产生用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动的系统和方法技术方案

提出了一种用于将振动牵引施加到佩戴者皮肤的振动模块。示出了在耳机中使用振动模块，以提供针对音乐的用于按摩的低频触感，以及对佩戴者的电记录及刺激。在理论上提出了活动磁体类型的阻尼、平面、电磁致动的振动模块并付诸实践，并且示出了在40‑200Hz的范围内以最少的不必要声音提供基本上均匀的频率响应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】产生用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2014年9月24日提交的申请号为62/054712，题目为“用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动”的美国临时专利申请以及于2015年1月10日提交的申请号为62/101985，题目为“提供用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动的系统和方法”的美国临时专利申请的优先权，其中的每一个的全部内容通过引用并入本申请。
本专利技术涉及产生用于通过触摸感知的低音频率振动的触觉传感器。
技术介绍
低于约200Hz时，声音的频率越低，则其不仅通过耳鼓的振动被感知得越多，而且也通过皮肤中的触觉感受器被感知得越多。这种感觉对于具有在胸中或通过坐在椅子上“感受到强烈舞蹈音乐的节奏”的任何人或对于仅仅将手放在钢琴上的人来说熟悉。自然刺激兼备听觉和触觉，只有当皮肤的机械振动伴随着通过空气传播到耳鼓的声波时，才能真实地再现它。音频触觉传感器中的现有技术主要采用轴向振动器。图1示出了现有技术的耳机装置10的分解图，其包括轴向振动器100，该轴向振动器100包括悬置在螺旋切割弹簧112上的运动块(movingmass)114、定子116以及音圈118。这种轴向振动器的构造模拟传统的音频驱动器，其中使用更重的块代替轻纸锥，并且提供了更坚固的悬架，其通常为螺旋切割金属弹簧。这种结构的缺点是产生不必要的噪声。发生这种的原因是轴向振动器安装在耳机耳罩中，其运动轴指向耳道的开口。图2A示出了现有技术的耳机设备20的立体图，其包括沿Z轴振动的轴向振动器，并通过将耳罩插入用户头部的侧面来刺激皮肤。块的轴向运动导致通常密封在耳廓上的整个耳罩本身的反向运动。因此，刺激耳罩垫下方皮肤的力也不幸地将空气塞入收听者的耳道中，淹没了音频驱动器的输出并产生多余的不必要的噪音。图2B示出说明了由图2A的现有技术的耳机产生的多余的明显的低音音频的曲线图。特别地，图2B说明当打开惯性振动器至逐渐增强的水平(迹线标记为“开”)时，耳机的相对扁平的声频响应单独地受到削减(迹线标记为“关”)。在这个例子中，显著的音频被添加到声频响应，导致在50-100Hz范围内的10-20dB的不期望的冲击(bump)。结果是其中高频不足的重低音，并且用户感觉的是一种含混、混乱的声音。不均匀频率响应的问题通常由于缺乏机械阻尼而变得更为糟糕。使系统欠阻尼意味着靠近机械谐振的稳态信号获得高振幅，导致峰值响应，并且在激励后系统铃声停止，进一步降低音频保真度。这种冲击在现有技术的频率响应(图2B)中是显而易见的，其中致动触觉传感器将耳机的声音输出增加到比由“0”参照线所指示的90dB声压级高10-20dB。现有技术中的另一种也存在疑问的方法是使用非阻尼偏心旋转电机(“ERM”)和非阻尼线性谐振驱动器(“LRA”)。小型非阻尼的ERM与高保真音频不兼容，原因如下。