CN102347678B - 振动发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种振动发生装置,即使在机械振动器的固有频率上存在偏差也能够高效率且低成本地发挥振动触觉效果。该振动发生装置具备在衰减比ζ<1的衰减系统中隔着弹簧构件(S)相对于固定部(B)支撑的机械振动器(3)、且生成以非接触方式使机械振动器(3)振动的动磁场的电磁线圈(L),将施加到该线圈(L)上的驱动电压V(t)的频率f设为从机械振动器(3)的衰减固有频率fd偏离了的非共振周波数,从而使机械振动器(3)发生差频振动,该振动发生装置具有强制振动控制单元(20),该强制振动控制单元(20)在从规定差频振动的振幅的差频波中的驱动开始侧的第1个谷部越过第1个峰部的第2个谷部,停止驱动电压的施加。

Description

振动发生装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可内置于便携电话、触摸面板等的振动发生装置,特别涉及一种 发挥瞬间振动的振动触觉(vibrotactilehaptics)效果的振动发生装置。

背景技术

[0002] 日本特表2008-521597所公开的能够得到振动触觉效果的振动发生装置采用共 振强制振动系统,信号发生器产生与共振致动器(actuator)的固有频率相同的第1频率的 激振用致动器信号,在共振状态下对共振致动器进行激振而使加速度瞬间激增,之后,信号 发生器产生与第1频率相位偏移了 180度(波形反转了)的第2频率的制振用致动器信号, 对共振致动器进行制振而使之瞬间衰减。

[0003]专利文献1 :日本特表2008-521597(0033,图1)

发明内容

[0004](发明要解决的问题)

[0005]上述的共振致动器在使用与其固有振动频率(共振频率)相同的强制振动频率的 共振模式下工作,所以在使加速度激增的激振过程中瞬时激振容易,但是一旦在用于使变 为高加速度的共振致动器衰减的制振过程中,因为共振致动器针对每个个体具有不小的固 有频率的偏差,所以即使制振用致动器信号的相位相对激振用致动器信号完全地偏移180 度,实际也不能保证相对共振致动器的振动位移的相位完全地偏移180度。因为通过该固 有频率的偏差不可避免地产生的超前相位差或滞后相位差,根据制振用致动器信号的施加 结束定时诱发机械振动器不完全静止、静止后的再起动,因此在进入不灵敏区域之前自由 衰减期间长时间残留,振动衰减的截止差。

[0006] 因此,本发明是为解决上述问题而作出的,其课题在于提供一种机械振动器的振 动衰减截止良好的发挥振动触觉效果的振动发生装置。

[0007](解决问题的技术方案)

[0008] 本发明为一种振动发生装置,具备在衰减比G< 1的衰减系统中隔着弹簧构件相 对固定部支撑机械振动器并生成以非接触方式使机械振动器振动的动磁场的励磁单元,从 驱动开始或驱动中途起将施加给该励磁单元的驱动电压的频率f•设为从机械振动器的衰 减固有频率fd偏移了的非共振频率,从而机械振动器发生差频振动,该振动发生装置的特 征在于,具有强制振动控制单元,在从规定差频振动的振幅的差频波中的驱动开始侧的第1 个谷部越过第1个峰部的第2个谷部,对驱动电压的施加进行停止控制。

[0009] 这样,由于本发明是伴随有差频振动的发生的装置,所以,在振动加强了的第1峰 部之后振动减弱的第2谷部自然到来,强制振动控制单元在第2个谷部对驱动电压的施加 进行停止控制,所以能够不加长自然衰减时间而使振动停止的截止良好,能够毫不逊色地 发挥振动触觉效果。因为在非共振频率的驱动电压下发生,所以即使存在与机械振动器的 固有频率相当的偏差,差频振动也没问题,因此能够提供效率高且成本低的振动发生装置。 并且,无论驱动电压的频率f•是比机械振动器的衰减固有频率fd低的频率还是比其高的频 率都没问题,另外,驱动电压的频率的周期数能够长短选择,所以即使是振动触觉效果的瞬 间振动也能实现振动方式的多样化,换而言之也能够实现对应于振动方式的符号化。

[0010] 优选地,强制振动控制单元在第2个谷部在驱动电压的施加停止以前抑制该驱动 电压的振幅。因为能够削弱从第1峰部向第2谷部的制振优势期间中的激振期的激振作用, 所以其结果是相对地加强了制动作用,振动停止的截止变得更好。如果从其它的观点出发, 优选与从振动开始侧的第1谷部向第1峰部上升的激振优势期中的驱动电压的振幅相比, 强制振动控制单元相对地抑制从第1峰部向第2谷部的下降的制动优势期中的驱动电压的 振幅。

[0011] 施加到励磁单元的驱动电压可以是正弦波、交替矩形波等从零电平正负振动的两 极性波形,但也可以是在零电平和正电平之间、在零电平和负电平之间振动的单极性电压 的重复波形。在单极性波形驱动中,周期性地附加振幅零期间,所以在第1峰部到第2谷 部,衰减比G的自然衰减期也作为制振作用而被追加,从而振动停止的截止变得良好。另 外,在单极性波形驱动中,与两极性波形驱动相比在单极侧使用电源电压,从而能够使电压 振幅倍增,所以能够在到第1峰部为止的激振优势期中增加功率。

[0012] 在研宄差频振动现象的极限情况时,在强制振动控制单元是以差频振动的差频波 的差频周期与差频振动的基本波的周期实质上相等的方式设定驱动电压的频率而成的情 况下,成为在一方向上强的加速度(偏加速度)明显化的偏振现象。

[0013] 作为fd<f的极限方式,能够将频率f设为衰减固有频率fd的实质上的3倍,并 且将施加到励磁单元的驱动电压设为由第1正弦半波、与之反相的第2正弦半波以及与该 第2正弦半波反相的第3正弦半波构成的独立波。能够产生在通过第2正弦半波产生的位 移方向上具有显著的偏加速度的振动,能够提供具有单方向指向性或矢量性的知觉振动装 置。为了使该效果显著,优选将第1正弦半波和第3正弦半波的频率设为衰减固有频率fd 的3倍以下,相反地,将第2正弦半波的频率设为衰减固有频率fd的3倍以上,另外,将第2 正弦半波的峰值设为第1正弦半波和第3正弦半波的峰值以上。

[0014] 相反地,作为fd>f•的极限方式,优选地,将频率f•设为衰减固有频率fd的实质上 的1/3,并将施加到励磁单元的驱动电压设为正弦半波。在该情况下,也能够提供具有单方 向指向性或矢量性的知觉振动装置。

[0015] 但是,因为上述的振动发生装置从最初开始就是差频振动发生装置,所以在从驱 动开始到第1峰部为止的激振优势期中激振期和制振期交互地出现,所以与共振系统的情 况相比,起动功率低了与包含制振期相当的量。因此,作为强制振动控制单元,其特征在于, 不是从驱动开始就将驱动信号的频率设为非共振频率,而是最初将驱动电压的频率设为与 衰减固有频率一致的共振频率,并在一定期间后切换为非共振频率。虽然是衰减系统,但 从驱动开始起一定期间为共振状态并可靠地增加加速度,之后切换到作为非共振的差频振 动,在经过激振期和制振期交互地重复的激振优势期而到达第1峰部之后,进入制振期和 激振期重复的制振优势期并落入第2谷部而静止。因为在非共振系统之前为共振系统,所 以能够充分地确保起动功率。另外,在切换到差频振动之后第1峰部自然地到来,还有能够 抑制过大的振动幅度的限制效果,能够预防机械振动器的振动截止。

[0016] 在驱动初始时先进行共振驱动是为了抑制能量损失、使振动的上升沿变得陡峭, 但如果该共振振动过长,则即使切换到非共振振动之后下降到第2谷部,在共振振动中得 到的能量仍然残留,大幅度地从零偏离。为了防止这种情况,优选设为衰减固有频率(共振 频率)的周期数比非共振频率的周期数少。能够抑制第2谷部的从零偏离,也能够保全振 动停止的截止。

[0017] 作为适合于上述振动方式的振动发生装置,优选构成为:机械振动器具有在涵盖 第1端面和第2端面的厚度方向上磁化的环状永久磁铁,弹簧构件是将环状永久磁铁以在 其厚度方向上可位移的方式相对固定部支撑的悬架弹簧单元,电磁线圈贯通环状永久磁铁 的中央孔而被支撑于固定部,具有贯通电磁线圈内的铁芯,电磁线圈具有磁化极性相反的 第1环形线圈以及与其同轴邻接的第2环形线圈,具备与第1端面重合而内周缘包围第1 环形线圈的外周面的第1环状极片(polepiece)以及与第2端面重合而内周缘包围上述 第2环形线圈的外周面的第2环状极片。

[0018] 电磁线圈的磁化方向和环状永久磁铁的磁化方向实质上平行,通过两线圈绕线的 卷绕方向、对两线圈供电的方向、两线圈的串联结构、并联结构,两线圈的外侧端彼此为同 磁极且内侧端彼此为同磁极,所以作用基于针对环状永久磁铁的磁吸引力/推斥力的往复 运动,并且来自环状永久磁铁的两面磁极的磁通汇集在第1以及第2环状极片的内周缘,贯 穿两环形线圈而经由铁芯形成短路磁路,所以也作用基于电磁力的往复运动,增强起动功 率。另外,因为环状永久磁铁的外周侧磁通也形成闭合回路,所以能够抑制磁通泄漏。

[0019](发明效果)

[0020] 由于本发明能够做成利用差频振动的振动发生装置,所以,能够提供即使机械振 动器的固有频率有偏差也能高效率且低成本地发挥振动触觉效果的振动发生装置。

附图说明

[0021] 图1是表示本发明的实施例的振动发生装置的示意图。

[0022] 图2(A)是表示在该振动发生装置中使用的振动线性致动器的立体图,(B)是表示 该振动线性致动器的反转状态的立体图。

[0023] 图3是该振动线性致动器的纵剖面图。

[0024] 图4(A)是表示在该振动线性致动器的振动发生装置中向第1以及第2环形线圈 的通电方式与机械振动器的振动方向的关系的示意图,(B)是表示向与图4(A)相反方向的 通电方式与机械振动器的振动方向的关系的示意图。

[0025] 图5是关于该振动发生装置所产生的差频振动现象将-x侧的基本波折反到+x侧 而示出的曲线图。

[0026] 图6是表示在该振动发生装置中驱动电压V的频率f为130. 83Hz的情况下的机 械振动器的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0027] 图7是表示在该振动发生装置中驱动电压V(t)的频率f为196. 25Hz的情况下的 机械振动器的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0028] 图8是表示在该振动发生装置中在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振 幅5V以及振幅5V和4V的5周期驱动和机械振动器的位移x的推移曲线的曲线图。

[0029] 图9是表示在该振动发生装置中在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振 幅5V以及振幅5V和4V的5周期驱动和机械振动器的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0030] 图10是表示在该振动发生装置中在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行 振幅5V以及振幅5V和4V的5周期驱动时的加速度的推移的曲线图。

