陀螺装置
专利汇可以提供陀螺装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且陀螺 转子 有一 转轴 ，该转轴端部绕第一或自转轴线可旋转地支承在 外壳 上，并能够围绕外壳以与自转轴线相垂直的第二轴线旋转。转轴在外壳中的支承是与第二轴线相同心的圆形轨道，轨道含有与轴端摩擦 接触 类型的对置表面的圆环形槽，提供一种改进的转轴和转子的滚动旋进运动。装置包括电 信号 发生部分，能够向构成外壳一部分的视觉和/或 声音信号 装置供给电源。通过提供一外部圆环形空腔，转子可以一种有效平衡的结构构成，在空腔中能够容纳平衡物和填料。，下面是陀螺装置专利的具体信息内容。
1、一种陀螺装置，包括一外壳；在所述外壳中的一个平衡陀螺仪转子；与所述转子组装的，为所述转子提供一自转轴的转轴装置；在所述外壳中，容纳所述转轴装置两相对端部的支承装置，用以围绕所述自转轴旋转所述转轴装置和转子，并围绕与所述自转轴线相垂直的第二转轴，相对于所述外壳使所述轴装置和转子旋转，所述支承装置包括在所述外壳中的连续园环形轨道装置，它与所述第二轴线同心，所述转轴端部位于轨道装置的相对面上，并在临近所述转轴装置的端部处，利用所述转轴的端部形成滚动接触，当围绕与所述自转轴线和第二轴线都相垂直的第三轴线向所述外壳施加一转矩时，使得所述转轴装置和转子，围绕着所述第二轴线的旋进，其特征在于：
所述轨道装置在所述外壳内含有一园环形沟道(22)，所述沟道带有对置的衬垫部分(32、34)，其一，与所述转轴装置(14)的所述端部(28)存在摩擦表面接合，以保证所述转轴装置和转子产生一种改进的非滑动的滚动运动，并且导向环装置(24)在所述沟道内，具有切口(26)以容纳所述转轴装置的端部(28)，和在所述转轴装置和所述导向环装置之间建立驱动衔接关系使得围绕所述第二轴线旋转所述转轴装置和转子，所述导向环装置相对所述槽的所述相对表面进行自由滑动。
2、如权利要求1所述的陀螺装置，其中所述衬垫部分（32、34）由具有某一摩擦系数和抗磨性类似于弹性尿烷的材料构成。
3、如权利要求1所述的陀螺装置，其中所述衬垫部分，其静态摩擦系数从1.3到0.73，其动态摩擦系数从0.69到0.54，例如弹性尿烷。
4、一种手动操作的陀螺仪装置，包括一个外壳，在所述外壳内中的一个平衡陀螺转子，与所述转子组装在一起的转轴装置，其向所述转子提供一个自转轴，在所述外壳中的支承装置，容纳所述转轴装置的对端，围绕着所述自转轴旋转所述转轴装置和转子，并相对所述外壳，围绕大约与所述自转轴相垂直的第二轴线旋转所述转轴装置和转子，所述支承装置在所述外壳内含有一个连续的环形轨道装置，其与所述第二轴线同心，所述转轴装置位于轨道装置的对侧，临近所述转轴装置的端部，利用所述转轴装置的端部形成滚动接触，当围绕着与所述自转轴线和第二轴线都相垂直的第三轴线，向所述外壳施加一转矩时，使得所述转轴装置和转子围绕着所述第二轴线产生旋进，其特征在于，在所述外壳和转子中有永久磁铁和线圈（41、42、41′、42′），因此依靠在所述外壳中的所述转子的旋进转动，在一输出回路（44）中能够产生电信号。
5、如权利要求4所述的陀螺装置包括可电操作的装置（a、b、c和/或d），其连接到所述输出回路中，并用所产生的电信号供电。
6、如权利要求5所述的陀螺装置，其中所述的可电操作的装置包含视觉装置（a和/或c）。
7、如权利要求5所述的陀螺装置，其中所述的可电操作的装置包含声音装置（d）。
8、如权利要求4所述的陀螺装置，在所述输出回路中包含一个可手动的通/断开关（86）。
9、如权利要求4所述的陀螺装置在所述输出回路（44）中包含一个自动通断开关（86），仅当在所述输出回路中，根据所选择电压的形成才闭合所述的回路。
本发明涉及陀螺装置一些有效的新改进。
