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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf einen vibrierenden Aktor für zahlreiche verschiedene Anwendungen – bspw. als vibrotaktiler Miniatur-Aktor für die hochauflösende haptische Wiedergabe zur Schaffung immersiver Erlebnisse bei Videos, Spielen, Musik und anderen immersiven Erlebnissen.
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Hintergrund und Stand der Technik
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Der größte Teil der Musik, die wir traditionell hören, lässt sich als eine Menge komplexer Signale betrachten, die sich aus der Addition mehrerer Signale ergeben – bspw. als Mischung von Musiksignalen mehrerer Instrumente oder Stimmen. Mit der Möglichkeit, Klänge – insbesondere komplexe Musiksignale – elektronisch aufzunehmen und wiederzugeben, wird ein weiterer Aspekt wichtig, nämlich die Umwandlung elektrischer Signale in Schallwellen, die der Hörer bei deren Wiedergabe wahrnimmt. Um das Problem der Verzerrung bei der Wiedergabe abzuschwächen, offenbart die
US 3,118,022 A einen elektroakustischen Wandler mit zwei leitfähigen Elementen, einer Membran, die Elektret und leitfähige Materialien aufweist und zwischen den beiden leitfähigen Elementen gehaltert ist, und einer Mechanik zum Herstellen der elektrischen Verbindung zur Membran und den beiden leitfähigen Elementen.
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Andererseits ist die gekoppelte Wahrnehmung von Schall bzw. Klängen und Vibrationen ein bekanntes Phänomen. Schall ist eine mechanische Welle, die sich durch ein komprimierbares Medium wie ein Gas (Luftschall) oder durch Feststoffe (Körperschall) fortpflanzt, wobei die akustische Energie durch schwingende Moleküle transportiert und von schwingenden Härchenzellen in der Cochlea des Hörers empfangen wird. Eine Vibration ist andererseits ein mechanischer Reiz, der kleinere oder größere Teile des Körpers des Hörers über eine Kontaktfläche erregt. Der gekoppelten Wahrnehmung von Schall bzw. Klängen und Vibrationen liegt der Umstand zu Grunde, dass das menschliche Gehirn Schall nicht nur über die Ohren, sondern auch über das Skelett empfängt – Messungen in einem Konzertsaal oder in einer Kirche bestätigen die Existenz von Ganzkörpervibrationen. Die Körperwahrnehmung tiefer Frequenzen ist besonders wichtig für das immersive Erlebnis von Live-Musik oder jedes Musik-Eindrucks, der als angenehm empfunden werden soll.
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Folglich könnte eine hochauflösende haptische Wiedergabe dazu dienen, ein immersives Erlebnis für Videos, Spiele, Musik und andere immersive Erfahrungen zu erzeugen, wo die Vibration mit kontinuierlichen hör-(oder sicht-)baren Signalen gekoppelt ist. Für eine Einrichtung, mit der sich eine hochauflösende haptische Wiedergabe erreichen lässt, gelten folgende wesentliche Anforderungen:
- 1. Ein breiter Frequenzbereich idealerweise von 20 bis 1000 Hz, damit sich über diesen Bereich qualitativ hochwertige Vibrationen insbesondere für Musik erzeugen lassen;
- 2. eine schwere bewegbare Masse für wirksame Beschleunigungen;
- 3. eine geringe Größe und insbesondere eine flache Ausführung, um die Einrichtung (auch an oder in der Kleidung des Benutzers) tragbar zu machen;
- 4. einen hohen Stromwirkungsgrad, um einen ununterbrochenen Einsatz zu ermöglichen;
- 5. ein leises Vibrieren, um Störungen des Schall- bzw. Klangerlebnisses zu vermeiden;
- 6. ein stetiges Arbeiten, um den kontinuierlichen Einsatz zu gewährleisten;
- 7. eine kostengünstige Fertigung, um die Einrichtung erschwinglich zu halten.
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Es sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, mit denen sich eine haptische Erfahrung allgemein realisieren lässt, wie etwa Exzentermotoren, die mit einer auf die Welle eines Motors aufgesetzten exzentrischen Masse arbeiten, elektroaktive Polymere, die stark piezoelektrischen Motoren ähneln, aber mit einer höheren relativen Masseauslenkung. Und vibrotaktile Aktoren der Schwingspulen- bzw. Schwingmagnet-Bauart, die normalerweise Einsatz in Industrieanwendungen finden und mit einem Schwingspulen- oder Schwingmagnet-Aktor aus zwei Teilen arbeiten, von denen einer sich bewegt und der andere ortsfest angeordnet ist.