[0031] 图11是表示在该振动发生装置中在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行 振幅5V以及振幅5V和4V的5周期驱动时的机械振动器的位移x和机械振动器的总能量 E的推移曲线的曲线图。

[0032] 图12是表示在该振动发生装置中在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行 振幅5V以及振幅5V和3. 5V的5周期驱动和机械振动器的位移x的推移曲线的曲线图。

[0033] 图13是表示在该振动发生装置中在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行 振幅5V以及振幅5V和3. 5V的5周期驱动和机械振动器的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0034] 图14是表示在该振动发生装置中在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下振幅 5V以及振幅5V和3. 5V的5周期驱动时的机械振动器的位移x和机械振动器的总能量E的 推移曲线的曲线图。

[0035] 图15是还包含调整电压2. 75V或0V的选择驱动的情况而示出的、在该振动发生 装置中在频率f•为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V矩形波的5周期驱动和机械 振动器的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0036] 图16是还包含调整电压2. 75V或0V的选择驱动的情况而示出的、在该振动发生 装置中在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V矩形波的5周期驱动时的位 移x和机械振动器的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0037] 图17(A)是表示在该振动发生装置中471Hz的驱动电压V(t)的1. 5周期驱动和 针对该驱动的总能量E的推移的曲线图,(B)是表示该1.5周期的驱动和针对该驱动的位 移x的推移的曲线图。

[0038] 图18(A)是表示针对在该振动发生装置中471Hz的驱动电压V(t)的1. 5周期驱 动的速度v和总能量E的推移的曲线图,(B)是表示针对该驱动的加速度a和总能量E的 推移的曲线图。

[0039] 图19(A)是表示针对在该振动发生装置中驱动电压V(t)的1.5周期变形波的总 能量E的推移的曲线图,(B)是表示针对该变形波的作为位移x的推移的半波的曲线图。

[0040] 图20(A)是表示针对在该振动发生装置中驱动电压V(t)的1.5周期变形波的速 度v和总能量E的推移的曲线图,(B)是表示针对该1. 5周期变形波的加速度a和总能量E 的推移的曲线图。

[0041] 图21 (A)是表示在该振动发生装置中驱动电压V(t)的其它的1. 5周期变形波和 针对该变形波的总能量E的推移的曲线图,(B)是表示其它的1. 5周期变形波和针对该变 形波的作为位移x的推移的半波的曲线图。

[0042] 图22(A)是表示针对在该振动发生装置中驱动电压V(t)的其它的1.5周期变形 波的速度v和总能量E的推移的曲线图,(B)是表示针对该其它的1. 5周期变形波的加速 度a和总能量E的推移的曲线图。

[0043] 图23(A)是表示在该振动发生装置中驱动电压V(t)的0.5周期波形和针对该波 形的位移x的推移的曲线图,(B)是表示针对该0. 5周期波形的速度v和总能量E的曲线 图。

[0044] 图24是表示针对该0.5周期波形的加速度a和总能量E的曲线图。

[0045] 图25(A)是表示在该振动发生装置中驱动电压V(t)的0.5周期正弦变形波和针 对该波形的总能量E的推移的曲线图,(B)是表示该0. 5周期变形波和针对该波形的位移x 的推移的曲线图。

[0046] 图26(A)是表示针对在该振动发生装置中驱动电压V(t)的0.5周期正弦变形波 的速度v和总能量E的推移的曲线图,(B)是表示针对该0. 5周期变形波的加速度a和总 能量E的推移的曲线图。

[0047] 图27是表示在该振动发生装置中设为在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下 进行振幅5V以及振幅5V和3. 75V的单极性矩形波的5周期驱动方式的情况以及该情况中 的机械振动器3的总能量E的推移的曲线图。

[0048] 图28是表示在该振动发生装置中设为在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下 进行振幅5V以及振幅5V和3. 75V的单极性矩形波的5周期驱动方式的情况以及该情况中 的机械振动器3的位移x的推移的曲线图。

[0049] 图29是表示在该振动发生装置中设为在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下 进行振幅5V以及振幅5V和3V的单极性矩形波的5周期驱动方式的情况以及该情况中的 机械振动器3的总能量E的推移的曲线图。

[0050] 图30是表示在该振动发生装置中设为在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下 进行振幅5V以及振幅5V和3V的单极性矩形波的5周期驱动方式的情况以及该情况中的 机械振动器3的位移x的曲线图。

[0051] 图31是表示在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后设为5周 期的188Hz的驱动电压V(t)的波形和在该情况下的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0052] 图32是表示在该振动发生装置中在该驱动电压V(t)的情况下的速度v和总能量 E的推移曲线的曲线图。

[0053] 图33是表示在该振动发生装置中在该驱动电压V(t)的情况下的加速度a和总能 量E的推移曲线的曲线图。

[0054] 图34是表示在该振动发生装置中在该驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量 E的推移曲线的曲线图。

[0055] 图35是表示在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后重复188Hz 的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E的曲线图。

[0056] 图36是分别表示在该振动发生装置中,5周期的非共振频率196. 25Hz的驱动电压 V(t)的情况下的位移x和总能量E、在1周期的157Hz之后设为5周期的188Hz的驱动电 压V(t)的情况下的位移x和总能量E、在2周期的157Hz之后设为5周期的188Hz的驱动 电压V(t)的情况下的位移x和总能量E。

[0057] 图37是表示在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后设为非共 振频率(>&)的情况下,相对该非共振频率的值在第2谷部的谷底成为振动停止的周期 数、最大加速度(Gc^Max)、第1峰部的值、第2峰部的值、第2谷部/第1峰部(% )的曲线 图。

[0058] 图38是表示在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后以非共振 频率的198Hz的4周期进行了驱动的情况下的加速度a的曲线图。

[0059] 图39是表述在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后设为3周 期的122Hz的驱动电压V(t)的波形以及该情况下的总能量E的推移曲线的曲线图。

[0060] 图40是表示在该振动发生装置中在该驱动电压V(t)的情况下的速度v和总能量 E的推移曲线的曲线图。

[0061] 图41是表示在振动发生装置中在该驱动电压V(t)的情况下的加速度a和总能量 E的推移曲线的曲线图。

[0062] 图42是表示在该振动发生装置中在该驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量 E的推移曲线的曲线图。

[0063] 图43是表示在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后重复122Hz 的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E的曲线图。

[0064] 图44是分别表示在该振动发生装置中,在3周期的非共振频率117. 75Hz的驱动 电压V(t)的情况下的位移x和总能量E、在1周期的157Hz之后设为3周期的122Hz的驱 动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E、在2周期的157Hz之后设为3周期的122Hz的 驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E的曲线图。

[0065] 图45是表示在该振动发生装置中,在将频率f设为1周期的157Hz之后设为非共 振频率(<&)的情况、相对该非共振频率的值在第2个谷部的谷底成为振动停止的周期 数、最大加速度(Gc^Max)、第1峰部的值、第2峰部的值、第2谷部/第1峰部(% )的曲线 图。

[0066] 图46是表示在该振动发生装置中在将频率f设为1周期的157Hz之后以非共振 频率的129. 5Hz的4周期进行了驱动的情况下的加速度a的曲线图。

[0067] 【符号说明】

[0068] 3. • •机械振动器(圆环状永久磁铁);3a. ••第1端面;3b. ••第2端面;4. •.第 1极片板;5. . •第2极片板;6. . •第1板簧;6a,7a. . •内周侧悬挂部;6b,7b. . •外周侧 悬挂部;7. ••第2板簧;8.••圆柱状铁芯(铁心);9.••筒状壳体;10.••端板(端框); 10b...导通突起;11...印刷布线板;12...保护筒体;13...磁性流体;14...橡胶减震器; 15.. .半月状导电性橡胶;16...橡胶薄片;17...双面胶带;17a...剥离纸;20...强制振 动控制部;Ai~A 12,A/,A5',Z8',Z9'…激振期;a. ••加速度;ai~a3...峰值;B.••固 定部;c.••衰减系数;CpC^F. ••常数;D. ••减震器(衰减构件)删,0&,0队,0队...制振 优势期;E...机械振动器的总能量;f...强制振动频率;..固有频率;K...弹簧系数; L.••电磁线圈;••下段环形线圈;L2. ••上段环形线圈;M,Mp M2.• •最大值(极大值); 111.. .质量#,以,以/...最小值(极小值)办1~^4',乂'...自然衰减期屮...最小 的极大值;S...弹簧构件;SpS2...弹簧端子;I\...第1半周期;T2...第2半周期;T3...第 3半周期;t...时间;V. •第1交替点;t2...第2交替点;UP,呢,UP2,UP3. .•激振优势 期;V(t)...驱动电压;Vi~V3...峰值;V...速度;..第1峰值;V+...第2峰值; 13.. .正弦半波4..位移;和...变向点;21~212,23',2 4',25'...制振期;《...强制 振动的角频率;.固有角频率;《d...衰减固有角频率;C..衰减比

具体实施方式

[0069] 接下来,基于附图对本发明的实施方式进行说明。本例的振动发生装置如图1示 意性地所示那样,具有:衰减系统强制振动的振动线性致动器,相互并列地夹有弹簧系数k 的弹簧构件S和衰减系数C的减震器(衰减构件)D而相对于固定部B支撑具有质量m的 永久磁铁的机械振动器3,具有生成用于提供以非接触方式使机械振动器3往复振动的正 弦波外力Fsin(«t)的动磁场的电磁线圈L;以及强制振动控制部20,生成向电磁线圈L供 电的交流的驱动电压V(t)。在此,F是常数、《是强制(输入)角频率、f= 231/0是强 制(输入)频率。作为减震器D,包括空气减震器、磁性流体减震器、和利用通过永久磁铁的 机械振动器3与电磁线圈L的相对运动而在电磁线圈L中生成的逆电动势来阻止该相对运 动的磁减震器等,但是因为机械振动器3的位移、速度小,所以一般来说减震器的抵抗力能 够近似为与速度成比例的值,该衰减系统强制振动的运动方程式能够通过下式提供。

[0070] m•d2x/dt2+c•dx/dt+kx=F•sin(cot). . . (1)

[0071]x是机械振动器3的振动(响应)位移、t是时间、在本例中m = 1. 40xl(T3(kg), k = 1360 (N/m),c = 4.00 X10_2。