首先，通常需要大约20毫秒，将ERM“提升”到产生足够大到能被感觉的的加速度的频率。到那时，脉冲信号(例如，一个底鼓(kickdrum)的打击)将已经通过。第二，在ERM中，可被比作“触觉音量”的加速度和可被比作“触觉音调”的频率相关联，不能独立变化。这种连接从根本上与声音保真度不兼容。LRA的主要缺点在于对“谐振”的依赖，即名称所暗示的。装置被设计用于触觉警报，而非保真度，因此它们在单个频率下产生共振，并仅在该频率下产生可感知的振动。例如，典型的LRA可能在175±10Hz处产生高达1.5g的加速度，但在该20Hz范围之外可能产生低于0.05g的加速度。这种高Q因子使得这种装置对于在15-120Hz范围内的低频触觉效果的高保真度再现是无用的。虽有这些问题，但已经考虑到将LRA垂直安装在耳机弓形部的上衬垫中。除了LRA的有限频率范围之外，将LRA用作音频触觉传感器还存在另一个问题，即垂直安装在耳机弓形部和颅骨顶部之间的传感器使弓形部弯曲。在一精密尺度上，这种弯曲使得弓形翼片像鸟的翅膀，耳罩位于每个翼尖处。翼片的向内-向外部件将耳罩插入抵靠佩戴者的头部的侧面，同时产生与耳罩中的音频驱动器的声响应相竞争并使其扭曲的非期望的音频。为了避免这种不必要的音频，一种方法是构造在平面内(即在图2A的x-y平面)移动块的下部轮廓(low-profile)振动模块。这种方法使被确定会引起存疑的轴向声频辐射的表面面积降至最低。当安装在耳罩中时，这种平面内振动模块产生平行于头部侧面的运动。这种运动有效地剪切皮肤，产生触觉，对处在耳罩和耳鼓之间的空气体积影响不大。因此，噪声被降至最低。考虑在桌面上滑动玻璃(本专利技术的平面运动)和捅马桶(如现有技术中使用的轴向运动)之间的区别。虽然已经考虑了这种平面内方法，但是为此提出的介电弹性体驱动器是需要高压电子器件的昂贵且复杂的装置。这种方法的另一个缺点是没有规定对这些传感器进行严格的阻尼。因此，触觉加速度频率响应欠阻尼，所声称的Q因子为1.5至3。在电磁致动方面，已经公开了一种产生平面运动的线圈和两个磁体的相对薄的扁平布置。特别地，振动模块包括单相电磁致动器，其具有可移动构件，该可移动构件由沿相反方向横向磁化并通过磁体支架连接的两个平行薄磁体以及用于引导磁体支架的装置构成。虽然尚未在耳机中应用这种提供电磁致动的常规方法，但是它已经应用于在诸如操纵杆的计算机输入设备中提供触觉反馈的问题。这样的一种装置包括致动器，其包括具有中心突起的芯构件、围绕中心突起缠绕的线圈、定位成在芯构件和磁体之间提供间隙的磁体以及附接到芯构件和磁体的柔性构件。在这种设计中，由平行的一对挠曲部引导运动。这种引导方法的缺点是当通过纵向压缩加载时挠曲部对屈曲的脆弱性。由使挠曲部骑乘到线圈侧的铁磁通引导件的磁体对的吸引力自然地引起挠曲部上的压缩纵向负载，例如提供支撑线圈的中心突起的E型芯。因此，挠曲部必须足够厚以抵抗这种负载而不产生欧拉屈曲。该厚度是以在运动方向上增加的刚度为代价而得到的，这可能非期望地阻碍运动。尽管有这个缺点，但常规方法已经在其它地方进行应用。例如，已将承载磁体的挠曲引导表面考虑作为按摩元件的表面使用。减轻屈曲问题的一种方法是承受诸如泡沫的弹性构件上的压缩负载。然而，用弹性元件来支撑负载具有一些非期望的缺点。因为泡沫层必须足够厚以使得最大剪切应变(通常<100％)允许适当的行进，所以泡沫在行进方向上增加了刚度，并且可显著增加组件的厚度。悬置运动元件的替代方法将挠曲部的长轴布置在基本平坦的传感器的平面中。由于细长挠曲部比纵向压缩负载更有效地抵抗横向剪切负载，所以可以使用对运动阻碍较小的较薄挠曲部。因此，存在对新型音频触觉传感器及装置的需求。
技术实现思路