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Die
DE 10 2015 111 527.1 der Anmelderin offenbart einen vibrierenden Aktor, umfassend einen magnetischen Teil mit Magneten, die mit einander zugewandten gleichnamigen Polen angeordnet sind; ein Hohlelement mit einem Hohlraum zur Aufnahme des magnetischen Teils und mindestens einer Spule, die auf das Hohlelement aufgewickelt und auf ihm festgelegt ist; elastische Einrichtungen, die den magnetischen Teil und das Hohlelement miteinander verbinden; und ein Chassis; wobei der magnetische Teil am Chassis mit Befestigungseinrichtungen so befestigt ist, dass der magnetische Teil, die Befestigungseinrichtungen und das Chassis ortsfest sind; und wobei der Aufnahmeteil eine geradlinige vibrierende Bewegung ausführt. Die elastischen Einrichtungen, die den magnetischen Teil und das Hohlelement miteinander verbinden, können flache elastische Membranen sein, die z. B. aus Kupferberyllium hergestellt sein können. Weiterhin kann eine magnetische Führungseinrichtung aus ferromagnetischem Werkstoff an den in Längsrichtung äußeren Enden des magnetischen Teils befestigt sein und teilweise das Hohlelement und die Spule(n) umgeben, um verlorenes Magnet an die Magneten zurückzuführen. Der vibrierende Aktor wird hergestellt durch durch Zusammensetzen der Magnete des magnetischen Teils in einer dafür vorgesehenen Vorrichtung zum Zusammensetzen unter Verwendung eines Stabs; Zusammensetzen des sich bewegenden Teils durch Aufwickeln der Spule(n) aus backlackiertem Kupferdraht auf das Hohlelement im in Längsrichtung mittleren Teil des Hohlelements; und Erwärmen der Spule(n) und des Hohlelements derart, dass die Spule(n) fest werden und sich mit dem Hohlelement verbinden; Einsetzen des magnetischen in den sich bewegenden Teil; Befestigen der Einrichtungen aus einem elastischen Werkstoff an den in Längsrichtung äußeren Enden des magnetischen Teils bzw. den äußeren Enden des Hohlelements (
4); und Befestigen des magnetischen Teils am Chassis.
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Gegenüber dem oben diskutierten Stand der Technik besteht nach wie vor Bedarf für einen verbesserten vibrierenden Aktor, der eine verbesserte Führung des sich bewegenden Teils, eine verbesserte Spannungsverteilung entlang der Membran und eine verbesserte, d. h. leichtere und kostengünstigere Montage erlaubt, die eine Vorrichtung ergibt, die unter Aufschlagkräften weniger bruchanfällig ist. Weiterhin sollte der verbesserte vibrierende Aktor sowohl in einer ”invertierten” Anordnung arbeiten, wie er in der
DE 10 2015 111 527.1 der Anmelderin offenbart ist, als auch in einer Standard-Anordnung, bei der der aufnehmende Teil ortsfest bleibt und sich der magnetische Teil bewegt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt den vibrierenden Aktor im Schnitt;
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2 zeigt eine Draufsicht der Membran;
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3 zeigt den vibrierenden Aktor mit montierter Membran in einer Seitenansicht;
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4 zeigt den Magnetrahmen in einer Schrägansicht;
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5A zeigt eine Schrägansicht des Magnetrahmens und der drei Magnete vor der Montage;
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5B zeigt die Anordnung der 5A mit den in den Magnetrahmen eingesetzten beiden äußeren Magnete;
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5C zeigt die Anordnung der 5B mit dem zwischen die beiden äußeren Magnete in den Magnetrahmen eingesetzten mittigen Magnet;
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5D zeigt die Anordnung der 5C in einer Draufsicht;
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6 zeigt den Hohlelement-Montagestab in einer Draufsicht;
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7A zeigt in einer Schrägansicht den Hohlelement-Montagestab, die beiden Hohlelement-Montageenden, die beiden Spule-Membran-Trennstücke, die beiden Spulenelemente und den Abstandhalter vor der Montage;
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7B zeigt die Anordnung der 7A, wobei das erste Hohlelement-Montageendstück auf den Hohlelement-Montagestab aufgesetzt ist;
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7C zeigt die Anordnung der 7B, wobei das erste Spule-Membran-Trennstück auf den Hohlelement-Montagestab auf dem ersten Hohlelement-Montageendstück aufgesetzt ist;
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7D zeigt die Anordnung der 7C, wobei das erste Spulenelement auf den Hohlelement-Montagestab auf dem ersten Spule-Membran-Trennstück aufgesetzt ist;
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7E zeigt die Anordnung der 7D, wobei der Abstandhalter auf das erste Spulenelement auf dem Hohlelement-Montagestab aufgesetzt ist;
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7F zeigt die Anordnung der 7E, wobei nun das zweite Spulenelement auf den Abstandhalter auf dem Hohlelement-Montagestab aufgesetzt ist;
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7G zeigt die Anordnung der 7E, wobei das zweite Spule-Membran-Trennstück auf das zweite Spulenelement auf dem Hohlelement-Montagestab aufgesetzt ist;
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7H zeigt die Anordnung der 7G, wobei nun das zweite Hohlelement-Montageendstück auf das zweite Spule-Membran-Trennstück auf dem Hohlelement-Montagestab aufgesetzt ist;
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8A zeigt das Hohlelement, die Magnetanordnung, die beiden Membranen und die Einrichtung zum Festlegen der Membranen außen an der Magnetanordnung und am Hohlelement zusammengefügt vor der Montage;
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8B zeigt die Anordnung der 8A, wobei nun die Magnetanordnung in das Hohlelement eingesetzt ist; und
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8C zeigt die Anordnung nach 8B, wobei nun die Membranen mittels Befestigungsmitteln außen auf die Magnetanordnung und das Hohlelement aufgesetzt sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein flacher vibrierender Aktor, der eine verbesserte Führung des sich bewegenden Teils, eine bessere Spannungsverteilung entlang der Membran und eine verbesserte – d. h. leichtere und kostengünstigere – Montage zulässt; man erhält damit eine unter Stoßkräften weniger bruchanfällige Vorrichtung, deren Beschleunigung und Resonanzfrequenz erhalten bleiben.