[0072] 接下来,对本例中使用的振动线性致动器的具体的结构进行说明。如图2以及图 3所示,该振动线性致动器具有:在涵盖第1端面3a和第2端面3b的厚度方向上磁化了的 双面2极(轴向各向异性)的圆环状永久磁铁的机械振动器3 ;通过粘接材料固定到第1 端面3a的内周侧的圆环状的第1极片板4 ;通过粘接材料固定到第2端面3b的内周侧的 圆环状的第2极片板5 ;通过点焊接、粘接等方法将内周侧悬挂部6A固定到第1极片板4 并且将外周侧悬挂部6b固定到筒状壳体9的底面的螺旋状的第1板簧6 ;将内周侧悬挂部 7A固定到第2极片板5并且将外周侧悬挂部7b固定到固定于筒状壳体9的开口侧的端板 (端框)10的螺旋状的第2板簧7 ;贯通机械振动器3的中央孔而固定植设在筒状壳体9的 底面的圆柱状铁芯(铁芯)8 ;在贴附在端板10的背面的印刷布线板11之上竖起并从端板 10的透孔外嵌于圆柱状铁芯8的圆筒状的电磁线圈L;在印刷布线板11之上竖起并外嵌于 电磁线圈L的树脂制的保护筒体12 ;填充于在机械振动器3的内周面与保护筒体12的外 周面之间由第1极片板4和第2极片板5夹住的空隙的磁性流体13 ;贴附于印刷布线板11 上缓冲向第2板簧7的内周侧悬挂部7A的印刷布线板11的撞击的橡胶减震器14 ;与印刷 布线板11的背面连接的龙卷状的一对弹簧端子Si、S2;在印刷布线板11的背面跨着缺口地 粘贴、且与端板10的导通突起l〇b接触的软质的半月状导电性橡胶15 ;为了密接地收纳在 振动线性致动器自身的收容空间中(未图示)而粘贴在印刷布线板11的背面的硬质且大 致T字状的橡胶薄片16 ;以及粘贴于筒状壳体9的带剥离纸17A的双面胶带17。

[0073] 圆柱状铁芯(铁心)8也可以由层叠铁板构成。第1端面3a和第2端面3b的外 周侧形成有外圈的闭合磁路,但第1端面3a的外周侧不被圆环状的第1极片板4覆盖,另 外第2端面3b的外周侧不被圆环状的第2极片板5覆盖。

[0074] 本例的电磁线圈L由印刷布线板11上的圆筒状的下段环形线圈U、与其同轴重叠 的圆筒状的反绕串联的上段环形线圈1^2构成,从下段环形线圈1^的端面伸出的第1绕阻终 端与印刷布线板11上的第1线圈连接图案焊接,并且从上段环形线圈L2通过下段环形线圈 U的内周侧而从下段环形线圈L:的端面伸出的第2绕阻末端也与印刷布线板11上的第2 线圈连接图案焊接。并且,第1极片板4的内周缘和第2极片板5的内周缘比作为机械振 动器3的圆环状永久磁铁的内周面还突出,从而靠近电磁线圈L的外周面附近。

[0075] 在本例的振动线性致动器中,作为环状永久磁铁的机械振动器3的磁化方向与电 磁线圈L内的圆柱状铁芯8的方向实质上平行,从作为环状永久磁铁的机械振动器3的第 1端面3a或者第2端面3b输出的磁通经由第1极片板4以及第2极片板5从它们的内周 缘向圆柱状铁芯8的外周面传播并经过圆柱状铁芯8内部,所以,介于保护筒体12的外周 面与机械振动器3的内周面之间的间隙的磁性流体13通过上述磁通成为密封状态,不论振 动线性致动器的姿势如何,都能防止磁性流体13的泄漏。并且,通过该作为缓冲层的磁性 流体13,即使施加冲击外力也能有效地抑制向振动线性致动器的电磁线圈L的撞击,能够 防止电磁线圈L的损伤。即使在不使用磁性流体13而在电磁线圈L上仅覆盖保护筒体12 的情况下,也能够防止振动线性致动器的撞击造成电磁线圈L的损伤。因为存在保护筒体 12,所以能够使与环状永久磁铁3之间的空隙微小化,能够实现振动线性致动器的小型化。 另外,因为成为了微小化的空隙,所以不使用低温特性差的高粘度的磁性流体13,只要使用 低温特性良好的低粘度并且廉价的磁性流体13即可。另外该保护筒体12优选有滑性的材 料,金属材料、树脂材料自不用说,也可以是热收缩管。

[0076] 除了发生基于永久磁铁的机械振动器3和电磁线圈(电磁铁)L交替的两端同磁 极的磁吸引力/反推力之外,因为下段环形线圈U和上段环形线圈L2是反绕串联的,所以 如图4 (A)所示,还通过从第2极片板5的内周面向铁芯8的磁通和流过下段环形线圈1^的 电流产生朝上的电磁力,并且还通过从铁芯8向第1极片板4的内周缘的磁通和流过上段 环形线圈1^ 2的电流产生朝上的电磁力。另外,如图4(B)所示,如果流过下段环形线圈1^和 上段环形线圈。的电流为反方向,则通过从第2环状极片板5的内周缘向铁芯8的磁通和 流过下段环形线圈U的电流发生朝下的电磁力,并且通过从铁芯8向第1环状极片板4的 内周缘的磁通和流过上段环形线圈L2的电流发生朝下的电磁力。因此通过磁吸引力/反 推力和电磁力,机械振动器3进行往复振动。

[0077] 电磁线圈L的磁化方向和机械振动器3的磁化方向实质上平行,且下段环形线圈 U和与其反绕地串联的上段环形线圈L2的外侧端侧彼此为同磁极,且内侧端侧彼此为同磁 极,所以机械振动器3通过磁吸引力/反推力而进行往复振动。伴随线圈电流的交替,针对 机械振动器3生成用于向其厚度方向往复驱动的往复振动磁场,在厚度方向上磁化了的机 械振动器3中磁回路闭环化,从而能够防止泄漏磁通,所以有助于振动强度的提高或者低 能耗化。另外,因为是闭环的磁回路,所以如果切断线圈电流,则通过振动惯性而对电磁线 圈L生成逆电势,作为反作用而发生针对机械振动器3的制动力,能够实现振动衰减的短时 间化。

[0078] 接下来,对上述的振动线性致动器的驱动方式、即供给电磁线圈L的驱动电压V(t)的信号方式进行说明。在此,上述振动线性致动器的固有频率&的值是157Hz。该固 有频率&是除了衰减构件D以外的非衰减系统的固有频率(=(K/m) 1/2),但实际上,在使 用衰减比G( =c/2(mK)1/2)、且G<1时,一般来说,能够通过下式来提供具有如上述的振 动线性致动器那样的衰减构件D的衰减系统的固有频率fd。

[0079] fd=f0(1-^ 2)1/2 …(2)

[0080] ^ = 1/2Q …⑶

[0081] 在此的Q值在实测时约为25,但优选15~40左右。衰减比G的计算值为0. 02, 衰减系统的固有频率fd与非衰减系的固有频率f〇的差最高不超过0. 2%左右,所以衰减固 有频率fd与非衰减系固有频率f^实质上相等,并且能够通过ff157Hz很好地近似。 本例的振动线性致动器存在因为机械振动器3在筒状壳体9内往复振动而很小的空气减震 器、基于第1板簧6以及第2板簧7的很小的机械摩擦减震器、基于磁流体13的粘性减震 器、以及基于磁线圈L的逆电动势的磁减震器等,所以,勿庸置疑的是虽然是衰减比> 0),但并不是设G大于1而出于使振动急剧地衰减的目的使用非常强的粘性材料(G多1) 等作为减震器使用。在本例中始终示出G <1、且在自然衰减中过于通过振动位移的位移 原点而一边向相反侧振动一边交替地逐渐衰减的方式。

[0082] 并且,在G < 1时,(1)式的一般解作为衰减系统的自由振动解和强制振动的特 解之和通过下式提供。

Figure CN102347678BD00121

[0083]

[0084]

[0085] 其中,Q,C2是由初始条件决定的常数、w是强制振动的角频率、《 ^是固有角频 率、是衰减固有角频率。

[0086] C =F/m{(«02-«2}2+(2 ^ 〇0〇)2}1/2> 0

[0087] 其中

Figure CN102347678BD00122

[0088] 并且,本例的初始条件是x(0) = 0、dx/dt|t = (l= 0,所以有

Figure CN102347678BD00123

[0091] 在此,使用tan0 = (VC2,如果合成(4)式的3个波,则能够改写为下式。

[0089]

[0090]

Figure CN102347678BD00124

[0100] 该响应位移x的振动现象的情况如图5所示,成为"差频振动"。图5表示频 率f•为196. 25Hz的驱动电压V(t)的情况下的差频振动。在(5)式中示出:包含低频 率的波COS{(CO-(Od)t- (0+tp)}的1/2次幂的项是差频波,成为高频率的基本波的

Figure CN102347678BD00131

丨勺响应振幅,该响应振幅以差频周期tb= 2JI/I«-«d|周期性地变化。从低频率的波取+1的点开始连结差频波中的峰部的顶点的 峰部包络线通过从上方逐渐向x=C的渐近线靠近的{C+^^+Cj^exphec^t)}提供, 另外,从低频率的波取-1的点开始连结差频波中的谷部的谷底点的谷部包络线通过从下 方逐渐靠近x=C的渐近线的{(HC^+C/^expd«nt)}提供。在t-时,成为仅剩 下响应振幅收敛于C的f的强制振动成彡

Figure CN102347678BD00132

丨的稳定状态。达到该稳定状态 之前的过渡状态(迀移状态)为差频振动现象。在驱动开始t= 0时,在差频波中含有初 始相位(0+<p),所以差频波在第1个谷部从严格意义上讲不是从振幅0开始的起点,基本波 的相位从零开始。在该差频振动过程中,在第1个峰部的顶点、即

Figure CN102347678BD00133

的时刻成为最大振幅,在第2个谷部的谷底点、S丨

Figure CN102347678BD00134

I的时刻成为 除振动开始时刻外的最小振幅。因此,本例的振动发生装置如果为了发挥振动触觉效果而 在第2个谷部停止驱动,则落差(振幅差)为最大振幅和最小振幅之差,而成为最大值,且 能够使静止之前的自然衰减时间最短化,所以振动停止的截止良好。

[0101] 另外,根据(6)式可知:如(6)式所示地,作为时间的函数的相位a(t)以从 〇[(0) = ((()-0)/2开始、并收敛于€[(00) = («-«(1)1:/2-(0+9)/2的方式随 时间变化,所以基本波(位移x)的频率从振动开始时刻的平均频率{(« + «d)t/2}被逐渐 地引入到强制振动数《侧并在稳定状态下成为强制振动数K« + «d)t/2+(«-«d)t/2}= C00

[0102] 在此,如果假定为0+(()=0,或者能够以近似为0+cp=〇的方式适当地设定衰减比 G、驱动频率f等参数,则在f<fd的情况下,例如,在f 157Hz且f= 130. 83Hz时,差 频频率fB=(fd-f)为26. 17Hz,从驱动开始(t= 0)到成为差频波的第2个谷部的谷底点 的时刻是差频周期TB( =lAfd-f))后的时刻、约0. 038秒后。在该最小振幅时停止驱动 电压V(t)是最好的。因为在差频波的谷部,位移x的振幅时间平均地收缩而保障弹簧构件 S(第1板簧6以及第2板簧7)的形变能量减少的倾向。在之后的非驱动期间,成为使残留 的能量以衰减比G的自然衰减消耗的微弱的余振,能够缩短到振动停止为止的时间。