到目前为止已经提出一些新颖的陀螺装置。3，726，146号美国专利表示的是这类装置的一种。这种先有装置使用一个位于一支承件中的转子，该支承件具有一个带内部沟道或槽的内部园环形部分。转子安装在一转轴上，该转轴以其容纳在沟道的端部在直径方向上延伸横跨园环部分。一导向环位于在沟道中，以便可围绕沟道转动。导向环在其内部周边中在直径方向上具有间隔的切口，用来容纳转子转轴的端部，以保持其轴端对中，在沟道中相隔180°。这样，转子可以围绕作为第一或自转轴的转子转轴的轴线旋转而且还可以围绕园环的旋转轴线旋转，该园环旋转轴线构成与自转轴线垂直并相交的第二轴线。通过向转子提供一个初始旋转，然后用手握住转子的支承件，并人为地向支承件在第三个轴线上施加一个转矩，转子将围绕着第二轴线旋进，该第三轴线与自转轴线和第二轴线都相垂直。当围绕第二轴线，以同速率人为地旋转所施加转矩的轴，按同一方向做转子旋进时，按相反的同一方向做转子旋进时，转子转轴的两对端会连续地因靠沟道的相对侧面而受紧压。旋进是连续的并使转子转轴的端部以某一种方式在沟道的上下表面上滚动，这种方式以和操作者所施加转矩大小成比例的关系增加或减少转子自转的速率。一个熟练的操作者能够使转子围绕其自转轴获得高的旋转速度。
根据本发明及其主要目的，提供一种陀螺装置，它对3726146号美国专利所述该装置进行有价值的改进。
更具体的目的是提供这样一种所述类型的陀螺装置，它使得改进的沟道支承表面工作更有效，更平稳;陀螺装置封装在一外壳中，该外壳正常是封闭的，但是能够打开，以便获得通向内部的入口，用以周期性地清理和维修;并且包括电操作的声音和/或视觉显示装置，该显示装置由与转子相关的电信号发生和控制装置供电。
本发明的另一个目的是提供一种改进的陀螺仪转子结构及其制造方法。
为实现本发明的目的，该陀螺装置包括一个外壳，其内部有一个平衡的转子。一转轴与转子组装在一起，做为转子的自转轴。转轴的端部支承在沟道或槽中，以便围绕着与自转轴相垂直的第二轴旋转。当在与自转轴和第二轴都相垂直的第三轴上向外壳施加一转矩时，该沟道由于轴端滚动接触提供一个轨道。该沟道具有对置的磨擦表面，该表面由于转轴端部在其上提供有效的滚动接触。转轴端部嵌入在低摩擦导向环的切口中，该环和转轴、转子一起运动，低摩擦材料使沟道中的导向环自由滑动。外壳由一对两部分构成，它们在沟道处是可拆卸的，以便内部零件进出进行修理和维护。在本发明的构思中，在外壳和转子中包括永久磁铁和线圈装置，它们能够通过转子的旋转产生电信号以便向外壳中的声音和/或视觉信号装置供电。而且，根据本发明，转子被装配得精确平衡，这是借助在接近转子外缘处提供一个环形空腔和利用一些重块和锁定装置，以便在重物由于离心作用使之向外到使转子平衡的位置之后，锁定重物于邻近空腔外环表面处。
从下面结合附图所做说明中，将会更好理解本发明，本发明的其 它目的和优点将变得很明显。
图1是现有陀螺装置从其一端观察得到的透视图。
图2是表示该陀螺仪基本结构元件的装置的立体分解图。
图3是该装置结合部位的放大的部分断面图，并且还详细地表示了改进了的支承面，它有助于更有效旋转和平稳运行。
图4是沿图3的线4-4所取部分断面图。
图5是取向与图3相类似的断面图，表示与该装置配合用于产生电信号的和向外壳上外部视觉影示装置供电的装置。
图6是沿图3的线6-6所取装置横断面图，表示能够与该装置配合使用的电信号的发生装置的第二种型式。
图7是沿图6的线7-7所取的断面图。
图8是能够与现有装置结合使用的视觉和声音电气元件的型式示意图。
图9是改进的转子结构和制作的中心断面图。
图10是图9所示转子一部分在初始构成阶段的部分断面图。
图11是转子结构和制作的另一种型式的中心断面图。
图12是沿图11的线12-12所取的断面图。