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Die vorliegende Erfindung stellt einen vibrierenden Aktor bereit, umfassend: eine Magnetanordnung, die mindestens einen Magneten enthält; ein Hohlelement mit mindestens einem Spulenelement mit einer Spule, die in Querrichtung einen Hohlraum umgibt, der einen Längskanal zur Aufnahme der Magnetanordnung bildet und eine Relativ-Längsbewegung zwischen dem Hohlelement und der Magnetanordnung erlaubt; und elastische Einrichtungen, die die Magnetanordnung mit dem Hohlelement verbinden; wobei es sich bei den elastischen Einrichtungen um dünne Membranen länglicher Gestalt handelt, die entlang ihrer gegenüber liegenden langen Seiten querliegende Einschnürungen enthalten.
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Nach einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen vibrierenden Aktor bereit, umfassend: eine Magnetanordnung, die mindestens zwei Magnete aufweist; ein Hohlelement mit mindestens einem Spulenelement mit einer Spule, die einen Hohlraum in Querrichtung umgibt, der einen Längskanal zur Aufnahme der Magnetanordnung bildet und eine Relativ-Längsbewegung zwischen dem Hohlelement und der Magnetanordnung erlaubt; und elastische Einrichtungen, die die Magnetanordnung mit dem Hohlelement verbinden; wobei die mindestens zwei Magnete mit einander zugewandten gleichnamigen Polen in einem Rahmen angeordnet sind, der die Magnete mindestens teilweise umgibt.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Montage der Magnetanordnung eines vibrierenden Aktors mit den folgenden Schritten bereit: Aufsetzen eines Magnetrahmens auf eine tragende Fläche; Einsetzen von mindestens zwei Magneten in den Magnetrahmen und Verkleben der Magnete mit dem Magnetrahmen und mit einander.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zum Montieren des Hohlelements eines vibrierenden Aktors mit folgenden Schritten bereit: Bereitstellen von mindestens zwei Spulenelementen jeweils mit einer Spule, die einen Hohlraum in Querrichtung umgibt, der einen Längskanal bildet, und mindestens einem Abstandelement mit einem Hohlraum der gleichen Form wie der Hohlraum der mindestens zwei Spulenelemente; Bereitstellen von einem Hohlelement-Montagestab, der so dimensioniert ist, dass er die Hohlräumeder mindestens zwei Spulenelemente und des mindestens einen Abstandelements in verschiedenen Bereichen berührt, sodass die mindestens zwei Spulenelemente und das mindestens eine Abstandelement sich nicht quer zum Stab bewegen können; Bereitstellen von zwei Hohlelement-Montageendstücken mit einem Hohlraum zum Aufnehmen des Hohlelement-Montagestabs, sodass die Hohlelement-Montageendstücke sich nicht quer zum Stab bewegen können; Aufsetzen des ersten Hohlelement-Montageendstücks, des ersten der mindestens zwei Spulenelemente, des mindestens einen Abstandelements, des zweiten der mindestens zwei Spulenelemente und des zweiten Hohlelement-Montageendstücks in dieser Reihenfolge auf den Hohlelement-Montagestab mit Klebstoff zwischen den von den Hohlelement-Montageendstücken eingeschlossenen Elementen; Zusammenpresen des ersten und des zweiten Hohlelement-Montageendstücks; Abnehmen des zweiten Hohlelement-Montageendstücks vom Hohlelement-Montagestab; und Abnehmen des Hohlelements mit dem mindestens einen Abstandhalter und dem ersten und dem zweiten Spulenelement vom Hohlelement-Montagestab.
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Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Montage eines vibrierenden Aktors mit folgenden Schritten bereit: Einsetzen der wie oben angegeben montierten Magnetanordnung in das wie oben angegeben montierte Hohlelement; Befestigen elastischer Einrichtungen, die die Magnetanordnung mit dem Hohlelement verbinden, mittels Befestigungsmitteln an beiden Längsaußenenden.
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Weitere vorteilhafte Merkmale sind der Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.