[0103] 相反地,在fd<f的情况下,例如在fQ= 157Hz且f= 196. 25Hz时,差频频率fB 为39. 25Hz,从驱动开始(t= 0)到成为差频波的第2个谷部的谷底点的时刻是差频周期Tb =lAf_fd)后的时刻、约0.025秒后。同样地,在这样的最小振幅下停止驱动电压V(t)是 最好的。能够缩短到振动停止为止的时间。

[0104] 到上述的第2个谷部的谷底点之前的时间,为了方便起见,为0.038秒、0.025秒等 差频周期TB( =lAfd-f))的时间,也可以在强制振动控制部20中设置以该千分之1秒级 进行计时的计时器功能,但是因为可以说驱动电压V(t)的周期自身就是一种时钟信号,所 以,从驱动开始到驱动停止的驱动时间通过驱动频率f的周期数进行计量的方式在结构以 及软件上更方便。因此,当设驱动电压V(t)的周期(1/f)的周期数为n时,

[0105] n/f=l/fB=l/|fd-f • • • (7)

[0106] 成立。在此,设fd=f。,

[0107] 在fQ<f•时,

[0108] f=nf〇/ (n-1)... (8)

[0109] 在f<f•。时

[0110]f=nf〇/ (n+1)... (9)

[0111]n不限于自然数,也可以是0. 5的倍数。

[0112] 表1表示fQ= 157Hz且fQ<f的情况。

[0113]

Figure CN102347678BD00141

[0114] 表2表示fQ= 157Hz且€ <fQ的情况。

[0115]

Figure CN102347678BD00142

Figure CN102347678BD00151

[0116] 另外,作为本例的驱动方式的1个特征,不是使对电磁线圈L供电的交替的驱动电 压V(t)的频率f与机械振动器3的固有频率(&= 157Hz) -致,而是设定为从其完全偏 移了的非共振频率,从而使差频振动出现。如果对该差频振动进行力学分析,则如后述那样 地使激振动和制振动交互地重复。

[0117] (两极性正弦波连续驱动方式)

[0118] 图6通过粗线表示在以细线表示的驱动电压V⑴的频率f•为130. 83Hz的情况下 的机械振动器3的总能量E的推移曲线。另外,虚线假想地重叠表示固有频率沁=157Hz) 的共振状态。纵轴将驱动电压V(t)的电压(V)、总能量E以及位移x的最大值都表示为 100%。图6表示从驱动开始到迀移到仅强制振动的频率成分(f)成为优势的稳定状态为 止的差频振动的过渡状态。另外,机械振动器3的总能量E(t)是机械振动器3的运动能量 T(t)和弹簧构件S(第1板簧6以及第2板簧7)的形变能量U(t)的总和。

[0119] E(t) =T(t)+U(t) =m(dx/dt)2/2+kx2/2. . . (10)

[0120] 在图6的驱动方法中,因为强制性地以非接触方式使机械振动器3以远离固有频 率(fQ= 157Hz)将近2成的慢频率(f= 130. 83Hz)振动,所以根据总能量E的推移可知, 基于电磁线圈L发生的动磁场的正弦波外力F.sin(«t)向机械振动器3的振动方向作用 的激振动的期间(激振期A)和该力向与机械振动器3的振动方向相反方向作用的制振动 的期间(制振期Z)交互重复地出现。激振期A在总能量E中相当于能量上升过程,制振 期Z在总能量E中相当于能量下降过程。如后述那样,只要驱动电压V(t)在强制振动频率 (f)下作为规定振幅的正弦波连续,则因为激振期A以其时间的降序出现、制振期Z相反地 以其时间的升序出现,所以激振期A的时间为强制振动频率(f)的1/4周期以上且制振期 Z的时间为强制振动频率(f)的1/4周期以下的激振优势期UP,和在过了该激振优势期UP 后的激振期A的时间为强制振动频率(f)的1/4周期以下且制振期Z的时间为强制振动频 率(f)的1/4周期以上的制振优势期DN交互地重复。该激振优势期UP和制振优势期DN 交互地重复的高次周期性与位移X的差频周期TB相当,与从差频波的谷部到谷部的时间对 应。在经过相当时间时,激振优势期UP和制振优势期DN的周期性起伏变得缓慢而平坦化, 总能量E向一定值(kC2/2)收敛,并且稳定在仅剩下强制振动成分(f= 130. 83Hz)的稳定 状态。并且,本例的振动发生装置为了做到能够发挥振动触觉效果,设为在进入制振优势期 DN并开始自制动之后停止驱动电压V(t)的结构。

[0121] 图6中的总能量E的最大值(极大值)M出现在最初的激振优势期UPi的最后的激 振期A5结束的时刻、差频波的第1个峰部的顶点、S卩、在驱动电压V(t)的周期(1/f)中约 2. 25周期结束的时刻。除了总能量E的初始值以外,最小值(极小值)N为最初的制振优势 期DR中的最后的制振期Z1(l结束的时刻、差频波的第2个谷部的谷底点、S卩、驱动电压V(t) 的周期(1/f)的5周期时刻、还有固有频率&的周期(1/fJ的6周期时刻,在位移x的周 期数中也可以为5. 5周期的时刻。因为该最小值N是最大值M的约8%,所以在驱动时间5 周期(38.22ms)时使驱动电压V(t)驱动停止,则之后的机械振动器3从该最小值N开始经 过短时间的自然衰减而静止。另外,在最初的制振优势期〇&中的最后驱动停止的情况下, 能够作为触觉上最强的1节拍而被感知,在第2个制振优势期DN2的最后驱动停的情况下, 能够作为触觉上的2节拍而被感知。

[0122] 图7通过粗线表示在以细线表示的驱动电压V(t)的频率f为196. 25Hz的情况下 的机械振动器3的总能量E的推移曲线。另外,虚线假想地重叠表示固有频率沁=157Hz) 的共振状态。纵轴将驱动电压V(t)的电压(V)、总能量E以及位移x的最大值都表示为 100%。在该驱动方式中,也示出从驱动开始到迀移到仅强制频率成分f•成为优势的稳定状 态为止的差频振动的过渡状态。这次,虽然是强制性地以非接触方式使机械振动器3以远 离固有频率(fQ= 157Hz)将近2成的慢频率(f= 196. 25Hz)振动,但同样地,基于电磁线 圈L的振动磁场的正弦波外力F/sin(on)向机械振动器3的振动方向作用的激振动的期 间(激振期A)和该外力向与振动方向相反方向作用的制振动的期间(制振期Z)交互地重 复出现。激振期A在总能量E中相当于能量上升过程,制振期Z在总能量E中相当于能量 下降过程。如后述那样,只要驱动电压V(t)在强制振动频率(f)下作为规定振幅的正弦波 连续,则因为激振期A以其时间的降序出现、制振期Z相反地以其时间的升序出现,所以激 振期A的时间为强制振动频率(f)的1/4周期以上且制振期Z的时间为强制振动频率(f) 的1/4周期以下的激振优势期UP,在过了该激振优势期UP后的激振期A的时间为强制振动 频率(f)的1/4周期以下且制振期Z的时间为强制振动频率(f)的1/4周期以上的制振优 势期DN交互地重复。该激振优势期UP和制振优势期DN交互重复的高次周期性与差频周 期TB相当,与从差频波的谷部到谷部的时间对应。在经过相当时间时,激振优势期UP和制 振优势期DN的周期性起伏变得缓慢而平坦化,总能量E向一定值(kC2/2)收敛,并且稳定 为仅剩下强制振动成分(f= 196.25Hz)的稳定状态。并且,本例的振动发生装置为了做到 能够发挥振动触觉效果,在进入制振优势期DN并开始自制动之后停止驱动电压V(t)。

[0123] 图7中的总能量E的最大值(极大值)M出现在最初的激振优势期UPi的最后 的激振期、结束的时刻、差频波的第1个峰部的顶点、S卩、在驱动电压V(t)的频率(f= 196. 25Hz)中约2. 5周期的时刻。除了总能量E的初始值之外,最小值(极小值)N为最初的 制振优势期DR中的最后的制振期Z9结束的时刻,不过,在该最初的制振优势期中在最 后的制振期4之后进入最后的激振期A1(|,在该最后的激振期A1(l结束的时刻为5周期结束, 并示出比最小值(极小值)N略高的最小的极大值P。如后述那样,激振期A1(l混入是因为在 制振期Z9中变为了微小振动但驱动电压高,所以相位过于超前,从而下一个激振期A1(|早到 了的缘故。该最小的极大值P是最大值M的约5%,所以如果在驱动时间5周期(25. 48ms) 时使驱动电压V(t)驱动停止,则之后从极大值P开始进行自然衰减。该停止时刻也可以是 固有频率&的周期(1/fJ的4周期时刻。另外,也可以不是在最小的极大值P时停止驱动 电压V(t),而是在5周期即将结束前的最小值(极小值)N时停止驱动电压V(t)。因为最 小值(极小值)N是最大值M的约3 %,所以在该时刻进入不灵敏域,从而不需要等待自然衰 减。另外,在最初的制振优势期〇&中的最后驱动停止时能够作为触觉上最强的1节拍而 被感知,在第2个制振优势期0队的最后驱动停止时能够作为触觉上的2节拍而被感知。

[0124] 图6示出,在固有频率&为6周期量、驱动电压V(t)的驱动时间为5周期量中,位 移x的初始振动现象交替地重复出现激振期A和制振期Z,发生差频振动,最初的制振优势 期〇&的最后的制振期Z1(|以最小值(极小值)N结束。如果以符号" | "表示作为输入的土 两极性的驱动电压V(t)的极性切换的交替点(过零点)、以符号" •"表示作为响应的位移 x的振动的方向反转的变向点(峰值)、以" < "表述驱动开始、以" > "表示驱动停止,则在 图6的最初的制振优势期0&之前的初始差频振动在总能量E的曲线中为中央峰值凸形模 式,能够表现为<4 •z1|a2.z2|a3*z3|a4.z4|a5*z5|a6.z6|a7*z7|a8.z8|a9.z9|a10*z1。 >。另外,A5*Z5表示处于中央峰值凸形的波峰的半周期(l/2f)部分,第5激振期A5和第 5制振期Z5的时间各自大概为1/4周期(l/4f)。从第1激振期Ai到第5激振期A5是最初 的激振优势期UPi,从第5制振期Z5到第10制振期Z1(|是最初的制振优势期DNi。在该驱动 方式的任意的半周期中,以都表现为|A/Z|的方式,在激振期A中在机械振动器3减速而振 动不能增加的位置发生变向而后进入制振期Z。以下将其称为"激振变向"。

