專利名稱：具有電路路徑和安全電路的三維結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
提供了一種具有機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維機(jī)電系統(tǒng)，所述機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生作為所述機(jī)械結(jié)構(gòu)的一體部分的電路。所述機(jī)電系統(tǒng)具體涉及容易且快速連接到一起的機(jī)械結(jié)構(gòu)。所述系統(tǒng)具有與電源連通的安全電路，這使所述系統(tǒng)特別適于兒童和/或?qū)W生在學(xué)習(xí)電子學(xué)、力學(xué)和/或建筑學(xué)時(shí)使用。
背景技術(shù)：
存在使用機(jī)械連接器以快速組裝電路的玩具和教具。另外，存在使用機(jī)械連接器以快速組裝機(jī)械結(jié)構(gòu)的玩具和教具。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)中的一些增添了用于運(yùn)動(dòng)的電機(jī)或用于視覺效果的發(fā)光體。這些玩具通常用于逗樂兒童或教導(dǎo)一些機(jī)械或電子原理。目前銷售的快速連接式電子組裝系統(tǒng)通常包括安裝以使電子模塊快速相連的電子裝置箱。電路圖被包括以教育學(xué)生或娛樂孩童。這些電路中的大多數(shù)組裝在相同或平行的平面中，并且電路路徑不是三維機(jī)械結(jié)構(gòu)(例如僅舉幾例的建筑物、摩天輪、或飛機(jī))的一部分。先前的構(gòu)造塊專利的示例包括Shackelford的美國專利No. 6，443，796，該專利提供了包含虛擬智能的兒童構(gòu)造套組并且是互動(dòng)和智力的。這些特征可以在玩者使用該套組的構(gòu)造活動(dòng)期間以及隨后在繼續(xù)玩耍期間被展示給玩者；這向玩耍灌注了不可預(yù)測的感覺。所述套組結(jié)合有編程控制器(17)、揚(yáng)聲器(23)、特殊(“智力”)玩件或玩塊(1、3、5、7等)、以及玩件或玩塊設(shè)置于其上的基部(15)。被稱為“熱點(diǎn)”的傳感器(A1-C3)分布在圍繞基部的不同位置并且聯(lián)接至控制器，由此控制器在相應(yīng)的玩件安裝在這些位置中的一個(gè)時(shí)識別特定的玩件和這些玩件的位置。特定玩件中的一些可以描繪角色，一些包括電操作裝置，而一些包括玩者操作的輸入裝置。控制器通過揚(yáng)聲器發(fā)出語音訊息或其他聲音效果以向角色玩件實(shí)施虛擬人格以及控制位于特定塊中的電操作裝置的操作，并且檢測和響應(yīng)于來自玩者輸入塊的玩者輸入。通過無線通信裝置，控制器可以從附件塊獲取語音訊息和向附屬塊提供語音訊息，其中附件塊在構(gòu)造套組的基部以外使用。

發(fā)明內(nèi)容
大多數(shù)電路在平坦的表面或基部上生成以保持部件緊鄰，部件的連接路徑為短，并且將電路保持在相同或平行的平面中。當(dāng)前的系統(tǒng)容許電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)的組件存在于多個(gè)平面中且處于彼此遠(yuǎn)離的位置。另外，本系統(tǒng)有助于消除可能難以檢測的電路錯(cuò)誤。更具體地，可以通過例如布置安全裝置來防止電路錯(cuò)誤，其中安全裝置保護(hù)使用者且向使用者警告連接過程中的電子組裝錯(cuò)誤。所述系統(tǒng)還可以通過將這些機(jī)電結(jié)構(gòu)的組裝保持為快速、簡單和教育性的而有助于消除在構(gòu)造期間的短路電源。、
該系統(tǒng)的目的為使用能夠形成三維機(jī)械結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電和不導(dǎo)電的快速連接部分或可堆疊部分。導(dǎo)電部件可以用于形成通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的電路徑，而不導(dǎo)電部件可以用于使非期望區(qū)域絕緣且防止短路。所述系統(tǒng)可以具有另外的電源模塊，所述電源模塊使用聲音、燈光和/或語音的任意組合而使電子組裝中的錯(cuò)誤明顯。