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In der vorliegenden Anmeldung bedeutet ”Längs-” in Richtung der gradlinigen Bewegung des sich bewegenden Teils des Aktors; folglich bezeichnet ”Quer-” in einer Richtung in der zur Längsrichtung rechtwinkligen Ebene. Der Ausdruck ”lang” im Zusammenhang mit den länglichen Membranen bezeichnet demgegenüber die längeren Seiten der Membranen im Gegensatz zu deren kürzeren Seiten.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen vibrierenden Aktor für verschiedene Anwendungen. In einer beispielhaften Anwendung ist ein vibrotaktiler Schwingspulen- oder Schwingmagnet-Aktor für die hochauflösende haptische Rückkopplung zum Erzeugen immersiver Eindrücke in Video-, Spiel- und Musikanwendungen und anderen immersiven Erlebnissen über einen Verstärker wie bspw. einen Lautsprecher und über ein zusätzliches Tiefpassfilter an ein Audio-Gerät angeschlossen, um den Audio-Frequenzbereich auf den taktil wahrnehmbaren Bereich der Haut zu begrenzen. Der Aktor lässt sich wie ein Armband am Handgelenk oder einem anderen Körperteil des Benutzers tragen.
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Die allgemeine Anordnung einer bevorzugten Ausführungsform des Aktors ist in der 1 gezeigt. Erfindungsgemäß weist der Aktor eine Magnetanordnung aus drei Magneten 1 und einem Rahmen 8 auf, der die Magnete 1 mindestens teilweise umgibt, wobei die Magnetanordnung in ein Hohlelement 4 eingesetzt ist, das zwei Spulenelemente 2, einen Abstandhalter 3 zwischen den Spulenelementen 2 und zwei Spule-Membran-Trennstücke 7 an den in Längsrichtung äußeren Enden des Hohlelements aufweist und so die Spulenelemente 2 von den Längsaußenenden des Hohlelements 4 einschließt. Die Elemente 2, 3, und 7 des Hohlelements enthalten jeweils einen inneren Hohlraum 5 einer für alle Elemente gleichen Gestalt in Querrichtung. In jedem Spulenelement 2 umschließt eine Spule dessen Hohlraum 5 in Querrichtung. In der bevorzugten Ausführungsform besteht der sich bewegende Teil, der die gradlinige Vibrationsbewegung ausführt, aus der Magnetanordnung mit den Magneten 1 und dem Rahmen 8, während das Hohlelement 4 mit den Spulenelementen 2, dem Abstandhalter 3 und den beiden Spule-Membran-Trennstücken 7 an einem Chassis (nicht gezeigt) befestigt und ortsfest ist. Durchfließt ein Wechselstrom die Spulen, erfolgt eine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld der Magnete 1, und es entsteht eine mechanische Kraft abwechselnder Richtung, die auf den sich bewegenden Teil, der die magnetische Anordnung umfasst, wirkt – was dazu führt, dass der sich bewegende Teil eine gradlinige Bewegung abwechselnder Richtung und folglich die Vibrationen ausführt.
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Die drei Magnete 1 der Magnetanordnung sind innerhalb des Magnetrahmens 8 angeordnet, in dem die Magnete mit gleichnamigen Polen einander zugewandt, d. h. N-Pol an N-Pol und S-Pol an S-Pol, liegen, um in der Ebene zwischen ihnen ein stark konzentriertes Magnetfeld zu erzeugen. Der Magnetrahmen 8 ist unten ausführlicher beschrieben.
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Das Hohlelement 4 ist der Magnetanordnung entsprechend geformt, so dass der Spalt zwischen den Spulen und den Magneten 1 verhältnismäßig schmal ist, um Verluste an magnetischer Kraft zu vermindern. Bspw. sollten der Hohlraum 5 jedes Elements 2, 3 und 7 des Hohlelements 4 sowie dessen äußerer Umriss flach und langgestreckt sein, wenn die Magnetanordnung aus den Magneten 1 und dem Rahmen 8 flach und langgestreckt ist; desgl. sollten die Innenräume 5 und die Magnete des Hohlelements 4 zylindrisch und langgestreckt sein, wenn die Magnetanordnung zylindrisch und langgestreckt ist – natürlich muss zwischen der Magnetanordnung und den die Innenräume 2, 3 und 7 des Hohlelements 4 umschließenden Innenflächen ein gewisser Abstand vorliegen, damit sich die Magnetanordnung in den Innenräumen bewegen kann. Das Hohlelement 4 ist am Chassis befestigt, bei dem es sich um ein vom Benutzer getragenes Armband oder mindestens ein Gehäuse handeln kann, das sowohl den Aktor als auch weitere Elektronik aufnimmt. Bei der Befestigung kann es sich um bspw. eine Clip-Ansteckbefestigung handeln, die gewährleistet, dass das Hohlelement 4 ortsfest bleibt (weil sie am Chassis festgelegt ist) und die Position der Spulen beibehält. Entsprechend weist der ortsfeste Teil die Spulenelemente 2, den Abstandhalter 3 und die Spule-Membran-Trennstücke 7 auf. Im Ruhezustand des Aktors umgeben die beiden Spulenelemente 2 in Querrichtung mindestens die zwei Bereiche, in denen die gleichnamigen Pole der Magnete 1 einander zugewandt sind (vergl. oben), nicht aber die gesamte Länge der Anordnung der Magnete 1, was durch den Abstandhalter 3 zwischen den Spulenelementen 2 erreicht wird. Bevorzugt ist jeweils ein Spulenelement 2 pro Bereich vorgesehen, wo die beiden Magnete 1 mit gleichnamigen Polen einander zugewandt sind; in den Ausführungsformen nach 1 liegen also drei Magnete 1 und zwei Spulenelemente 2 vor.