参考图1-4，本发明的陀螺装置包括具有一对半壳分别为10a和10b的中空外壳结构10。该装置采取整体球形，最好其大小能够用手抓住并遍布一端，最好在10a端。外壳支承着安装在转轴14上的转子12，该转轴为转子提供一个自转轴，这里称为第一轴。外壳在部分10b的端部有一开口16，用作转子初始旋转的衔接区域。在邻近外壳中部的外壳侧壁18被加厚，在外壳两部分之间包含一台阶形接口20。台阶形接口20在两部分之间有一水平园形沟道或槽 22，其具有足够间隙容纳一导向环24，使得该环在沟道22中能够环绕转动。环24在直径方向上具有间隔切口26，以自由配合的形式容纳缩小了的端部28，以便这些轴端能够和沟道的上下表面形成滚动接触。
沟道22的对置衬垫部分32和34以粘接方式固定就位并包含予选所需特性的衬垫。需要这样的材料即耐用且具有一定摩擦系数和抗磨性，这将有助于有效地滚动轴端的进动。一种弹性尿烷或其它具有静摩擦系数为1.3到0.73，动摩擦系数为0.69到0.54的材料满足要求。缩小了轴部和这种摩擦表面相接合，将保证围绕沟道22驱动轴端28有效地滚动，这点下文将更明显。此外，导向环24由这样的材料构成，使其以基本上无摩擦和高效的方式在沟道22中环绕滑动，这点在下文也将更明显。因此，转子和导向环能够围绕环的中心轴线即第二轴旋转。任何具有低或中摩擦特性的合适材料都可用于导向环，因为它要轻并仅在沟道22中滑动。
要使陀螺仪动作工作，如通过开口16用手抓住转子给转子一个初始自转或则通过沿着一个表面转动装置。然后，用手抓住装置于外壳的封闭端，最好使轴14即转子的第一或自转轴（在图2中标注为号36）处于一基本水平的平面内。然后，再入为使该装置在任一方向上有一转动，以便第二轴38即在沟道22中的转子以环绕方式旋转的轴线的运动近似遁照一个园锥的表面，该园锥其顶点在装置上方。这种由操作者产生的旋转运动导致在与转子的第一或自转轴36和转子的第二或旋进轴38都相垂直的方向产生转矩。这一围绕第三轴40人为施加的转矩为自转的转子根据支配陀螺仪运动的物理学定律所抵制。事实上，转子12对围绕第三轴40的运动的抵制将为力图使自 转的转子围绕着第二轴38旋进的操作者所感受到。操作者感受到自转的转子的抵制并很快学会做出响应，以围绕第三轴旋进的方式施加一个适当的转矩。操作者通过改变所施加转矩的大小，能够分别在第一和第二轴36和38两方向上达到并维持宽阔范围的转子速度。
由于操作者为了使转子产生旋进而出现的园锥状动作，当轴端28在槽衬垫层32和34上滚动时，引起轴端28相对槽垫层32和34的强制接合。在沟道22中的导向环24相对这些垫层的基本上无摩擦的环绕旋转和轴端28相对这些垫层的摩擦滚动接触保证转子的有效运行。即是，由轴端相对尿烷环32和34所产生的摩擦的接合作用以及导向环24在沟槽22中的低摩擦接合作用有助于旋进运动中的装置的有效运行。此外，需要较少的能量以使装置起动和运行。轴端与尿烷垫层32和34的接合，虽然提供良好的转子旋进运动，它是沿轴线36的转轴的一种足够低的滚动摩擦，这样，在沿轴线36的自由自转过程中将不出现明显的拖动。这种外壳结构的另一个重要特征是半壳10a和10b在槽22处通过向上移开一个半壳而可分离，该半壳装有转子，这就允许修理、维护和更换零件。
本发明的另外一个构思是利用转子12的旋转运动来产生电信号，以便各种电的视觉和/或声音信号装置动作。产生电信号的一个构思是安装一个或多个永久磁铁41，如图5所示，在转子12′的外部周界处，并在外壳10′中埋置线圈42。线圈42在某一回路中，该回路在本发明的一个实例中可包括从线圈42一端引出的回路干线44并延伸通过将要介绍的视觉和/或声音信号装置46。回路导线44和装置46适当埋在外壳中，以便和线圈的对端构成回路。当转子加速时，在线圈中将产生电信号并向视觉和/或声音信号装置供电。 视觉信号装置装在外壳中，当用手抓住外壳时，它是可见的。
