扭转波两者均具有位于感知频带之外的第一谐振模式。仅 横向波支持模式在频率上足够低，以提供良好的性能。
[0031] 将能量从一个介质耦合到另一介质取决于该两个介质之间的边界条件。在弹性介 质中的声能的情况下，需要用于边界的位移。纵向波在轴向上压缩介质，导致在组织-装置 的边界处的小位移。类似地，扭转波围绕棒的轴线扭转介质，这也导致在组织-装置的边界 处的小位移。相反，横向波产生垂直于装置的长度的位移型式。这导致装置边界的显著位 移。组织沿其长度与装置相接触，将振动能量耦合到身体中。
[0032] 用于弹性棒上的横向模式的理论背景
[0033] 为了说明感兴趣的行为，圆柱形的弹性本体是良好的模型。
[0034]用于棒中的横向模式的波方程：
[0036]其中：
[0037] E是杨氏模量；
[0038] k是第二面积矩（moment of area，面积力矩）；
[0039] P是介质的密度；
[0040] W (X，t)是棒从平衡状态的位移；
[0041] W (x, t) = W (x)elut
[0042] 分离空间和时间：
[0043] W (x)=Aeiyx+Be iyx+Ceyx+De yx
[0044] 上述假定允许空间模式独立于时间地被求解出。
[0046] 将边界条件应用到棒的每一端约束了模式形状。棒的左端在位移和倾斜方面被固 定。棒的右端是自由的，不具有作用于其上的扭矩或力。
[0047]
[0048] 以上条件产生一组振动模式，该组振动模式的特征是棒在振荡期间的形状。每个 模式均具有对应于共振频率的特征形状。模式的顺序被标记为n。其中，n = 1，2,3,……
[0053]其中：
[0054] ^ != 0. 597, P 2= 1. 494, P 3= 2. 500, P n= (n-1/2)
[0055] 图1示出了弹性棒100的图示，其中n = 0表示其静止状态，并且正常横向模式为 n= 1，2, 3,4。弹性棒100可适于用作根据多个实施例的性刺激装置的弹性本体部件。尽管 弹性棒100被描述为无特色的圆柱，该圆柱具有平直的（squared)近端110、被倒圆的远端 115、并且长度与宽度的比例几乎为8 :1，但是在其它实施例中所使用的弹性本体可被模制 成包括各种纹理、凸起、或其它表面特征（诸如通常在被设计成用于人类生殖孔的内部和/ 或外部刺激的装置中所采用的表面特征）。类似地，其它实施方式可具有不同于弹性棒1〇〇 的比例，并且一些实施例可具有非圆形的和/或变化的横截面。虽然许多实施例可采用大 致棒形的或圆柱形的弹性本体，但是一些实施例当处于静止状态时可以是弯曲的。弹性棒 100和IOOa-IOOd还具有纵向轴线105和105a-105d(如以虚线示出的），所述纵向轴线沿 本体的长度轴线沿循（follow)横截面形心。一些实施例的宽度和/或围长可沿它们的纵 向轴线改变。
[0056] 弹性棒IOOa示出了基本的横向振动模式（n = 1)。该模式对应于棒系统的第一 共振频率。对于适合用作刺激装置的机械性能，第一共振为约12Hz。弹性棒100b、100c和 IOOd表示接下来的三个模式n = 2、3、4,其中共振分别为76Hz、212Hz、和416Hz。这示出了 横