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Die gradlinige Bewegung des sich bewegenden Teils erfolgt entlang der Längsachse des Aktors (d. h. der Längsachse der Magnetanordnung aus dem Magnetrahmen 8 mit eingesetzten Magneten und dem Hohlelement 5 mit den Spulenelementen 2). Die Enden des langgestreckten Hohlelements 4 sind jeweils offen (so dass die Elemente 2, 3 und 7, die das Hohlelement 4 bilden, ein Rohr bilden), damit sich zwei elastische Elemente 6 an beide Spule-Membran-Trennstücke 7 und die Längsaußenenden des Magnetrahmens 8 auf beiden Längsaußenenden des Aktors ansetzen lassen. Das Festlegen der elastischen Elemente 6 lässt sich durch Klebstoff, Nieten oder Schrauben 9 erreichen; sind die Spule-Membran-Trennstücke 7 fortgelassen, werden die elastischen Elemente 6 direkt an die Spulenelemente 2 angesetzt. Die elastischen Elemente 6 erlauben dem sich bewegenden magnetischen Teil, seine Längs-Hin-und-Her-Bewegung auszuführen, ohne auf den ortsfesten Teil, d. h. das Hohlelement 4 und das Chassis aufzuschlagen.
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Der Aktor kann jedoch auch in einer ”invertierten” Anordnung vorliegen, wie in der
DE 10 2015 111 527.1 der Anmelderin offenbart, in der das Hohlelement
4 mit den Spulen der sich bewegende und die Magnetanordnung der ortsfeste Teil sind, der mit dem Chassis verbunden ist – bspw. über Verbindungselemente, die sich durch Schlitze im Hohlelement
4 erstrecken. Die neuartige erfindungsgemäße Membran
6, die Magnetanordnung aus dem Magnetrahmen
8 und das Fertigungsverfahren für den bzw. Teile des Aktors sowie die daraus resultierenden vorteilhaften Auswirkungen – die alle weiter unten ausführlicher diskutiert sind – werden von der Wahl des sich bewegenden und des ortsfesten Teils nicht beeinflusst, d. h. ob sich die Magnetanordnung bewegt und das Hohlelement mit den Spulen ortsfest ist oder umgekehrt. Auch die Anzahl der Magnete
1 oder die Reihenfolge ihrer Polarität oder das Vorhandensein des Abstandhalters
3 und/oder der Spule-Membran-Trennstücke
7 sind nicht wesentlich für die neuartige erfindungsgemäße Membran
6 und deren vorteilhafte Auswirkungen; selbst eine Minimalanordnung ist möglich, in der die Membranen
6 nur mit einem Magnet verbunden sind und ein Spulenelement
2 eine Spule aufweist, die den Magnet
1 mindestens teilweise umgibt. Angesichts des erfindungsgemäßen Magnetrahmens
8 und des Fertigungsverfahrens für den Aktor bzw. Teile desselben sowie auch der resultierenden vorteilhaften Auswirkungen sollte die Magnetanordnung mindestens zwei Magnete
1 mit einander zugewandten gleichen Polaritäten und umfassen und das Hohlelement sollte mindestens zwei Spulenelemente
2 und einen Abstandhalter
3 aufweisen. Im Folgenden dient die bevorzugte Ausführungsform des Aktors der
1 mit drei Magneten
1, die mit einander zugewandten gleichnamigen Polen angeordnet sind, wobei die Magnetanordnung der sich bewegende Teil ist, zur Darstellung der neuartigen erfindungsgemäßen Membranen
6, des Magnetrahmens
8 und des Fertigungsverfahrens. Diese spezielle Ausführungsform sollte jedoch nicht als den Umfang der erfindungsgemäßen Membranen
6, der Magnetanordnung mit dem Magnetrahmen
8 und des Fertigungsverfahrens für den Aktor bzw. Teile desselben begrenzend aufgefasst werden.
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Membran
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Um eine ausreichende Bewegung des sich bewegenden Teils (d. h. in der Ausführungsform der
1 der Magnetanordnung) zu ermöglichen, so dass man eine kräftige Vibration erhält, müssen die elastischen Elemente
6 äußerst biegsam sein. Gleichzeitig sollten die elastischen Elemente
6 verhältnismäßig wenig Raum beanspruchen, wenn der Aktor tragbar bzw. vom Benutzer am Körper mit sich führbar sein soll. Wie die
DE 10 015 111 527.1 der Anmelderin offenbart, scheinen ausreichend dünne elastische Membranen
6 aus Kupferberyllium für diesen Zweck ideal zu sein, da die Ausrichtung des sich bewegenden und des ortsfesten Teils des Aktors bei Metallmembranen weit genauer erreichbar ist als mit Druckfedern oder nichtmetallischen Membranen, was dazu führt, dass der sich bewegende Teil beim Durchlaufen seiner Bewegungsbahn während des Schwingens weit präziser geführt wird – bei einem Werkstoff wie Gummi wackelt der sich bewegende Teil in sich und durchlauft seine Bewegungsbahn so, dass er und der ortsfeste Teil aneinanderschlagen, was zu Geräusch und Reibung führt, in deren Folge die Wirksamkeit des Aktors sinkt.