附示如下圖I圖I圖示了不導(dǎo)電構(gòu)造梁100的立體圖，其具有包括導(dǎo)電夾105、106的不導(dǎo)電陰連接器101、102，該導(dǎo)電夾105、106機(jī)械連接且電連接至電子部件107的引腳103、104。圖2圖2是將右側(cè)壁從不導(dǎo)電構(gòu)造梁200中移除的側(cè)視圖，示出了兩個(gè)導(dǎo)電夾201、202·和位于導(dǎo)電夾201、202與電子部件207的引腳205、206之間的機(jī)械連接件203、204。圖3圖3圖示了導(dǎo)電機(jī)械部分300-304，其中虛線指示沿著其可以存在電流路徑的X-軸線305、y-軸線306、或z_軸線307。圖4圖4圖示了具有與圖3中所示相同的形狀和尺寸的不導(dǎo)電機(jī)械部分401，其可以用于阻斷導(dǎo)電部分400、402之間的電流。圖5圖5圖示了電池供電式電壓源模塊500，其具有限流裝置501、聲音和語音電路508、和雙色發(fā)光二極管(LED) 505以指示正確操作或過大電流。圖6圖6圖示了與電池供電式電壓源模塊500相關(guān)聯(lián)的電路，其包括視覺和聲音報(bào)警電路508。圖7圖7圖示了機(jī)電結(jié)構(gòu)750，其采用梁演示具有電流路徑710-719以及在機(jī)械結(jié)構(gòu)中使用的導(dǎo)電部分721和不導(dǎo)電部分720的機(jī)械結(jié)構(gòu)的概念。圖8圖8圖示了機(jī)電結(jié)構(gòu)800，其采用塊或方塊演示具有電流路徑809、816以及在機(jī)械結(jié)構(gòu)中使用的導(dǎo)電塊或方塊801-808、810-815和不導(dǎo)電塊或方塊825的機(jī)械結(jié)構(gòu)的概念。
具體實(shí)施例方式提供了一種具有機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維機(jī)電系統(tǒng)，該機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)生作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的一體部分的電路。該機(jī)電系統(tǒng)具體涉及容易且快速連接到一起的機(jī)械結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)具有與電源連通的安全電路，這使系統(tǒng)尤其適于兒童和/或?qū)W生在學(xué)習(xí)電子學(xué)、力學(xué)、和/或建筑學(xué)時(shí)使用。現(xiàn)在參照圖I和圖2，提供了不導(dǎo)電構(gòu)造梁100 (或圖2中的200)的立體圖，該構(gòu)造梁具有包括導(dǎo)電夾105、106 (或圖2中的201、202)的不導(dǎo)電陰連接器101、102，該導(dǎo)電夾(或圖2中的201、202)機(jī)械連接且電連接至電子部件107的引腳103、104。導(dǎo)電夾105、106可以為大致平坦的并且可以由導(dǎo)電金屬制成。圖2圖示了將右側(cè)壁從不導(dǎo)電構(gòu)造梁200中移除的側(cè)視圖，示出了兩個(gè)導(dǎo)電夾201,202和位于導(dǎo)電夾201、202與電子部件207的引腳205、206之間的機(jī)械連接件203、204。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)導(dǎo)電夾201和202可以相同但在定向上可以彼此鏡像。機(jī)械連接件203、204可以插入穿過由兩個(gè)導(dǎo)電夾201、202生成的開口狹縫。更具體地,每個(gè)導(dǎo)電夾201、202的開口狹縫可以通過導(dǎo)電夾201、202的端部朝向本身往回折疊使得導(dǎo)電夾201、202的端部可以足夠近地接觸導(dǎo)電夾201、202的大致中間部分而生成。開口狹縫可以具有窄的寬度，該寬度可以小于機(jī)械連接件203、204的寬度，使得機(jī)械連接件203、204可以與導(dǎo)電夾201、202電接觸。另外，機(jī)械連接件203、204可以通過例如摩擦而固定到導(dǎo)電夾201、202的開口狹縫內(nèi)。在該實(shí)施例中，機(jī)械連 接件203、204可以首先插入開口狹縫內(nèi)并且隨后可以向?qū)щ妸A201、202施加壓力，使得導(dǎo)電夾201、202的端部擠壓和抓握機(jī)械連接件203、204。在一個(gè)實(shí)施例中，機(jī)械連接件203、204可以焊接到開口狹縫內(nèi)。構(gòu)造梁100(或圖2中的200)可以具有至少兩個(gè)開口渠道，其中每個(gè)引腳103、104(或圖2中的等同物205、206)從電子部件107 (或圖2中的207)穿過到達(dá)導(dǎo)電夾105、106(或圖2中的201、202)。本系統(tǒng)具有電源模塊500、824，當(dāng)過大的電流從電池502-504、600流出以向系統(tǒng)的功耗部件供電時(shí)，該電源模塊具有可以包括例如聲音和/或語音電路508和/或視覺指不器505、605、701、823的報(bào)警。在電源模塊殼體500、824上的表面可以是不導(dǎo)電的以防止部件短路。