[0125] 另一方面,在图7中示出在固有频率&为4周期量、驱动电压V(t)的驱动时间为 5周期量中,位移x的差频现象在最初的制振优势期DR的最后的制振期Z9结束的情况。图 7的在最初的制振优势期0&为止的初始振动现象在总能量E的曲线中为中央峰值凸形模 式,能够表现为<AiIZi•A21Z2 •A31Z3 •A41Z4 •A51Z5 •A61Z6 •A71Z7 •A81Z8 •A91z9>。在该 驱动方式的任意的半周期中,在制振期Z中针对机械振动器3的制动效力过度,在变为向相 反方向振动返回变向之后进入激振期A。以下将其称为"制振变向"。从第1激振期&到第 5激振期A5为最初的激振优势期UPi,从第5制振期Z5到第9制振期Z9为最初的制振优势 期DR。但是,第9制振期&的终点不是驱动电压V(t)的能动的交替点,而是位移x的被 动的变向点,该变向点比5周期的结束时刻早若干地出现从而变得不一致。在第9制振期 &中已经衰减成微小振动,但是与其相比驱动电压V(t)的振幅值高,所以制振作用过于强 大,所以位移x的变向点早到来,其结果是,在5周期的结束时刻前进入下一个激振期八1(|。 也可以在5周期的结束时刻之前的最小值N的时刻停止驱动电压V(t),但是如后述那样,优 选在最初的制振优势期DR的最后的制振期Z9中事先抑制驱动电压V(t)的振幅值,使最小 值N的时刻软着陆在5周期的结束时刻的位移原点零处。另外,图6的最小值N的时刻不 是位移x的变向点而是驱动电压V(t)的交替点,所以不会比5周期的结束时刻早出现。

[0126] 另外,在此返回基本情况,对衰减系非共振型强制振动的过度状态中的激振期A 和制振期Z的振动现象(差频振动)进行进一步的分析。首先,为了说明总能量E(t)的行 迹,如果根据(10)式求出能量增减速度、dE/dt,则

[0127] dE/dt=dx/dt•(m•d2x/dt2+kx). . • (11)

[0128] 该右边的括弧内的内容能够使用(1)式的运动方程式改写。

[0129] dE/dt=(F•sin(«t)-c•dx/dt)dx/dt. •• (12)

[0130] 总能量E(t)取极值(极大值或者极小值)时,因为dE/dt= 0,所以是

[0131] dx/dt= 0 . . . (13)

[0132] 或者、

[0133] dx/dt = (F/c)sin(c〇t) ... (14)

[0134] 成立时。

[0135] 在此,假设dx/dt辛0并尝试对(14)的微分方程式求解,则

[0136] x= (_F/c«)cos(«t)…(15)

[0137] 但是在衰减系非共振型强制振动中,位移x不是角频率《的余弦函数,所以将 (13)式的一方确定为解,因此,一个极值是位移x的变向点(峰值)时。并且,将(13)式代 入(12)时,成为

[0138] sin(wt) = 0 ... (16)

[0139] 所以另一个极值是过零点、即驱动电压V(t)的交替点时。

[0140] 由此,在交互地交替两极性的驱动电压V的交替点时和位移x的变向点时取总能 量E的极值,但是由于极值中存在极大值和极小值,所以存在两种情况。如后述那样,在& <f的情况下,振动初始如<AilZi*A2|Z2所示地以"制振变向"的方式推移,在通过驱动电 压V的交替而产生的制振中发生变向而变为自激振动,所以在驱动电压V(t)的交替点时成 为总能量E的极大值,在位移x的变向点时成为总能量E的极小值。相反地,当f<&的情 况下,振动初始如< 4 •Zi|A2 •Z2所示地以"激振变向"方式推移,在通过驱动电压V(t)的 交替而产生的激振中发生变向而变为自制振动,所以在位移x的变向点时成为总能量E的 极大值,在驱动电压V(t)的交替点时成为总能量E的极小值。

[0141] 首先,作为fQ<f的一例,图8的虚线表示在频率f( = 2JT/ «)为196. 25Hz的 驱动电压V(t)下进行振幅5V的5周期驱动的情况下,机械振动器3的位移x的推移曲线, 图8的实线表示在频率f( = 2JT/«)为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的2. 5 周期驱动之后进行振幅4V的2. 5周期驱动的情况下,机械振动器3的位移x的推移曲线。 另外,固有频率(fd~f〇)为157Hz。位移x的相位是比驱动电压V(t)的相位滞后若干的 相位,但是因为驱动电压V(t)的频率f( = 196. 25Hz)比固有频率(fQ= 157Hz)快,所以 会更加滞后。在驱动电压V(t)的最初的交替点时运动能量仍然残留,因为该剩余能量的存 在,位移x仍然处于向最初的振动方向的振动增加过程中,过了该交替点时变为自制振作 用并进入最初的制振期〖 1,位移x在最初的变向点(峰值)之前进行减速,然后在第2激振 期A2中位移x转化为振动返回过程并通过位移原点,由于该反向运动在反方向之前振动增 加。在该反方向的振动增加过程中第2的交替点到来,进入第2制振期Z2,但第2激振期A2 与第1激振期4相比能量增加了与振动返回过程相当的量,所以,第2制振期Z2比第1制 振期Zi更长。第3激振期A3比第2激振期A2短,但振幅增加,所以向反方向的振动增大。 不久,第5制振期Z/变得与第5激振期A5时间大致相同,所以振幅不增加,进入制振优势期 DK。第1激振期&的期间为驱动电压V(t)的半周期(l/2f)。在位移x的变向点(峰值) 处相对地施加到机械振动器3的往复磁场变为反向,并成为第1制振期Zi的终点。下一个 半周期(l/2f)为第1制振期Zi和第2激振期A2之和。根据图8可知,激振期八1~六9在激 振时间上以降序(在相位差上为180°~约30° )推移,相反地,制振期&~29在制振时 间上以升序(在相位差上为约30°~180° )推移,最初的激振期&的激振时间为半周期 (l/2f)、在相位差上为180°,但是制振期Zi的制振时间和下一个激振期Ai+1的激振期间之 和为半周期(l/2f),相位差为180°。另外,位移x的最大值M在驱动电压V(f)的2.5周 期处出现。

[0142] 根据图8可以看出,最大值M的时刻是驱动电压V(t)的2. 5周期,但在之后的制 振优势期〇&的2. 5周期处在虚线的振幅5V和实线的振幅4V处出现差异。在后半制振优 势期〇&的2. 5周期处从振幅5V降压为振幅4V的连续驱动中,强制振动频率f的强制振 动力减弱若干量,固有振动数f〇的自由振动性恢复若干,所以滞后若干相位,并且在制振变 向中变向点滞后与制振作用减弱相当的量,从而制振期间可靠地延长、相对地下一个激振 期间缩短且激振作用减弱,所以能量消耗大于等于振幅5V驱动的情况。在制振优势期DR 中,即将驱动停止前的降压发挥使位移x的相位滞后的效果和基于激振力减退的能量消耗 的效果。为了得到急剧的振动触觉效果,当务之急是制动时间的缩短化。在制振优势期DR 中使机械振动器3急速静止表示在位移原点的速度变为零。虽然在5周期结束时刻的虚线 的5V仍然具有速度,在自然衰减中余振托尾,但在实线的4V驱动中峰值软着陆到位移原 点,几乎没有余振。另外,振幅电压的降压方式也可以不是阶梯状而是连续的衰减。

[0143] 图9的虚线表示在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的5周期 驱动和在这种情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲线,图9的实线表示在频率f•为 196. 25Hz的驱动电压V(t)下在振幅5V的2. 5周期驱动之后进行振幅4V的2. 5周期驱动 和在这种情况下的机械振动器3的总能量的推移曲线。另外,固有频率(f产U为157Hz。 根据图9可知,驱动电压V(t)的交替点(过零点)和总能量E的极大值对应。最大值M的 时刻是2. 5周期结束时,但在之后的制振优势期0队的2. 5周期的期间在振幅5V和振幅4V 处出现差异。振幅4V的一方在各制振期Z中的制振作用减弱若干,在各激振期A中的激振 作用也减弱,作为整体在制振优势期〇&中制振作用增强,在其末期,5V的情况下自然衰减 延长,4V的情况下快速收敛为零。

[0144] 虽然图中没有指明,但在制振优势期DR的2. 5周期中,尝试了将驱动电压V⑴的 振幅升压为6V,但是强制振动频率f•的强制振动力加强若干量、固有频率&的自由振动性 减弱若干,所以提前若干相位,并且变向点提前与制振作用加强相当的量,制振期间缩短, 相对地下一个激振期间变长、且激振作用加强,引起大于等于振幅5V驱动时的能量蓄积, 是相反效果。另外,还有其它的不适合的情况。因为激振优势期UPi中的驱动电压V(t)设 为振动发生装置允许限度的最大电压(通常5V)而使之快速激振,所以如果没有特别的升 压回路的设备,则在制振优势期DR中不能供给该最大电压以上的电压。另一方面,在制振 优势期〇&的2. 5周期中,尝试了将驱动电压V的振幅进一步降压为3V,但是如果电压过 低,则制振作用变得非常弱,所以制振期间变长,没有引起"制振变向"就交替而成为"激振 变向",从而切换为微弱的激振优势期,比5V的情况更晚地接近零。因此,在遍及制振优势 期0&的2. 5周期地将驱动电压V(t)的振幅值设为恒定的情况下,存在最佳值,在本例中 优选激振优势期UPi的振幅值的80%、4V。另外,该值实质上伴有些许的宽度,这一点自不 用说,可以为70%左右。

[0145] 图10的实线表示在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的5周期 驱动时的加速度的推移,图10的虚线表示在2. 5周期后将驱动电压V(t)设为零而进行自 然衰减时的加速度。驱动电压V(t)的2. 5周期时刻相当于总能量E的极大值M,但如果在 此处停止驱动电压V(t),则如虚线所示的那样自然衰减中的余振相当长地拉长,所以设为 5周期驱动、并在制振优势期DR的末期停止驱动电压V的一方非常早地静止。截止良好, 能够发挥振动触觉效果。加速度振动的包络线作为一节拍而被感知。另外,加速度零与位 移x的变曲点对应。

[0146] 图11的虚线表示在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的5周期 驱动的情况下,机械振动器3的位移x和总能量E的推移曲线,图11的实线表示在频率f 为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的2. 5周期驱动之后进行振幅4V的2. 5周期 驱动的情况下,机械振动器3的位移x和总能量E的推移曲线。另外,固有频率(fd~fJ 为157Hz。根据图11可知,位移x的变向点(dx/dt= 0)和总能量E的极小值(dE/dt= 0,d2E/dt2< 0)对应。最大值M的时刻为2. 5周期结束时,但是在之后的制振优势期DN:的 2. 5周期中关于振幅5V和振幅4V的差异、关于总能量E出现和图8相同的情况,但在位移x 的曲线中能够看到振幅5V的自然衰减的拉长的情况。如果在制振优势期DR中的激振期A 中驱动电压V(t)的振幅大,则激振作用加强所以加大了位移x。仔细观察5V位移(虚线) 和4V位移(实线)时,4V位移(实线)的一方电压值低,所以相位滞后若干,但是因为能够 减弱激振期A中的激振作用,所以结果是快速向静止点收敛。

