CN101180137B - 具有摆动电动机的振动换能器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

具有摆动电动机的振动换能器

相关申请 

本申请要求以下专利申请的优先权：在2005年5月26日提交的名称为“Vibrating Transducer with Provision for Easily DifferentiatedMultiple Tactile Stimulations”的美国专利申请序列号11/138,735；以及同样在2005年5月26日提交的名称为“Tactile Rhythm Generator”的美国专利申请11/138,755。上述申请通过引用结合于此。 

本申请还通过引用结合了下述申请：在2002年11月27日提交的名称为“Tactile Rhythm Generator”的美国专利申请序列号10/306,262；以及在2003年7月29日提交的名称为“Tactile Rhythm Generator”的PCT申请序列号PCT/US03/023634。 

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设备。 

背景技术

包括与电动机一起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，申请人提出了本发明的主要目的，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；装入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、一段胶带等将衬垫包裹起来。 

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段操作电动机。 

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，触发信号通过对输入信号的滤波来区分。可以提供信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，所述脉冲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，本发明人发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，本发明人发现给所述换能器用小的、圆柱形的外壳比用平坦或矩形的外壳可以提供更明显的感觉。 

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第三便携式外壳中，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 

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合使用。 

另外，本发明的振动换能器可以被结合到婴儿褥垫、毯子或枕头中，给婴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，提供对应于其婴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婴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，尤其是根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。 

附图说明

图1以分解透视图图示了本发明的振动换能器的优选实施例。 

图2以横截面侧视图图示了图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以部分切除的透视图图示了在图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以功能框图图示了使用图1中的振动换能器的***的一个实施例。 

图7A和图7B以示意图图示了比如可以应用于(如果必要)图6的***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以电压时间图图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，或由电报装置产生的分别用于划线和点等的典型信号。 

图9A以电压时间图图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的设计中所实施的那样；图9B以电压时间图图示了在进一步通过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以电压时间图图示了在由第一阶R-C滤波器低通滤波之后的图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11A和图11B以电压时间图图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8A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起使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合使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1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被装入到刚性外壳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34一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。本发明人发现 

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毫米)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形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24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24***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。一旦被***，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被泡沫衬垫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。另外，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被人体触觉感知到。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刺激的应用，比如摩尔斯码或其它信号***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***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使用振动换能器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，所述脉冲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，接受与所述脉冲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认识到，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放大器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0.022μF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的包络信号通过输入放大器43，该输入放大器43包括在C类操作中被配置为公共射极放大器的2N3904NPN BJT晶体管Q1。选择47kΩ的电阻器R2来限制通过晶体管Q1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Q1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分别包括被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CMOS定时器U1的输出定时电路包括68kΩ的电阻器R5和0.22μF的电容器C4，以便在CMOS定时器U1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100kΩ的电阻器R6和0.47μF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Q1集电极的放大的包络信号，即来自输入放大器43的输出被“原样”传送到第一CMOS定时器U1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，通过第一阶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2.2μF的电容器和5.8kΩ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U1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OR电路结合。以此方式，在第一二极管D3的阳极处出现来自第一信号发生器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“50，到振动换能器20的电动机24的电源线插口27可以***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22Ω电阻器R8，其通过选择单极单掷开关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22Ω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10μF电解电容器C1，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C1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1kΩ限流电阻器R1与发光二极管(“LED”)D1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***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”脉冲列，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。此后一脉冲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的脉冲列将以期望的模式在端子J1-1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操作)，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，其表示在形成输入放大器43的晶体管Q1的集电极处的电压波形，输入放大器43的输出是一系列大体为方形的脉冲。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U1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U1，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10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11B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OR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：V_10ms-停顿-V_10ms-停顿-V_10ms-停顿-V_10ms-停顿-V_10ms-停顿-V_40ms，其表示“短-长-短-短-短-长”模式的输入信号中的一系列40毫秒持续时间和10毫秒持续时间的电压脉冲。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毫秒，断开，接通40毫秒，断开，接通10毫秒，断开，接通10毫秒，断开，接通10毫秒，断开，然后接通40毫秒。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图示了与便携式个人通信、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***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、信息或娱乐设备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奏振动。 

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反馈。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52一般包括控制器57，以及相关联的只读存储器13、非易失性随机存取存储器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，非易失性随机存取存储器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机存取存储器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的非易失性随机存取存储器14中，所述编程接口19可以包括台式或膝上型计算机、键盘和显示***、USB端口、无线接口、PDA、按钮或拨号盘或任何其它基本等效的***。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 PuttingBible”(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，位置很近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，而不会互相干扰。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设备。 