图6和图7介绍电信号发生装置的变换形式。更具体地说，永久磁铁41′被埋置在外壳部分10a″和10b″而发生器的线圈42′安装在转子12″上。转子的一个侧表面具有一个导电平面环或表面52，它利用绝缘层54与转子绝缘并在55处连到线圈42′的一端。转子12″的另一侧面有导电平面环或表面56，它利用绝缘层58与转子绝缘，并在59处连到线圈42′的另一端。导电环52和56分别与支承在环24′的板状延伸件66上的电刷60和62相配合，环24′还支承电刷并具有与转轴14的二对端部相嵌接的功能，如联系图1所介绍的环24一样。该板状元件在转子两相对侧面上有槽口部分68以便容纳转子及其转轴。电刷60和62可滑动地安装在护罩70中，借助在护罩中的弹簧72使电刷朝转子12″产生弹性偏移运动，借以维持电刷和环52及56的恒定接触。用于电刷60和62的护罩70还分别带有第二套电刷74和76于另外一端，也利用弹簧72朝外偏移。电刷74和导电材料制成的环78形成电接触，环78安装在外壳部分10b″的朝内表面中。环78和回路干线44通过连接线段80连在回路中，线段80从环伸到在两外壳部分之间的导电空闻点82处。电刷86和导电材料制成的环84形成电接触，环84安装在外壳部分10a″的朝内表面中并接到回路导线44上。线44像在图5中的线44一样用作同样目的，即为视觉和/或声音信号装置46提供一个电源回路。当转子旋转时，产生电信号，并当发生旋进时，环78和84配置使各电刷维持一回路。
图8介绍各种视觉和/或声音信号装置46，它可在回路44中 协同工作。举例来说，这类装置可以包括例如在所选择方案中的发光二极管之类的各种形式的光元件a，包括一个或多个计数器b，例如用于指示转子总转数或其每分钟转数的数字装置，包括可用作闪光的束光元件c以及发声装置d。其它类型的装置也能予以供电用于娱乐或专项功能目的。该回路还可包括一通/断开关86，它能人工操作或可包括一个自动通断开关。这类开关能够用于在转子达到所选择的速度之前维持视觉和声音信号装置处在断开状态，以防止在转子初始起动旋转过程中对转子产生磁制动，因此使转子易于起动。
为了保证高效运行转子，转子必须精确平衡。在图9、10、11和12介绍优选转子结构及其制造方法。首先参照图9，它是一中心断面图，转子100由两部分100a和100b构成。这两部分有平滑的相对表面，这两部分要固定在一起。该相对表面具有配对的半园形槽104，在其中通过切削或注模形成一个空腔，两部分装配以容纳例如铅粒106之类的小重物的荷载。在构成一转子的过程中，两半球100a和100b组装固定到转轴108上，然后注入一些铅粒106，利用输入通孔110进入该空腔。一种液态塑性材料填料，最好是一种热固性树脂也使其注入空腔，通孔110然后被塞住，转子本体放在一车床或其它固定机构然后旋转，直到填料已经产生硬化，足以使铅粒牢固地保持定位。保证按照每分钟转数旋转，由于离心力作用将迫使小粒朝向空腔外缘，同时，这些平衡物围绕空腔精确分布，使得转子环绕各个方面都良好平衡。转子仅需要进一步进行小的或二次平衡。
参照图10，平衡物106和填料可以在将两部分固定在一起以前，注入一个槽104，因为空腔不须完全充满，通过旋转过程以获 得平衡。采用这种结构，不需要注料孔110。
参照图11和12，这种旋转和平衡方法也可以在某种类型的注模设备中制作一个平衡转子过程中使用，这种类型注模设备能够开闭。即是，可以使用两个相同的注模部分120和122，其中空腔124采取对转子100′相适宜的形状，例如具有一加大端环126和毂环部分128。在注填注模空腔124过程中，不仅用注模材料注填，而且容纳图9和图10所示类型的平衡物106。注模和轴130相配合，该轴可以和转子一起使用或是可移去的轴，然后该装置按照所希望的转速和时间旋转，以利用离心力迫使平衡物朝向加大了的端环部分126的外缘以求精确平衡。这一旋转过程连续进行，直到注模材料已经固定，借此，从注模中移出装置，它将被适当平衡。
应当理解，本文表示和介绍的本发明的这种形式取作相同形式的最佳实施例，元件的开关、大小和布置的各种变化都可以，并没有脱离本发明的精神实质或没有脱离从属权利要求的范围。
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