在一些实施例中，本文提出了一种薄的平坦振动模块，其带有受电磁致动以在平面内产生运动的移动构件。移动构件的运动可被抑制使得以不同频率施加到模块的稳态正弦电压产生在40-200Hz的范围内基本均匀的移动构件的加速度响应。模块可被安装在耳机中使得运动轴线基本上平行于佩戴者头部的矢状平面，从而该运动不会将耳罩推向佩戴者的耳道而产生不期望的音频和/或失真。在一些实施例中，模块可由通过其厚度极化的块和薄磁体组成，其中块和磁体可移动地悬置在壳体内。例如，悬架可包括挠曲部、衬套、滚珠轴承或铁磁流体层。壳体可包括携带用于振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生阻尼电磁致动平面运动的振动模块，所述模块包括：至少一个导电线圈；至少一个磁体，其布置成可操作地接近所述线圈；可移动构件，其联接到所述至少一个导电线圈和所述至少一个磁体中的一个；悬架，其相对于所述至少一个导电线圈和所述至少一个磁体中的另一个引导所述可移动构件；以及阻尼构件，其与所述可移动构件结构连通。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.24 US 62/054,712;2015.01.10 US 62/101,9851.一种用于产生阻尼电磁致动平面运动的振动模块，所述模块包括：至少一个导电线圈；至少一个磁体，其布置成可操作地接近所述线圈；可移动构件，其联接到所述至少一个导电线圈和所述至少一个磁体中的一个；悬架，其相对于所述至少一个导电线圈和所述至少一个磁体中的另一个引导所述可移动构件；以及阻尼构件，其与所述可移动构件结构连通。2.根据权利要求1所述的振动模块，其中响应于施加到所述至少一个线圈的稳态正弦信号，所述阻尼构件在40-200Hz的频率范围内将所述模块的加速度响应平面化为小于1.5的Q因子。3.根据权利要求1所述的振动模块，其进一步包括：壳体，其封装有所述至少一个导电线圈、所述至少一个磁体、所述可移动构件、所述悬架和所述阻尼构件。4.根据权利要求3所述的振动模块，其中所述悬架包括多个挠曲部，所述多个挠曲部的每一个挠曲部：在第一端联接到所述可移动构件；并且在第二端联接到所述壳体。5.根据权利要求3所述的振动模块，其中所述振动模块能够以每秒至少十次持续推动至少一个质量为m的块通过位移x，并且其中质量和位移一同具有至少为mx＝1×10-5kg·m的乘积。6.根据权利要求3所述的模块，所述悬架包括衬套、滚珠轴承以及铁磁流体层中的至少一个。7.根据权利要求3所述的模块，其中所述至少一个线圈粘接到所述壳体上，并且其中所述至少一个磁体粘接到所述可移动构件。8.根据权利要求3所述的模块，其中所述壳体包括具有第一范围的厚度尺寸以及基本上与所述厚度尺寸正交的具有第二范围的宽度尺寸，其中所述第一范围小于所述第二范围的三分之一。9.根据权利要求8所述的模块，其中所述壳体进一步包括基本上与所述宽度尺寸和所述厚度尺寸正交的具有第三范围的长度尺寸，其中：所述第一范围小于所述第三范围的三分之一；所述宽度尺寸和所述厚度尺寸限定所述模块的移动平面；并且引导所述可移动构件的悬架基本上位于所述移动平面中。10.根据权利要求3所述的模块，其中所述壳体包括具有第一范围的厚度尺寸和与所述厚度尺寸基本正交的径向尺寸，其中所述第一范围小于所述径向尺寸的直径的三分之一，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：西尔蒙·詹姆斯·比格斯，
申请(专利权)人：泰克宣技术有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US