橫向模式共振的刺激裝置的制造方法
【專利說明】橫向模式共振的刺激裝置
[0001] 相關(guān)申請的交叉參考
[0002] 本申請要求于2013年1月22日提交、代理案卷編號為N0TH-2011002、名稱為 "Mechanisms and Methods for Coupling Vibrational Energy into "Transverse Modes of Elastic Rods and User Feedback Control for Consumer Vibrating Devices'，（用于 將振動(dòng)能量耦合到"彈性棒的橫向模式）以及用于消費(fèi)者振動(dòng)裝置的用戶反饋控制）"中的 機(jī)構(gòu)和方法"的臨時(shí)專利申請第61/755, 191號的優(yōu)先權(quán)。本申請還要求于2013年1月31 日提交、代理案卷編號為 N0TH-2013003、名稱為 "Mechanisms and Methods for Coupling Vibrational Energy into "Transverse Modes of Elastic Rods and User Feedback Control for Consumer Vibrating Devices"（用于將振動(dòng)能量親合到"彈性棒的橫向模式 以及用于消費(fèi)者振動(dòng)裝置的用戶反饋控制"中的機(jī)構(gòu)和方法）"、且將發(fā)明人定名為Bryan Jos印h NORTON的臨時(shí)專利申請第61/758, 949號的優(yōu)先權(quán)。以上引證的申請通過引用以它 們的全部內(nèi)容結(jié)合于此，以用于所有目的。
【背景技術(shù)】
[0003] 觸覺感覺可由振動(dòng)引起。振蕩（oscillation，擺動(dòng)）重復(fù)地刺激體內(nèi)的對機(jī)械變 形敏感的神經(jīng)。這是因?yàn)槁暡óa(chǎn)生周期性應(yīng)力-應(yīng)變型式（pattern)，神經(jīng)對所述型式敏 感。了解這一點(diǎn)，用戶擁有的對于該應(yīng)力-應(yīng)變型式的控制（空間上和時(shí)間上）越大，刺激 裝置的效率越高。
[0004] 圖2示出了典型現(xiàn)有技術(shù)的非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式機(jī)械振蕩轉(zhuǎn)換器（transducer，換 能器）200,諸如通常在振動(dòng)的性刺激裝置中所使用。轉(zhuǎn)子（rotor，轉(zhuǎn)動(dòng)體）220圍繞不通過 其質(zhì)心230的軸線240轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橘|(zhì)心距離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線一定距離250,所以在轉(zhuǎn)動(dòng)期間存在離 心力。該力由于這樣的事實(shí)產(chǎn)生，即，質(zhì)量不在力的影響下沿一直線移動(dòng)。因?yàn)椴黄胶獾霓D(zhuǎn) 子被約束為沿圓周移動(dòng)，所以存在徑向力。該徑向力取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)軸線240到質(zhì) 心230的距離、以及轉(zhuǎn)子210的角速度。利用此觀點(diǎn)，明顯的是，在較低的角速度下，僅少量 的能量將被轉(zhuǎn)換。驅(qū)動(dòng)具有離心力的諧波振蕩器使得該結(jié)果更明顯。
[0005] 在X方向上的力的和
[0011] 諧波振蕩器方程在y方向上的解
[0016] 圖3是示出了現(xiàn)有技術(shù)的非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式振蕩器（通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的與頻率有關(guān) 的力而被驅(qū)動(dòng)）的振幅310的圖表300。隨著頻率305下降到零，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式振蕩器的響應(yīng) 的振幅也下降到零。非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式振蕩器固有地具有較差的低頻性能。