[0147] 这次,作为f< &的一例,图12的虚线表示在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t) 下进行振幅5V的5周期驱动的情况下,机械振动器3的位移x的推移曲线,实线表示在频 率f•为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的2. 5周期驱动之后进行振幅3. 5V的 2. 5周期驱动的情况下,机械振动器3的位移x的推移曲线。另外,固有频率沁~匕)为 157Hz。位移x的相位虽然比驱动电压V(t)的相位滞后若干,但是驱动电压V(t)的频率 f( = 130.83Hz)比固有频率(fQ= 157Hz)还慢,所以在驱动电压V(t)的最初的交替点之 前,位移x在向最初的振动方向的振动增加过程中达到变向点(峰值)。从该变向点起变 为制振期Zi,在变为振动返回过程后最初的交替点到来,成为第2激振期A2。位移x在该振 动返回后通过位移原点,在反方向之前振动增加。在该反方向的振动增加过程中切换为第 2变向点,所以进入第2制振期Z2,但是在第2激振期A2中能量增加了与振动返回过程相 当的量,所以第2制振期Z2比第1制振期Z:长。因此,第3激振期A3比第2激振期A2短, 但是振幅增加,所以向反方向的振动变大。不久,第5制振期Z5和第5激振期A5时间变得 大致相同,所以振幅不增加,进入制振优势期DR。在位移x的变向点(峰值)处,机械振动 器3自身相对往复磁场变为反方向,成为制振期Z的始点。在驱动电压V(t)的零点(交替 点),施加到机械振动器3的往复磁场变为反方向,成为制振期Z的终点。另外,根据图12 可知,激振期Ai~A1(|在激振时间上以降序(在相位差上为约160°~约20° )推移。如 果与图8的情况进行比较,则第1个目的激振期&的激振期间小于半周期(l/2f)。第i个 激振期A的激振期间和制振期Zi的制振时间之和为半周期(l/2f)。另外,位移x的最大 值M在2. 25周期处出现。

[0148] 根据图12可知,在2. 25周期后的制振优势期0&中,在虚线的振幅5V和实线的振 幅3. 5V处出现差异。在后半制振优势期0&的2. 75周期处从振幅5V降压为振幅3. 5V的 连续驱动中,强制振动频率f的强制振动力减弱若干量、固有频率fo的自由振动性恢复若 干,所以相位提前若干,并且在激振变向中变向点提前与激振作用减弱相当的量,激振期间 变短,相对地下一个制振期间变长,所以能量消耗大于等于振幅5V驱动的情况。即将驱动 停止前的降压发挥使位移x的相位提前的效果和基于激振力减退的能量消耗效果。制振优 势期〇&中的机械振动器3的急速静止表示在位移原点的速度为零,但是在5周期结束时 刻的虚线的5V的情况下还具有速度,自然衰减的余振托尾,但在实线的3. 5V的情况下速度 大致变为零。

[0149] 在后半2. 5周期中,尝试了将驱动电压V(t)的振幅设为6V,但是各制振期Z中的 制振作用增强,各激振期A中的激振作用也增强,作为整体,在制振优势期DR中制振作用 减弱,在其末期比5V时晚接近零。另外,在制振优势期DR的后半2. 5周期中,尝试了将驱 动电压V(t)的振幅设为3V,但各制振期Z中的制振作用非常弱,各激振期A中的激振作用 也非常弱,作为整体,在制振优势期〇&中制振作用减弱,在其末期比5V的情况晚接近零。 因此,在遍及后半2. 5周期地将驱动电压V(t)的振幅值设为恒定的情况下,存在最佳值,在 本例中优选激振优势期UPi的振幅值的70%、3. 5V。该值实质上伴有一些宽度,这一点自不 用说。在制振优势期DR中优选降压到70%。

[0150] 图13的虚线表示在频率f•为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的5周期 驱动和在这种情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲线,图13的实线表示在频率f•为 130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的2. 5周期驱动之后进行振幅3. 5V的2. 5周期 驱动以及在这种情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲线。另外,固有频率(fd~ 为157Hz。根据图13可知,驱动电压V(t)的交替点(零点)和总能量E的极小值(dE/dt=0,d2E/dt2>0)对应。振幅3.5V在激振期中开始所以激振作用弱,在制振期Z中总能 量E也降低了与该峰值降低相当的量,在制振优势期DR的末期,在5V的情况下自然衰减 拉长,但3. 5V的情况下快速收敛为零。

[0151] 图14的虚线表示在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的5周期 驱动的情况下,机械振动器3的位移x和总能量E的推移曲线,图14的实线表示在频率f 为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的2. 5周期驱动之后进行振幅3. 5V的2. 5周 期驱动的情况下,机械振动器3的位移x和总能量E的推移曲线。另外,固有频率(f产 为157Hz。根据图14可知,振动位移x的峰值(dx/dt= 0)和总能量E的极大值(dE/dt= 0,d2E/dt2< 0)对应。在后半2. 5周期的末期,在振幅5V和振幅3. 5V处出现差异。在制振 优势期DR中的激振期A中驱动电压V(t)的振幅大时,激振作用强,所以就加大了位移X。 仔细观察5V中的位移(虚线)和3. 5V中的位移(实线)时,3. 5V中的位移(实线)的一 方电压值低,所以相位滞后若干,但是能够减弱激振期A中的激振作用,所以结果是向静止 点快速收敛。

[0152] (两极性矩形波连续驱动方式)

[0153] 图15的虚线表示在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V两极性矩 形波的5周期驱动方式的情况以及以及在该情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲 线,图15的细线表示通过调整电压2. 75V仅选择驱动了上述驱动方式中的应该成为激振优 势期即:的制振期Z和制振优势期DN:的激振期A的期间的情况以及该情况下的机械振动 器3的总能量E的推移曲线,图15的粗线表示通过调整电压0V仅选择驱动了应该成为上 述驱动方式中的激振优势期制振期Z和制振优势期DN^勺激振期A的期间的情况以 及在该情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲线。另外,图16的虚线表示在频率f为 196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V交替矩形波的5周期驱动方式中的位移x和总能 量E的推移曲线,图16的粗线表示以调整电压2. 75V仅选择驱动了应该成为上述驱动方式 中的激振优势期即:的制振期Z和制振优势期DN:的激振期A的期间时的位移x和总能量 E的推移曲线,图16的细线表示以调整电压0V仅选择驱动了应该成为上述驱动方式中的激 振优势期即:的制振期Z和制振优势期DN:的激振期A的期间时的位移x和总能量E的推 移曲线。

[0154] 图15的驱动电压V(t)不是如图8那样的两极性正弦波而是两极性矩形波,所以 图15的总能量E的虚线比图9的虚线在极值附近平滑度较差,呈折线地推移。在应该成为 激振优势期制振期Z、制振优势期0\的激振期A的期间中的调整电压2. 75V、0V的选 择驱动以在振幅5V矩形波驱动方式中的制振期Zi~Z4和激振期A6~A9中替代5V而附加 的方式进行控制,所以如图16所示地,与虚线时相比在位移上相位的滞后累积地出现。在 激振优势期UPi的制振期ZZ4中制振力减弱,所以与虚线时相比位移x的相位滞后,另 外,在制振优势期DN1的激振期怂~八9中激振力减弱,所以和虚线时相比位移x的相位仍 然有滞后的倾向。在调整电压2. 75V时,在制振期Z8中虽然是微小振动,但电压高且制振作 用过强,所以位移x在返回位移原点之前向反方向激振而相位更加滞后,本来应该成为制 振期Z9的期间成为激振期Z9'。在制振期Z8中在位移原点附近具有速度零点,所以优选在 此驱动停止。虚线的情况下的极小值N存在于制振期&中,但在调整电压2. 75V时极小值 N'在制振期&中提前出现。在调整电压0V时,成为自然衰减(freerun),所以示出位移 x的相位比调整电压2. 75V时进一步滞后的倾向。因此,本来应该成为制振期Z8、Z9的期间 成为了激振期V、Z9'。所以,极小值N"与调整电压2.75V时相比更早地在激振期\ 中出现。极小值的大小关系为N~<N'<N",N"在进入不灵敏域之前需要等待若干自 然衰减,但是N、N'处于不灵敏域中。

[0155](偏加速度发生驱动方式)

[0156] 在以上的两极性驱动方式中,如图8、图11、图12、图14以及图16所示地,位移x 过位移原点而正负交互地振动,描绘出1周期以上的交替的连续波,所以例如如图10所示 地,加速度的峰值在往复振幅的正负双方向上交互地出现,作为推拉双方向的一节拍而被 感知。即、向一方向的推的加速度和向反方向拉的加速度成对,成为双方向加速度振动。与 此相对,以下对利用衰减系统非共振型强制振动的迀移状态中差频振动现象、在一方向上 为强加速度在其它方向上为弱加速度从而具有知觉性的单极性波形的生成方法进行说明。

[0157] 作为上述(5)式的差频振动的极限例,在差频周期TB=l/|fd_f|和基本波的周期 1/2 (fd+f)相等时,为以下两种情况。

[0158]在fd<f•时,f= 3fd

[0159]在f<fd时,f=fd/3

[0160] 在差频波的第2个谷的谷底点驱动停止这一点和此前一样。

[0161] 另外,作为f= 3f产3fQ时的例子,图17(A)表示针对471Hz的驱动电压V(t)的 1. 5周期驱动的总能量E的推移,图17 (B)表示作为针对上述驱动的位移x的推移的单极性 波形。471Hz的驱动电压V(t)相当于表1的周期数1. 5的情况,强制振动频率f= 471Hz 为固有频率&= 157Hz的3倍的非共振频率,非常快。该驱动电压V(t)的1.5周期波形为 由负极性第1正弦半波A和正极性第2正弦半波W2以及负极性第3正弦半波W3构成的交 替波(两极性脉冲),各自的峰值%~V3的绝对值全部都是10V,第1半周期Ti、第2半周 期!^以及第3半周期1%为471Hz的半周期(l/2f),都相等。总能量E的曲线包括第1激振 期Ai、第1制振期Zi、第2激振期A2以及第2制振期Z2,第1极大值札和第2极大值M2与 驱动电压V(t)的零点(交替点(tpt2))的时刻对应,极小值N与第2正弦半波^的峰值 %的时刻或者位移x的变向点(峰值(xP))的时刻对应。在第1正弦半波^结束之前为第 1激振期4、在第2正弦半波W2的峰值V2之前为第1制振期Zi、在第2正弦半波W2结束之 前为第2激振期A2、在第3正弦半波W3结束之前是第2制振期Z2,能够表现为中央峰值凹形 模式<Ai|Zi*A21Z2>,第1激振优势期UPi由第1激振期Ai和第1制振期Zi组成,第1制 振优势期DR由第2激振期A2和第2制振期Z2组成,是"制振变向"的最简单的差频振动。