限流裝置501、601可以通過降低經(jīng)過限流裝置501、601的電壓而限制來自直流(DC)電池502-504、600的電流。添加雙色發(fā)光二極管(LED) 505、604、605、701、823可以例如在電源接通時(shí)發(fā)出綠光604，并且例如在過大的電流從電池502-504中引出時(shí)發(fā)出紅光605，或者可以在正電路徑710、719、816與負(fù)電路徑717、718、809之間存在短路時(shí)發(fā)光。揚(yáng)聲器507、602、708、821和電路板508、606可以提供聲音和/或語音以指示存在過大電流的情況。該系統(tǒng)可以具有兩個(gè)不導(dǎo)電機(jī)械陰連接區(qū)511、512，該陰連接區(qū)可以通過導(dǎo)電彈簧或?qū)щ妸A513提供正電壓608輸出點(diǎn)，該導(dǎo)電彈簧或?qū)щ妸A可以連接至陽連接403機(jī)械結(jié)構(gòu)。以相似的方式，在另一端部上的不導(dǎo)電機(jī)械陰連接器509、510可以通過位于裝置的遠(yuǎn)端部處的第二導(dǎo)電彈簧或?qū)щ妸A514提供對于導(dǎo)電陽連接403機(jī)械結(jié)構(gòu)的負(fù)電壓609輸出點(diǎn)。簡單的滑動(dòng)開關(guān)506、607、700、822可以用于使正電壓輸出608的導(dǎo)電彈簧或?qū)щ妸A513接通或斷開。限流裝置601、501可以通過降低經(jīng)過裝置501、601的本體的電壓而限制來自DC電源600的電流。添加發(fā)光二極管(LED)605可以提供對于過大電流被引出和/或系統(tǒng)中存在短路的視覺指示，同時(shí)發(fā)光二極管604可以提供對于系統(tǒng)的操作為正常以及電源500、702、824為接通的視覺指示。電阻603可以限制通過LED 505、604、605、701、823的電流。以相似的方式，添加電路板508、606可以通過揚(yáng)聲器507、602、708、821提供聲音以指示存在過大電流的情況。當(dāng)限流裝置501、601處于供應(yīng)電流且不產(chǎn)生電壓降的模式時(shí)，電路板508、606可以不接收經(jīng)過其的電壓。當(dāng)過大的電流被引出時(shí)，限流裝置501、601可以產(chǎn)生可能經(jīng)過電路板508、606出現(xiàn)的電壓降。由此，電壓降可能通過LED 605、505產(chǎn)生光和/或通過揚(yáng)聲器507、602、708,821產(chǎn)生報(bào)警聲音。開關(guān)506、607、700、822可以用于使DC電壓源502_504、600接通或斷開。以該方式，受保護(hù)的正電壓可以使用通過電源500、824的負(fù)端子609、820的返回電流路徑而在電源500、824的正端子608處獲得。機(jī)械部分300-304、721、801-808、810_815可以由任意導(dǎo)電材料制成，或者機(jī)械部分300-304、721、801-808、810-815的表面可以進(jìn)行電鍍以使所有暴露表面導(dǎo)電。導(dǎo)電部分303可以僅容許沿著一個(gè)軸線的機(jī)械連接。另一部分302可以僅容許沿著兩個(gè)軸線的機(jī)械連接。一些部分301、304可以容許沿著所有三個(gè)軸線的機(jī)械連接。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電部分300、302沿著同一軸線相連時(shí)，如由圖3中的箭頭308所示，電流將保持沿著相同的X-軸線305。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電部分300、302以直角相互連接時(shí)，如由圖3中的箭頭309所示，電流可以從X-軸線305改變至y-軸線306。以該方式，電流能夠被引導(dǎo)為沿 著任意軸線的任一方向。具有與圖3和/或圖8中所示的部分相似的形狀和/或尺寸的不導(dǎo)電機(jī)械部分401、720、825可以用于阻斷在可以為組裝的最終機(jī)械結(jié)構(gòu)的一部分的導(dǎo)電部分 300-304、400、402、721、801-808、810-815 之間的電流。不導(dǎo)電部分 401、720、825 可以由不傳導(dǎo)電流的任意材料制成。但是，不導(dǎo)電部分401、720、825可以與在最終機(jī)械結(jié)構(gòu)中使用的任意導(dǎo)電部分300-304、400、402、721、801-808、810-815在機(jī)械上基本相同。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)使用如上所述的機(jī)電部分構(gòu)建時(shí)，某些導(dǎo)電路徑710-719、809、816也可以在結(jié)構(gòu)中生成。