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10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近跳高时他或她的加速脚步进行定时。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20一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按钮、程序模式按钮65、脉冲强度选择按钮66、脉冲持续时间按钮67、和下一脉冲按钮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冲的数量、当前脉冲的强度和当前脉冲的持续时间的数字读出。用户按下程序模式按钮65至少两秒钟来编程新的脉冲模式或修改先前存储的脉冲模式。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)。利用下一脉冲按钮68，该用户前进到模式中的下一个脉冲，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，用户再次选择程序模式按钮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。通过选择程序模式按钮65，然后选择节奏按钮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，运动训练设备71可以包括接口(未图示)，比如USB连接或无线蓝牙或红外连接，用于将此设备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冲模式方面会尤其有用。为此，运动训练设备71装配有开关69，其使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冲模式的图形读出。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上的小圆柱体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、泡沫或橡胶。该夹76被设计成装在传统带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，以便于振动通过用户的骨头传导。线74将换能器连接到便携式个人通信、信息或娱乐设备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***80。在一个实施例中，生物反馈***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，或者可替选地围着婴儿胸部、腰部、手臂或腿的带子(未图示)中，或者进一步可替 选地婴儿的衣服(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。这可以对婴儿94产生镇静作用，帮助婴儿94的夜间睡眠。 

在另一实施例中，生物反馈***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***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收发器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***80还适于向父母95提供对应于婴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来感测该婴儿的心跳或呼吸。与振动换能器93一样，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，或置于婴儿的衣服(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到无线发射器或收发器86，在此处将其通过无线信号传送到无线接收器或收发器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反馈***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***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可以被调整以检测鼾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，例如包括语言病理治疗、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。 

Claims (23)

1.一种用于产生触觉刺激的振动换能器设备(20)，所述振动换能器设备(20)包括具有轴(30)的电动机(24)；封装所述电动机(24)的刚性外壳(21)；以及附着到所述电动机轴(30)的偏心锤(29)；所述振动换能器(20)的特征在于：

电动机装配装置(34)以这样的方式在所述刚性外壳(21)内支持所述电动机(24)，所述方式适于使所述电动机(24)在被激励时在所述刚性外壳(21)内摆动，使得所述偏心锤(29)沿椭圆路径运行。

2.如权利要求1所述的振动换能器设备(20)，其特征还在于，所述刚性外壳(21)包括总体上为圆柱形的管(75)。

3.如权利要求2所述的振动换能器设备(20)，还包括用于向所述电动机(24)供电的电源(51)；以及将所述电源(51)连接到所述电动机(24)的电缆(74)，所述振动换能器的特征还在于：第二外壳(53)封装所述电源(51)，其中所述第二外壳(53)与封装所述电动机(24)的所述刚性外壳(21)不同且与所述刚性外壳(21)没有固定关系。

4.如权利要求3所述的振动换能器设备(20)，其特征还在于，夹子(76)连接到所述振动换能器，所述夹子(76)适于将所述振动换能器可移除地附着到传统带(77)。

5.如权利要求1所述的振动换能器设备(20)，其特征还在于，提供数字输入设备(19)和控制器(57)，以便根据所编程的节奏激励所述电动机(24)。

6.如权利要求5所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述控制器(57)适于激励所述电动机(24)以生成多个容易区分的触觉刺激。

7.如权利要求5所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述数字输入设备(19)和控制器(57)包括运动训练设备(71)。

8.如权利要求5所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述数字输入设备(19)和控制器(57)包括高尔夫挥杆训练设备(71)。

9.如权利要求7所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述运动训练设备与封装所述电动机(24)的所述刚性外壳(21)不同且与所述刚性外壳(21)没有固定关系。

10.如权利要求1所述的振动换能器设备(20)，还包括控制器(84，87)，该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(24)。

11.如权利要求1所述的振动换能器设备(20)，还包括控制器(84，87)，该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(24)。

12.如权利要求11所述的振动换能器设备(20)，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跳。

13.如权利要求12所述的振动换能器设备(20)，其中所述刚性外壳(21)被装入以下组中的其中一个：

儿童床褥垫(93)；

毯子(93)；

枕头(93)；以及

服装。

14.如权利要求10所述的振动换能器设备(20)，还包括：

测量人的心跳的监测器(88)；以及

无线通信***(83，86)，其将所述监测器连接到所述控制器(84，87)；从而所述控制器(84，87)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(24)。

15.一种用于产生多个容易区别的触觉刺激的振动换能器设备(20)，所述振动换能器设备(20)包括：具有轴(30)的电动机(24)；封装所述电动机(24)的刚性外壳(21)；以及附着到所述电动机轴(30)的偏心锤(29)；所述振动换能器装置(20)的特征在于：

容易压缩但有弹性的泡沫衬垫(35)在所述刚性外壳(21)内环绕所述电动机(24)，所述泡沫衬垫(35)适于使所述电动机(24)在被加电时在所述刚性外壳(21)内摆动，使得所述偏心锤(29)沿椭圆路径运行。

16.如权利要求15所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述刚性外壳包括总体上为圆柱形的管(75)。

17.如权利要求16所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述泡沫衬垫(35)被固定片(37)包裹。

18.如权利要求15所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，还包括用于促进所述电动机(24)的操作的驱动电路(40)。

19.如权利要求18所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述驱动电路(40)包括多个定时子电路(45，46)。

20.如权利要求19所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，每个所述定时子电路(45，46)适于在不同的时间段操作所述电动机(24)。

21.如权利要求20所述的振动换能器设备(20)，其特征还在于：

每个定时子电路(45，46)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而被区别开。

22.如权利要求21所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，提供了数字信号发生器(39)，其用于产生所述输入信号。

23.如权利要求22所述的振动换能器设备(20)，其特征在于，所述信号发生器(39)适于产生具有不同持续时间的脉冲列。

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