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Längere Leistungstests haben gezeigt, dass Kupferberyllium als Membranwerkstoff die weiteren Vorteile einer hohen Formfestigkeit und eines höheren dynamischen Ermüdungswiderstands bietet. Die Tests haben jedoch auch gezeigt, dass selbst diese Membranen unter den auf ihnen lastenden Spannungen aufgrund der kräftigen Vibrationsbewegung des magnetischen Teils im Verhalten nachlassen oder sogar zu brechen neigen. Die vorliegende Erfindung entwickelt daher die Membrankonstruktion weiter durch eine neuartige, spezielle Gestaltung der Membranen 6, die den sich bewegenden mit dem ortsfesten Teil des Aktors verbinden. Die erfindungsgemäßen Membranen 6 sind ausführlicher in den 2 und 3 gezeigt. An einem Ende sind sie an den Spule-Membran-Trennstücken 7 des Hohlelements, am anderen Ende an der Magnetanordnung, d. h. dem Magnetrahmen 8, über Niete, Schrauben 9 od. dergl. befestigt, um diese beiden Aktorteile elastisch relativ zueinander bewegbar miteinander zu verbinden. Wären, wie oben erwähnt, keine Spule-Membran-Trennstücke 7 vorgesehen, könnten die Membranen 6 mit den Spulenelementen 2 direkt verbunden sein. Die erfindungsgemäßen Membranen 6 haben eine allgemein längliche Gestalt, wobei die einander gegenüberliegenden langen Seiten Einschnürungen oder Ausnehmungen 10 enthalten, die der Membran 6 eine knochenartige Gestalt verleihen. In den 2 und 3 sind diese Ausnehmungen konkav, aber andere Formen wie Vielecke (bzw. Dreiecke, Rechtecke und Vielecke höherer Ordnung) sind ebenfalls möglich. Mit diesen Ausnehmungen 10 in den gegenüberliegenden Seiten hat die Membran 6 eine weit bessere Spannungsverteilung als bekannte Membranen (im Prinzip ließe sich eine bessere Spannungsverteilung auch mit Dickheitsgradienten erreichen, die fertigungstechnisch jedoch sehr schwierig erreichbar sind). Eine mehr oder weniger rechteckige Membran ohne Ausnehmungen zeigt bspw. nahe den Ansetzpunkten an den äußeren Enden eine höhere Spannungskonzentration, wenn eine Kraft in Richtung ihrer Dicke ausgeübt wird – was der Fall ist, wenn der Aktor schwingt, d. h. wenn sich der sich bewegende Teil in Längsrichtung relativ zum ortsfesten Teil bewegt und die Membran sich in Richtung ihrer Dicke (vergleichbar einem Träger) ausbiegt. Diese hohe Spannungskonzentration der Membran in den Ansetzbereichen an der Magnetanordnung und am Hohlelement kann im stetigen Betrieb leicht zu einem Membranriss führen. Im Gegensatz zeigt die erfindungsgemäße Membran 6 mit den Ausnehmungen entlang den gegenüber liegenden Längsseiten, wenn gebogen, eine verhältnismäßig gleichmäßige Spannungsverteilung über die gesamte Länge, so dass ihr Ermüdungswiderstand erheblich höher und in Folge der Vermeidung hoher Spannungskonzentrationen in bestimmten Bereichen eine längere Nutzungsdauer möglich ist. Die gekrümmten Ausnehmungen führen in jedem Querschnitt der Membran 6 zu einer Breite, die zur angelegten Spannung proportional ist. Ein mit hoher Spannung belasteter Querschnitt ist (in Querrichtung) breiter, während ein Querschnitt unter niedriger Spannung schmaler ist (d. h. eine kleinere Breite in Querrichtung hat).
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Die erfindungsgemäße Membran ist insbesondere ideal für flache rechteckige Aktoren, die bevorzugt sind für Anwendungen, in denen einen geringe Größe zählt – bspw. wenn der Aktor am Handgelenk wie ein Armband oder an einem anderen Körperteil des Benutzers getragen wird. Im Fall einer rechteckigen Magnetanordnung stellt es eine Herausforderung dar, die sich bewegende Magnetanordnung aus den Magneten 1 reibungsfrei im Hohlelement 4 mit den Spulen zu führen. Reibung erzeugt Geräusche und ist daher besonders unerwünscht in Vorrichtungen, mit denen Musikeindrücke u. dergl. vertieft werden sollen. Schon eine geringfügige Drehung der Magnetanordnung um ihre Längsachse führt zu Reibung zwischen der sich bewegenden Magnetanordnung und dem Hohlelement 4. In Folge ihrer gleichmäßigen Spannungsverteilung erlaubt die erfindungsgemäße Membran eine starke Auslenkung und gleichzeitig eine präzise Längsführung des sich bewegenden Teils.