使用常規(guī)的電流技術(shù)，可以說，電流路徑710可以起源于正連接器彈簧513、709并且可以沿著X-軸線行進(jìn)，隨后轉(zhuǎn)向且沿著Z-軸線行進(jìn)。該電流710可以分成兩個(gè)不同的電流，一個(gè)711沿+y軸線朝向開關(guān)S1705前進(jìn)，而另一個(gè)712沿+y軸線朝向開關(guān)S2706前進(jìn)。在開關(guān)S1705的另一側(cè)上，電流路徑713從+y軸線轉(zhuǎn)向至+x軸線，并且前進(jìn)至發(fā)光二極管L1703。在L1703之后，返回電流路徑716首先沿著+x軸線行進(jìn)，隨后轉(zhuǎn)向至沿著_y軸線行進(jìn)。電流716被添加至電流715中以產(chǎn)生電流717，電流717沿著+z軸線行進(jìn)并且轉(zhuǎn)向至-X軸線以終止在電源702、500處。以類似的方式，電流714可以穿過電機(jī)M2704，并且可以變?yōu)殡娏?15。電流路徑719沿著-X軸線離開電源，并且很快轉(zhuǎn)向至+z軸線以進(jìn)入開關(guān)S3707。離開開關(guān)S3707的電流718沿著+z軸線行進(jìn)，隨后轉(zhuǎn)向且沿著+X軸線行進(jìn)。該電流718再次轉(zhuǎn)向到-Z軸線上并且最后到-X軸線上以到達(dá)電源702、500的負(fù)端。由于可能沒有部件來限制進(jìn)入開關(guān)S3707內(nèi)的電流路徑719中的電流、或在從S3707回到電源702、500的電流路徑718中的電流，因此開關(guān)S3707的閉合產(chǎn)生經(jīng)過電源702、500的短路。這種過大的電流如前所述地進(jìn)行處理以警告使用者并且將電流水平限制為安全值。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)使用機(jī)電部件構(gòu)建時(shí)，這些部件的形狀可以為塊或方塊。如圖8中所示，導(dǎo)電路徑809、816可以在塊或方塊結(jié)構(gòu)800中生成。使用常規(guī)的電流技術(shù)，可以說，電流路徑816起源于電源824的正連接器處并且穿過導(dǎo)電塊810-815以抵達(dá)電機(jī)模塊817。塊815通過與在電機(jī)模塊817的另一側(cè)上所示的可見夾819相似的夾與電機(jī)818接觸。電流穿過電機(jī)818并且通過在塊801處起源的電流路徑809離開電機(jī)模塊817。該電流809穿過導(dǎo)電塊801-808而回到電源824的負(fù)側(cè)。塊808具有角部的剖切圖以示出導(dǎo)電塊808如何接觸在電源824上的彈簧或夾820。以該方式，只要開關(guān)822使電源824接通，電流路徑809、816就向電機(jī)818提供電力。如果開關(guān)822的閉合因任意原因而產(chǎn)生過大的電流，則在電源824上的過載如前所述地進(jìn)行處理以警告使用者并且將電流水平限制為安全值。盡管機(jī)械結(jié)構(gòu)750、800已經(jīng)示出為使用與梁、塊、或方塊相似的形狀，但是所述結(jié)構(gòu)不限于這些形狀并且也能夠?yàn)閮H舉幾例的桿、圓筒、星形、L形和X形。因此，盡管本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，但是其并非意為由此限制于所述新的機(jī)電組件，而是其變 型當(dāng)落在前述公開、下述權(quán)利要求和附圖的寬廣范圍和精神內(nèi)時(shí)也意為被包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種快速連接機(jī)電系統(tǒng),包括 具有殼體的多個(gè)可互連部件，其中，所述殼體具有內(nèi)部和外部，并且所述可互連部件具有導(dǎo)電表面和不導(dǎo)電表面，并且電路通過使所述可互連部件中的至少兩個(gè)電連接而形成；以及 位于所述殼體的第一端部上的卡扣配合機(jī)械連接器，所述連接器具有不導(dǎo)電表面但包括導(dǎo)電元件，其中，所述卡扣配合機(jī)械連接器將第一部件連接至第二部件的第二端部，并且在所述卡扣配合機(jī)械連接器中的開口使導(dǎo)電接觸表面暴露，從而能夠與所述導(dǎo)電元件形成電路。
2.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述導(dǎo)電元件包括下述中的至少一個(gè)電容、電阻、二極管、發(fā)光二極管、顯示面板、電感、晶體管、半導(dǎo)體、電源、電機(jī)、風(fēng)扇、電子聲音發(fā)射器、揚(yáng)聲器、蜂鳴器、電鈴、報(bào)警器、麥克風(fēng)、燈泡、閃光燈、開關(guān)、集成電路、計(jì)算機(jī)芯片、放大器、調(diào)制器、太陽能面板、計(jì)算機(jī)接口、電話接口、以及它們的組合。