[0017] 再參照圖2,由非平衡轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的力僅取決于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)軸線到質(zhì)心230的 距離、以及轉(zhuǎn)子220的角速度。轉(zhuǎn)子的質(zhì)量以及距轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離通常取決于裝置的物理 構(gòu)造，使得它們在使用期間不可更改。僅角速度在應(yīng)用時(shí)可改變。非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式轉(zhuǎn)換 器不能產(chǎn)生比如上所述的與頻率相關(guān)的振幅的可變頻率的正弦曲線更復(fù)雜的振動(dòng)。
[0018] 由于轉(zhuǎn)動(dòng)的性質(zhì)，被轉(zhuǎn)換的力是正弦的，并且在兩個(gè)維度上具有投影 (projection)。該兩個(gè)投影具有90度的相對相移。當(dāng)非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式振蕩器被用來將 能量耦合到彈性物體的振動(dòng)模式中時(shí)，對刺激模式的控制是有限的。獨(dú)立于定向，至少兩個(gè) 橫向模式定向（或者一個(gè)縱向模式和一個(gè)橫向模式）受到刺激。能量不能被耦合到單個(gè)橫 向定向中。此外，每次僅一個(gè)頻率可被耦合到介質(zhì)中。
[0019] 為了改進(jìn)非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式振蕩器的低頻性能，僅能做一件事情：增加轉(zhuǎn)子的質(zhì) 量與其距轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離的乘積（product)，所述質(zhì)量和所述距離兩者均增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量。這具有兩個(gè)不期望的結(jié)果：增大了裝置的尺寸、并且減小了速率（振蕩器在該速率下 可改變頻率）。非平衡轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)式振蕩器存在另一基本的限制。它由這樣的事實(shí)產(chǎn)生，即， 振蕩的振幅及其頻率具有如早先所討論的基本的聯(lián)系（link)。這不會(huì)產(chǎn)生任意波形轉(zhuǎn)換所 需要的必要控制。
[0020] 存在多種應(yīng)用，所述多種應(yīng)用需要或可受益于振蕩的振幅及其頻率的獨(dú)立控制。
【附圖說明】
[0021] 圖1示出了彈性棒及其第一四個(gè)正常橫向模式的圖示。
[0022] 圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械振蕩轉(zhuǎn)換器。
[0023] 圖3示出了通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的與頻率有關(guān)的力而被驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)有技術(shù)振蕩器的振幅、 以及由與驅(qū)動(dòng)頻率無關(guān)的力驅(qū)動(dòng)的振蕩器的振幅。
[0024] 圖4至圖6示出了根據(jù)多個(gè)實(shí)施例的多個(gè)扭矩轉(zhuǎn)換器式刺激裝置。
[0025] 圖7a至圖7c、圖9至圖10、圖Ila至圖lib、圖12a至圖12c和圖13至圖14示出 了根據(jù)多個(gè)實(shí)施例的多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)磁體式致動(dòng)器設(shè)計(jì)。
[0026] 圖8示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的刺激裝置系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 性刺激裝置的功能是產(chǎn)生被用戶感知的觸覺感覺。人類通常感覺到在約0.1 Hz至 IkHz的有限頻帶內(nèi)的觸覺振動(dòng)。在受試人中所測量的振動(dòng)知覺閾值依賴于頻率。感知與頻 率之間的關(guān)系具有最低閾值為150-200HZ的U形，并且對于~400Hz以上的頻率來說顯著 地增加。理想地，刺激裝置將具有在感覺頻帶上的感覺閾值上產(chǎn)生振動(dòng)的能力。