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Magnetrahmen
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In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Magnetrahmen 8 bereit, der die Magnete 1 mindestens teilweise umgibt. Wie oben erläutert, können in Aktoren des Schwingmagnettyps mehrere Magnete 1 mit einander zugewandten gleichnamigen Polen angeordnet werden, um ein hochkonzentriertes Magnetfeld in der mindestens einen Spule bzw. dem einen Spulenelement 2 zu ermöglichen. Jedoch ist die Montage starker Magnete mit einander zugewandten gleichnamigen Polen in Folge der starken Abstoßung an den Magnetpolen sehr schwierig. In der Ausführungsform der 4 hat der Magnetrahmen 8 eine trapezförmige Gestalt (andere Formen wie bspw. rechteckig als Grundform sind ebenfalls möglich) und umschließt die Magnete 1 wie ein Rahmen, d. h. so dass zwei gegenüberliegende Seiten der Magnetanordnung offen sind. Im Ergebnis können auf diesen offenen Seiten die Magnete 1 näher an den Spulen liegen, so dass eine flache Konstruktion des Aktors möglich wird. Der Rahmen lässt sich aus einem beliebigen steifen Werkstoff herstellen, der geeignet ist, den hohen Abstoßungskräften der Magnete 1 zu widerstehen. Der Frequenzgang des Aktors lässt sich durch die Wahl des Materials einstellen. Das Material sollte jedoch nicht magnetisch sein, um zu vermeiden, dass das Magnetfeld teilweise abgeleitet wird.
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Die Montage der Magnetanordnung durch aufeinanderfolgendes Einsetzen der Magnete 1 in den Rahmen 8 ist weiter unten ausführlicher beschrieben. Der Magnetrahmen 8 verringert den Material- bzw. Teile-Aufwand und macht die Montage einfacher und kostengünstiger: Anstelle der Notwendigkeit, einen teuren Klebstoff und speziell geformte Magnete zu verwenden, erlaubt der Magnetrahmen 8 die Verwendung eines handelsüblichen Klebstoffs und leicht erhältlicher Magnete in Standardformaten. Nach dem Verkleben hält der Metallrahmen die Magnete zusammen und wirkt auch als Schnittstelle zwischen den Magneten 1 und den Membranen 6, wie bereits zu den Membranen 6 oben beschrieben. Ein Verkleben der Magnete ohne den Rahmen 8 würde die Fugen zwischen den Magneten 1 unter Spannung belassen – da Klebstoffe typischerweise unter Spannungsbelastung schwach sind, besteht ein hohes Risiko von Fugenrissen unter Stößen oder Kollisionen. Mit dem Magnetrahmen 8 ist die Rissgefahr bei Stoßbeaufschlagung der Anordnung signifikant verringert. Ist die Magnetanordnung aus den Magneten 1 und dem Rahmen 8 der sich bewegende Teil, addiert sich der Rahmen 8 zur Masse und kann so zum Einstellen der Resonanzfrequenz dienen.
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Fertigung
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Die Fertigung des erfindungsgemäßen Aktors lässt sich in drei getrennte Teile unterteilen, nämlich das Zusammensetzen (i) der Magnetanordnung mit den Magneten 1, (ii) des Hohlelements 4 mit den Spulen und (iii) des Aktors insgesamt.
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(i) Zusammensetzen der Magnetanordnung
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Die 5A–5D zeigen die Montage der Magnetanordnung nach der bevorzugten Ausführungsform der 1, wobei drei Magnete 1 nacheinander in den Magnetrahmen eingesetzt werden. Dieser Zusammenbau weist folgende Schritte auf:
- – Aufsetzen eines Magnetrahmens 8 auf eine tragende Fläche,
- – Einsetzen von mindestens zwei Magneten 1 in den Magnetahmen 8 und Verkleben der Magneten mit dem Magnetrahmen 8 und mit einander.
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Weist die bevorzugte Ausführungsform nach 1 und 5A–5D drei Magnete auf, beinhaltet der Schritt des Einsetzens der Magnete 1 in den Magnetrahmen 8 und des Verklebens derselben mit dem Magnetrahmen 8 und mit einander folgendes:
- – Einsetzen der beiden in Längsrichtung äußeren Magnete 1 in den Magnet rahmen 8 und Verkleben derselben mit dem Magnetrahmen an ihren Längsaußenenden und
- – Einsetzen des mittleren Magneten 1 in den Magnetrahmen 8 zwischen den beiden in Längsrichtung äußeren Magneten 1 und Verkleben des mittleren Magneten 1 mit den äußeren Magneten 1.