[0162] 图18(A)表示针对471Hz的驱动电压V(t)的1. 5周期驱动的速度v和总能量E 的推移,图18⑶表示针对上述驱动的加速度a和总能量E的推移。加速度a的第1峰值 ai与第1正弦半波^的峰值Vi对应,第2峰值a2与第2正弦半波12的峰值V2对应,第3 峰值a3与第3正弦半波W3的峰值V3对应。第1峰值ai和第3峰值a3出现在中间的第2 峰值a2的反方向上,加速度比a+/V= 1.54,第2峰值a2的一方变强。在该中央峰值凹形 模式_A2|Z2>*,在第1激振期Ai中向一方向缓慢振动而形成单极性波形的上升 沿部分,在第1制振期Zi中从对应于第1交替点ti的变曲点开始振动受到抑制而形成上升 峰部,在过了变向点\的第2激振期A2中向另一方向振动返回而形成下降峰部,在第2制 振期Z2中从对应于第2交替点12的变曲点开始振动受到抑制而形成下降沿,回归到位移原 点。在此,为了压缩第1峰值ai和第3峰值a3的一方而扩张第2峰值a2的一方,对驱动电 压V(t)进行设定,以使得满足

[0163]Vi、V3<V2以及 / 或者T2<I\、T3…(17)

[0164] 的条件即可。

[0165] 作为f= 3f产3f。时的例子,图19(A)表示针对驱动电压V(t)的1. 5周期变形 波的总能量E的推移,图19 (B)表示作为针对该1. 5周期变形波的位移x的推移的单极性 波形。在该1. 5周期变形波中,如果保持第2正弦半波^的峰值V2S10V不变,将第1正 弦半波A的峰值Vi和第3正弦半波W3的峰值V3下降为4. 5V、将f设为471Hz,则第1正弦 半波A的第1半周期Ti:第2正弦半波W2的第2半周期T2 :第3正弦半波W3的第3半 周期T3=3/5f: 3/10f: 3/5f= 2 : 1 : 2,第1正弦半波^和第3正弦半波13的频率 相当于392. 5Hz,第2正弦半波W2的频率相当于785Hz。

[0166] 图20(A)表示针对驱动电压V(t)的上述1. 5周期变形波的速度v和总能量E的 推移,图20(B)表示针对上述1. 5周期变形波的加速度a和总能量E的推移。加速度比为 a+/V= 3. 16,与图18⑶的情况相比变为2倍的加速度比,能够作为单方向加速度振动而 充分感知。因为将电压比设为约2倍、将频率比设为2倍,所以加速度比大概为电压比与频 率比之积的1/2次幂。另外,如果间断地多次生成该1. 5周期变形波,则每次都出现上述单 方向加速度。

[0167] 作为f= 3f产3fQ时的例子,图21(A)表示针对驱动电压V(t)的其它的1.5周 期变形波的总能量E的推移,图21 (B)表示作为针对该其它的1. 5周期变形波的位移x的 推移的单极性波形。在该其它的1. 5周期变形波中,如果设第2正弦半波W2的峰值V2高到 14V,第1正弦半波%的峰值Vi和第3正弦半波W3的峰值V3低到3V,设f•为471Hz,则第1 正弦半波1的第1半周期:第2正弦半波12的第2半周期T2 :第3正弦半波13的第 3半周期T3= 27/40f: 3/20f: 27/40f= 9 : 2 : 9,第1正弦半波^和第3正弦半波 %的频率相当于348. 8Hz,第2正弦半波12的频率相当于1570Hz。

[0168] 图22(A)表示针对驱动电压V(t)的其它的1. 5周期变形波的速度v和总能量E 的推移,图22 (B)表示针对上述其它的1. 5周期变形波的加速度a和总能量E的推移。加 速度比为a+/V= 6. 63,与图18(B)的情况相比成为4倍的加速度比,能够作为单方向加速 度振动而充分感知。另外,因为将电压比设为约4倍、将频率比设为4倍,所以,加速度比仍 然大概为电压比与频率比之积的1/2次幂。另外,如果间歇地多次生成该其它的1.5周期 变形波,则每次都出现上述单方向加速度。

[0169] 接下来,作为f=fd/3 =fQ/3时的例子,图23(A)表示驱动电压V(t)的0.5周期 正弦波形和针对该波形的位移x的推移,图23 (B)表示针对该0. 5周期正弦波形的速度v和总能量E。图24表示针对该0. 5周期正弦波形的加速度a和总能量E。强制振动频率f =52. 33Hz为固有频率fQ= 157Hz的1/3的非共振频率,非常慢,在图17的情况下成为交 换输入了f•和f〇的关系(共轭关系)。总能量E的曲线为由第1激振期Ai和第1制振期 Zi组成的中央峰值凸形模式<Ai ,仅第1激振期A:成为激振优势期,另外,仅第1制 振期2:成为制振优势期,是"激振变向"的最简单的差频振动。唯一的极大值M与位移x的 变向点的时刻对应。在驱动电压V(t)上升的前期,速度v向负方向增速,从上升开始约相 位60度处达到第1峰值,,在驱动电压V(t)的上升的后期,速度v减速而在从上升开始相 位90度处返回零。在驱动电压V(t)的下降的前期,速度v向正方向增速,在从下降开始相 位60度处达到第2峰值V+,在驱动电压V(t)的下降的后期,速度v减速,在从下降开始相 位90度处返回到零。在第1峰值AT之前和从第2峰值V+开始的速度零之前,分别生成加 速度a的负方向的峰值,从第1峰值AT开始到第2峰值v+生成加速度a的正方向的峰值。 加速度比a+/V为1. 620,能够得到与图18的情况相同的在单方向强的加速度。但是,在本 例中,在过了 〇. 5周期结束时刻后位移x还以自然衰减进行振动,另外,速度V、加速度a也 在振动。从驱动电压V(t)的1/4周期时刻变为制振期4,但在该制振期21的结束时相比 位移x变得微小的情况,驱动电压V⑴的值高,所以在0. 5周期即将结束前,进入到下一个 激振期若干,超过位移原点若干。

[0170] 图25(A)表示驱动电压V(t)的0. 5周期正弦变形波以及针对该波形的总能量E的 推移,图25⑶表示0. 5周期正弦变形波以及针对该波形的位移x的推移。另外,图26 (A) 表示针对驱动电压V(t)的0. 5周期正弦变形波的速度v和总能量E的推移,图26 (B)表示 针对该0. 5周期正弦变形波的加速度a和总能量E的推移。在本例的驱动电压V(t)的0. 5 周期正弦变形波中,在相位90°处的第1激振期&的上升侧的峰值为10V,但在相位90° 处的第1制振期Zi的下降侧的峰值下降0. 5V而设定为9. 5V。第1制振期Zi中的制振作 用弱几个百分点,所以在〇. 5周期结束的时刻位移x以及加速度a收敛于零。并且,加速度 比a+/a为 1. 685。

[0171] 上述的驱动电压V(t)为单极性波形的正弦波,但是,一般来说,驱动电压V(t)也 可以是以相位差31 /2单调增加的前缘和以相位差31 /2单调减少的后缘构成的单极性脉 冲,通过设定为其前缘中的上升初始前缘的相位差比前缘中的上升末期前缘的相位差长、 其后缘中的下降初始前缘的相位差比后缘中的的下降末期后缘的相位差短,能够将加速度 比a+AT设定为比1.685高。

[0172](单极性矩形波连续驱动方式)

[0173] 图27表示在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的单极性矩形波 的5周期驱动方式的情况以及该情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲线,特别地,关 于其5周期驱动中的最后的2周期示出以虚线表示的振幅5V驱动和总能量E的推移、以及 5V的75%的实线的3. 75V振幅驱动和总能量E的推移。该驱动方式是频率f比固有频率 f〇高的单极性矩形波,但是驱动电压V(t)的最初的振幅5V期间(半周期l/2f)为第1激 振期4,接下来的振幅0V期间(半周期l/2f)为第1自然衰减期&,在第2周期的振幅5V 期间(半周期l/2f)中在最短的第1制振期Zi之后产生第2激振期A2,在制振期Zi之前间 插有半周期l/2f的自然衰减期&。

[0174] 图28表示在频率f为196. 25Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的单极性矩形波 的5周期驱动方式的情况以及该情况下的机械振动器3的位移X,特别地,关于该5周期驱 动中的最后的2周期,示出以虚线表示的振幅5V驱动和位移X、以及5V的75%的实线的 3.75V振幅驱动和位移x的推移。在第1自然衰减期&中从驱动电压V(t)向振幅0V下降 之后位移x过最初的变向点,之后在驱动电压V(t)向振幅5V的上升之前进行推移。在此, 如果用"II"表示驱动电压V(t)向振幅0V下降或者从振幅0V开始上升,则5周期全部以 振幅5V驱动时的非共振强制振动(差频振动)表示为中央峰值凹形模式<Ai| | & •& | |Zi• 弋||队,||22仏3||队鳴||23*六 4||队,||24^>,另外,最后的2周期为振幅3.75¥驱动时, 表示为…| |Z3' *A4' | |N4' *N4'I|Z4' >。另外,制振期的时间为ZfZ2<Z3<Z4, 激振期的时间为A5<A4<A3<A2<Al/2f。自然衰减中的激振变向和制振变向交互 地重复,但是随着接近5周期结束时刻,制振期变长,所以制振作用增强,总能量E成为零附 近。最后的第5周期也为振幅5V驱动的情况下,第4制振期&的制振作用过强,所以引起 位移x的变向,进入了下一个第5激振期A5,但是在振幅3. 75V的情况下能够缓和第4制振 期Z4'中的制振作用,并使该期间延长,所以能够在第4制振期Z4'中结束第5周期,能够 将驱动停止时的总能量最小化。

[0175] 在本例中,不是两极性波形驱动,而是在单极性波形驱动下周期性地附加振幅零 期间,所以在制振优势期DN中除了制振期Z3、Z4(Z3'、Z4')之外,自然衰减期N4、N5(N4'、 N5')也作为制振作用而被追加,从而振动停止的截止良好,发挥急剧的触觉效果。

[0176] 图29表示在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的单极性矩形波 的5周期驱动方式的情况以及该情况下的机械振动器3的总能量E的推移曲线,特别地,关 于该5周期驱动中的最后的2周期示出以虚线表示的振幅5V驱动和总能量E的推移、以及 5V的60%的实线的3V振幅驱动和总能量E的推移。该驱动方式是频率f比固有频率fQ低 的单极性矩形波,但是在驱动电压V(t)的最初的振幅5V期间(半周期l/2f)中发生第1 激振期4和最短的第1制振期Zi,接下来的振幅0V期间(半周期l/2f)成为第1自然衰 减期K,在第2周期的振幅5V期间(半周期l/2f)中发生第2激振期A2和第2制振期Z2。 在激振期4之前间插有半周期l/2f的自然衰减期1。