[0028] 另一考慮是身體的共振結(jié)構(gòu)。體內(nèi)的大多數(shù)軟組織在低頻率（5-lOHz)下共振。以 生物結(jié)構(gòu)的共振頻率為目標(biāo)具有產(chǎn)生比裝置獨(dú)自可實(shí)現(xiàn)的振幅更大的振蕩振幅的益處。
[0029] 為了使波有效地傳遞到用戶的身體，刺激裝置通常由具有與目標(biāo)身體的機(jī)械性能 類似的機(jī)械性能的材料制成。例如，常規(guī)使用具有與軟組織的楊氏模量接近的楊氏模量的 彈性體。
[0030] 彈性介質(zhì)支持三種不同類型的波運(yùn)動(dòng)：縱向、橫向和扭轉(zhuǎn)。對于諸如那些通常被用 作刺激裝置的棒來說，縱向波和扭轉(zhuǎn)波兩者均具有位于感知頻帶之外的第一諧振模式。僅 橫向波支持模式在頻率上足夠低，以提供良好的性能。
[0031] 將能量從一個(gè)介質(zhì)耦合到另一介質(zhì)取決于該兩個(gè)介質(zhì)之間的邊界條件。在彈性介 質(zhì)中的聲能的情況下，需要用于邊界的位移?？v向波在軸向上壓縮介質(zhì)，導(dǎo)致在組織-裝置 的邊界處的小位移。類似地，扭轉(zhuǎn)波圍繞棒的軸線扭轉(zhuǎn)介質(zhì)，這也導(dǎo)致在組織-裝置的邊界 處的小位移。相反，橫向波產(chǎn)生垂直于裝置的長度的位移型式。這導(dǎo)致裝置邊界的顯著位 移。組織沿其長度與裝置相接觸，將振動(dòng)能量耦合到身體中。
[0032] 用于彈性棒上的橫向模式的理論背景
[0033] 為了說明感興趣的行為，圓柱形的彈性本體是良好的模型。
[0034]用于棒中的橫向模式的波方程：
[0036]其中：
[0037] E是楊氏模量；
[0038] k是第二面積矩（moment of area，面積力矩）；
[0039] P是介質(zhì)的密度；
[0040] W (X，t)是棒從平衡狀態(tài)的位移；
[0041] W (x, t) = W (x)elut
[0042] 分離空間和時(shí)間：
[0043] W (x)=Aeiyx+Be iyx+Ceyx+De yx
[0044] 上述假定允許空間模式獨(dú)立于時(shí)間地被求解出。
[0046] 將邊界條件應(yīng)用到棒的每一端約束了模式形狀。棒的左端在位移和傾斜方面被固 定。棒的右端是自由的，不具有作用于其上的扭矩或力。
[0047]
[0048] 以上條件產(chǎn)生一組振動(dòng)模式，該組振動(dòng)模式的特征是棒在振蕩期間的形狀。每個(gè) 模式均具有對應(yīng)于共振頻率的特征形狀。模式的順序被標(biāo)記為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] 圖1示出了彈性棒100的圖示，其中n = 0表示其靜止?fàn)顟B(tài)，并且正常橫向模式為 n= 1，2, 3,4。彈性棒100可適于用作根據(jù)多個(gè)實(shí)施例的性刺激裝置的彈性本體部件。盡管 彈性棒100被描述為無特色的圓柱，該圓柱具有平直的（squared)近端110、被倒圓的遠(yuǎn)端 115、并且長度與寬度的比例幾乎為8 :1，但是在其它實(shí)施例中所使用的彈性本體可被模制 成包括各種紋理、凸起、或其它表面特征（諸如通常在被設(shè)計(jì)成用于人類生殖孔的內(nèi)部和/ 或外部刺激的裝置中所采用的表面特征）。類似地，其它實(shí)施方式可具有不同于彈性棒1〇〇 的比例，并且一些實(shí)施例可具有非圓形的和/或變化的橫截面。雖然許多實(shí)施例可采用大 致棒形的或圓柱形的彈性本體，但是一些實(shí)施例當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)可以是彎曲的。彈性棒 100和IOOa-IOOd還具有縱向軸線105和105a-105d(如以虛線示出的），所述縱向軸線沿 本體的長度軸線沿循（follow)橫截面形心。一些實(shí)施例的寬度和/或圍長可沿它們的縱 向軸線改變。
[0056] 彈性棒IOOa示出了基本的橫向振動(dòng)模式（n = 1)。該模式對應(yīng)于棒系統(tǒng)的第一 共振頻率。對于適合用作刺激裝置的機(jī)械性能，第一共振為約12Hz。彈性棒100b、100c和 IOOd表示接下來的三個(gè)模式n = 2、3、4,其中共振分別為76Hz、212Hz、和416Hz。這示出了 橫