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(ii) Montage des Hohlelements
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Die 6A zeigt eine Draufsicht eines Hohlelement-Montagestabs 11, die 6B den Stab 11 mit dem Hohlelement 4 nach der bevorzugten Ausführungsform der 1, d. h. mit zwei Spulenelementen 2, einem Abstandhalter 3 und zwei Spule-Membran-Trennstücken 7 als Explosionsansicht. Wie ersichtlich, liegt der Stab 11 an den die Hohlräume 5 der Elemente 2, 3 und 7 des Hohlelements 4 umschließenden Wänden in sechs Bereichen an, nämlich in der Mitte jeder kurzen inneren Wand und an zwei Stellen an jeder langen inneren Wand. Auf diese Weise kann sich keines der Elemente 2, 3 und 7 des Hohlelements 4 quer zum Stab 11 bewegen, sondern nur in dessen Längsrichtung. Für den Stab 11 sind auch andere Formen möglich, bspw. eine Form ähnlich den Innenräumen 5 der Elemente 2, 3 und 7 des Hohlelements 4. Die 7A–7H zeigen den Zusammenbau dieses Hohlelements. Der allgemeine erfindungsgemäße Zusammenbau umfast die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen von mindestens zwei Spulenelementen 2 jeweils mit einer Spule, die einen Hohlraum 5 in Querrichtung umgibt, der einen Längskanal bildet, und mindestens einem Abstandelement 3 mit einem Hohlraum 5 der gleichen Form wie der Hohlraum 5 der mindestens zwei Spulenelemente 2;
- – Bereitstellen von einem Hohlelement-Montagestab 11 der so dimensioniert ist, dass er die Hohlräume 5 der mindestens zwei Spulenelemente 2 und des mindestens einen Abstandelements 3 in verschiedenen Bereichen berührt, sodass die mindestens zwei Spulenelemente 2 und das mindestens eine Abstandelement 3 sich nicht quer zum Stab 11 bewegen können;
- – Bereitstellen von zwei Hohlelement-Montageendstücken 12 mit einem Hohlraum zum Aufnehmen des Hohlelement-Montagestabs, sodass die Hohlelement-Montageendstücke sich nicht quer zum Stab bewegen können;
- – Aufsetzen
- – des ersten Hohlelement-Montageendstücks 12,
- – des ersten der mindestens zwei Spulenelemente 2,
- – des mindestens einen Abstandelements 3,
- – des zweiten der mindestens zwei Spulenelemente 2, und
- – des zweiten Hohlelement-Montageendstücks 12
in dieser Reihenfolge auf den Hohlelement-Montagestab 11 mit Klebstoff zwischen den Elementen zwischen den von den Hohlelement-Montageendstücken 12 eingeschossenen Elementen;
- – Zusammenpressen des ersten und des zweiten Hohlelement-Montageendstücks 12;
- – Abnehmen des zweiten Hohlelement-Montageendstücks 12 vom Hohlelement-Montagestab 11; und
- – Abnehmen des Hohlelements 4 mit dem mindestens einen Abstandhalter 3 und dem ersten und dem zweiten Spulenelement 2 vom Hohlelement-Montagestab 11.
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Weist die bevorzugte Ausführungsform nach 1, 6B und 7A–7H zusätzlich zwei Spule-Membran-Trennstücke 7 auf, folgt auf das Bereitstellen von mindestens zwei Spulenelementen 2 jeweils mit einer Spule, die einen Hohlraum in Querrichtung umgibt, der einen Längskanal bildet, und mindestens einem Abstandhalter 3 mit einem Hohlraum 5 der gleichen Form wie der Hohlraum 5 der mindestens zwei Spulenelemente 2 folgender Schritt:
- – Bereitstellen von zwei Spule-Membran-Trennstücken 7 mit einem Hohlraum 5 der gleichen Form wie der Hohlraum 5 der mindestens zwei Spulenelemente 2 und des mindestens einen Abstandhalters;
auf das Aufsetzen des Hohlelement-Montageendstücks 12 auf den Hohlelement-Montagestab 11 folgender Schritt: - – Aufsetzen des ersten Spule-Membran-Trennstücks 7 auf den Hohlelement-Montagestab 11; und
auf das Aufsetzen des zweiten der mindestens zwei Spulenelemente 2 auf den Hohlelement-Montagestab 11 folgender Schritt: - – Aufsetzen des zweiten Spule-Membran-Trennstücks 7 auf den Hohlelement-Montagestab 11.
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(iii) Gesamtmontage des Aktors
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Die 8A–8C zeigen die Gesamtmontage des Aktors in der bevorzugten Ausführungsform der 1 mit drei Magneten 1, zwei Spulenelementen 2 und einem Abstandhalter 3. Erfindungsgemäß weist diese Gesamtmontage folgende Schritte auf:
- – Einsetzen der wie oben ausgeführt montierten Magnetanordnung in das wie oben ausgeführt montierte Hohlelement 4;
- – Befestigen elastischer Einrichtungen 6, die die Magnetanordnung mit dem Hohlelement 4 verbinden, mittels Befestigungsmitteln 9 an beiden Längsaußenenden.
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Wie oben erwähnt, lässt sich der erfindungsgemäße vibrierende Aktor in verschiedenen Anwendungen einsetzen wie bspw. zur hochauflösenden haptischen Rückkopplung zum Erzeugen immersiver Eindrücke in Video-, Spiel-, Musik- und anderen immersiven Anwendungen. Generell ist der Vibrator in allen Anwendungen einsetzbar, in denen eine Vibrations-Rückkopplung erwünscht ist, wobei diese Rückkopplung nicht auf einen Eintrag an einen Menschen beschränkt, sondern auch an ein Gerät möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3118022 A [0002]
- DE 102015111527 [0006, 0007, 0041]
- DE 10015111527 [0042]