3.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述導(dǎo)電表面為固體金屬或其他導(dǎo)電材料；導(dǎo)電塑料；具有電鍍的導(dǎo)電表面的不導(dǎo)電塑料；被噴涂、電鍍或另外處理以使暴露表面導(dǎo)電的任意不導(dǎo)電材料。
4.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述不導(dǎo)電表面包括從下述組中選取的材料塑料、木材、紙板、硬紙板、玻璃、橡膠以及另外處理以使暴露表面不導(dǎo)電的任意導(dǎo)電材料。
5.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述卡扣配合不導(dǎo)電機(jī)械連接器的所述開口使得彈簧鋼、不銹鋼、磷銅或鈹銅的電接觸表面暴露。
6.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)可互連部件中的至少一個(gè)具有包括限流裝置的電源。
7.如權(quán)利要求6所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述限流裝置包括具有視覺和/或聲音報(bào)警的時(shí)間延遲式限流器。
8.如權(quán)利要求6所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述限流裝置包括正溫度系數(shù)PTC可自恢復(fù)熔絲，所述熔絲在存在過載時(shí)產(chǎn)生用于產(chǎn)生視覺和/或聲音報(bào)警的電壓，并且當(dāng)過載條件移除時(shí)自動(dòng)移除該電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述聲音報(bào)警是以一種或多種語言的語音。
10.如權(quán)利要求6所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述報(bào)警在電流恢復(fù)至安全水平時(shí)被移除。
11.如權(quán)利要求6所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述報(bào)警是下述中的一個(gè)或組合一種或多種語言的語音、報(bào)警聲、閃爍光、蜂鳴器、或振動(dòng)。
12.如權(quán)利要求6所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述限流裝置包括正溫度系數(shù)PTC可自恢復(fù)熔絲，所述熔絲在存在過載時(shí)產(chǎn)生用于產(chǎn)生視覺和/或聲音報(bào)警的電壓，并且當(dāng)過載條件移除時(shí)自動(dòng)移除該電壓。
13.如權(quán)利要求6所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，其中，所述限流裝置包括電路，所述電路在存在過載時(shí)產(chǎn)生用于產(chǎn)生視覺和/或聲音報(bào)警的電壓，并且當(dāng)過載條件移除時(shí)自動(dòng)移除該電壓。
14.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，還包括開口狹縫，所述開口狹縫在所述導(dǎo)電表面的第一端部朝向所述導(dǎo)電表面的中部往回折疊時(shí)生成，并且電引腳固定在所述開口狹縫內(nèi)且與所述導(dǎo)電表面電連通。
15.如權(quán)利要求I所述的快速連接機(jī)電系統(tǒng)，還包括第一和第二導(dǎo)電表面，其中，所述第一和第二導(dǎo)電表面彼此相同但在定向上彼此鏡像。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種三維機(jī)電系統(tǒng)，所述機(jī)電系統(tǒng)用于使用卡扣到一起的部件或構(gòu)建塊形成機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述部件或構(gòu)建塊易于演示在形成結(jié)合到機(jī)械結(jié)構(gòu)中的三維電路時(shí)所需的原理?？稍儆玫碾娮幽K包括電池或其他電源，并且具有用于附接到其他電子模塊上的裝置以向這些三維電路提供電力并且防止過大的電流且向使用者報(bào)警過大的電流。
文檔編號A63H33/04GK102686290SQ201080056936
公開日2012年9月19日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者A·西摩, A·馬茨, B·約翰森, G·切克欽 申請人:伊蘭克電子公司