[0177] 图30表示在频率f为130. 83Hz的驱动电压V(t)下进行振幅5V的单极性矩形波 的5周期驱动方式的情况以及该情况下的机械振动器3的位移x,特别地,关于该5周期驱 动中的最后的2周期,示出以虚线表示的振幅5V驱动和位移X、以及5V的60%的实线的3V 振幅驱动和位移x的推移。在位移x过了最初的变向点之后,驱动电压V(t)向振幅0V下降, 但是第1自然衰减期&从该下降到位移x通过第2个的变向点之后到驱动电压V(t)向振幅 5V的上升之前推移。5周期全部进行振幅5V驱动的非共振强制振动(差频振动)表示为中 央峰值凸形模式〈Ai.z」iNi.N」|a2*z2||n2*n2||a3*z3||n3*n3||a4*z4||n4*n4||a5*z5 >,另外,最后的2周期为振幅3V驱动时,表示为...||a4' *z4'||n4',n4'||a5' >。另外,制振期的时间为21<22<2 3<24,激振期的时间为44<八3<八 2<八1。激振变 向和自然衰减中的变向交互地重复,但是随着接近5周期结束时刻,制振期变长,总能量E 成为零附近。在最后的第5周期也进行振幅5V驱动的情况下,第5激振期A5的激振作用 过强,所以在以仍然高的能量引起位移x的变向之后进入第5制振期Z5,但在振幅3V的情 况下,第5激振期A5'的激振作用减弱,相应地,第5制振期Z5'的制振作用激活,所以能够 在第5制振期Z5'中结束第5周期,能够将驱动停止时的总能量最小化。

[0178] 在本例中也不是两极性波形驱动,而是在单极性波形驱动下周期地附加振幅零期 间,所以在制振优势期DN中除了制振期Z4、Z5(Z/、Z,)之外,自然衰减期N4、N5(N/、 N5')也作为制振作用而被追加,从而振动停止的截止良好,能够发挥急剧的触觉效果。另 外,在单极性波形驱动中与两极性波形驱动相比在单极侧使用电源电压,从而能够将驱动 电压V(t)倍增,所以能够在激振优势期中增加功率。

[0179] 以上是本例的驱动方式,但是在衰减系统U< 1)中并且即使在激振优势期UP 中也是制振期Z和激振期A交互地出现,所以与共振系统的情况相比需要起动功率的增强。 但是,在图2以及图3所示的振动线性致动器中,机械振动器3仅仅是在涵盖第1端面3a 和第2端面3b的厚度方向上被磁化的环状永久磁铁,弹簧构件S是将环状永久磁铁3以可 向其厚度方向往复位移的方式相对固定部B支撑的第1板簧6以及第2板簧7,电磁线圈L 具备贯通环状永久磁铁3的中央孔而被支撑于固定部B、且具有贯通电磁线圈L内的圆柱状 铁芯(core) 8,电磁线圈L具有磁化极性相反的下段环形线圈U和与其同轴地邻接的上段 环形线圈L2,与第1端面3a重合而内周缘包围上段环形线圈L2的外周面的第1环状极片 板4以及与第2端面3b重合而内周缘包围下段环形线圈U的外周面的第2环状极片板5。

[0180]因为电磁线圈L的磁化方向和机械振动器(环状永久磁铁)3的磁化方向实质上 平行,通过两线圈绕阻的绕线方向、向两线圈的供电的方向、两线圈的串联结构、并联结构, 两线圈的外侧端彼此为同磁极且内侧端彼此为同磁极,所以作用针对环状永久磁铁3的基 于磁吸引力/反推力的往复运动,并且来自环状永久磁铁3的双面磁极的磁通汇集到第1 以及第2环状极片板4、5的内周缘并贯通环形线圈LpL2而经由圆柱状铁芯8形成短路磁 路,所以也作用了基于电磁力的往复运动,起动功率增强。另外,环状永久磁铁3的外周侧 磁通也形成闭合回路,所以能够抑制泄漏磁通。

[0181]因为具有用于使磁通贯通两线圈U、L2的第1以及第2环状极片板4、5,所以电磁 力的一方比磁吸引力/反推力强,有助于起动功率的增强。

[0182](共振/非共振的切换驱动方式)

[0183] 在上述的两极性正弦波驱动方式、两极性矩形波连续驱动方式、偏加速度发生驱 动方式以及单极性矩形波连续驱动方式中,由于第1个谷部肯定到来,所以能够改善振动 停止的截止,但是因为是从驱动开始的最初就进行非共振驱动的差频振动发生装置,所以 在从驱动开始到第1个峰部为止的激振优势期中激振期和制振期交互地出现,所以与共振 系统的情况相比,起动功率容易与明显含有制振期的量相当地不足。因此,以下对一种共振 /非共振的切换驱动方式进行说明,该共振/非共振的切换驱动方式不是从驱动开始时就 突然将驱动信号的频率设为非共振频率,而是最初将驱动电压的频率设为和衰减固有频率 一致的共振频率并起动,在一定期间后切换为非共振频率。

[0184] 图31是表示将驱动频率f•设为1周期的157Hz(固有频率&)然后5周期的 188Hz(非共振频率)的驱动电压V(t)的波形以及该情况下的总能量E的推移曲线,图32 表示在该驱动电压V(t)的情况下的速度v和总能量E的推移曲线,图33表示在该驱动电 压V(t)的情况下的加速度a和总能量E的推移曲线,图34表示在该同驱动电压V(t)的情 况下的位移x和总能量E的推移曲线。在该衰减系统(衰减比G< 1)中的初始共振振动 中,与非衰减系统的共振振动(衰减比G= 〇)不同,位移x的相位比固有振动数157Hz的 驱动电压V(t)还稍稍滞后,并最终滞后相位差向90°收敛,所以根据图34可知,在157Hz 的1周期量的频率切换时刻,位移x接近270°。因为存在该接近90°的相位差,所以即使 在157Hz的初始共振驱动中也是在激振期&之后生成短暂的制振期Zi和激振期A2之后生 成短暂的制振期Z2,推移为八1、21、4、22,但是制振期2 1、22为短期间,就连暂时地消耗如差频 振动时的那样的总能量E的结构都不是,实质上,使总能量E与时间的平方成比例地增强。 并且,在157Hz的1周期量的频率切换时刻,位移x的相位比驱动电压V(t)的相位滞后接 近90°,所以188Hz的非共振驱动从制振期23开始,经过激振优势期UPi的激振期八6而在 188Hz的2周期量时达到第1个峰部,之后,持续到3周期量的制振优势期0&的制振期Z12 为止,在第2个谷部的谷底,总能量E大致降为零。

[0185] 由此,因为在非共振系统(=f>&)之前先进行共振系统沁),所以能够充分确 保起动功率。另外,在切换为差频振动之后,第1个峰部自然到来,还有能够抑制过大的振 动振幅的限制效果,能够预防机械振动器的振动截止。

[0186] 图35是表示在设驱动频率f为1周期的157Hz(固有频率fQ)之后重复188Hz(非 共振频率)的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E。因为在第2个谷部以后重复差 频振动,所以出现比第1个峰部的峰值低的第2个峰部的峰值、比第2个峰部的峰值低的第 3个峰部的峰值,并且出现比第2个谷部的谷底高的第3个谷部的谷底。图36的细线G1表 示5周期的非共振频率196. 25Hz的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E,中线G2 表示在1周期的157Hz(固有频率&)之后设为5周期的188Hz(非共振频率)的驱动电压 V⑴的情况下的位移x和总能量E,粗线G3表示在2周期的157Hz(固有频率fQ)之后设为 5周期的188Hz(非共振频率)的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E。细线G1从 最初开始通过差频振动而在激振优势期UPi中伴随强的制振期,所以第1个峰部的峰值低。 中线G2因为预先以1周期的157Hz(固有频率&)进行驱动之后切换为188Hz(非共振频 率),所以第1个峰部的峰值与细线G1的峰值相比高约2倍。粗线G3先进行2周期量的共 振初始驱动,所以第1个峰部的峰值与中线G2的峰值相比高约近2倍。另外,优选共振频 率的周期数比其后的非共振频率的周期数少。因为能够抑制第2个谷部从零偏离,能够保 全振动停止的截止的缘故。

[0187] 表3表示在将驱动频率f设为1周期的157Hz(固有频率&)之后设为非共振频率 (>f〇)的情况下,相对该非共振频率的值在第2个谷部的谷底成为振动停止的周期数、最 大加速度(Gc^Max)、第1峰部的峰值、第2峰部的峰值、第2谷部的谷底值/第1峰部的峰值 (% ),描绘出该表的曲线为图37。另外,在表3中、例如"4. 63E-04"的表述是4. 63X10_4 的简写。

[0188]表 3

[0189]

Figure CN102347678BD00281

[0190] 根据图37可知,在切换为比固有频率&高的非共振频率的情况下,非共振频率越 高,最大加速度(Gc^Max)越单调减少,所以优选选定远离157Hz(固有频率&)的过度高的非 共振频率,但是存在第2谷部/第1峰部(% )成为零附近的极小值的最佳的非共振频率。 该数值终宄只是本例的振动线性致动器时的数值,是下限值188Hz的5周期、上限值198Hz 的4周期以及其中间值192Hz的4. 5周期。另外,作为参考,图38表示将驱动频率f设为 1周期的157Hz(固有频率fQ)之后以非共振频率的198Hz的4周期进行了驱动的情况下的 加速度a。

[0191] 图39表示将驱动频率f•设为1周期的157Hz(固有频率&)之后设为3周期的 122Hz(非共振频率)的驱动电压V(t)的波形以及该情况下的总能量E的推移曲线,图40表 示该驱动电压V(t)的情况下的速度v和总能量E的推移曲线,图41表示该驱动电压V(t) 的情况下的加速度a和总能量E的推移曲线,图42表示该同驱动电压V(t)的情况下的位 移x和总能量E的推移曲线。在该衰减系统(衰减比G< 1)的共振振动中,也与非衰减 系的共振振动不同地,位移x的相位比固有振动数157Hz的驱动电压V(t)还稍稍滞后,且 滞后相位差向90°收敛,所以根据图42可知,在157Hz的1周期量的频率切换时刻,位移x 为接近270°。由于该相位差存在,所以即使157Hz的初始共振驱动也在激振期&之后产 生弱的制振期Zi和激振期A2,之后产生弱的制振期Z2,推移为心、ZpA2、Z2,但是制振期Zp &为短期间,连暂时使如差频振动时的那样的总能量E消耗的结构都不是,使总能量E与时 间的平方成比例地增强。并且,在157Hz的1周期量的频率切换时刻,位移x的相位比驱动 电压V(t)的相位滞后接近90°,所以122Hz的非共振驱动从制振期&开始,经过激振优势 期吧的激振期A6在188Hz的2周期量处达到第1个峰部,之后一直持续到3周期量的制 振优势期DR的制振期Z8为止,在第2个谷部的谷底,总能量E大致下降到零。

[0192] 由此,因为在非共振系统(=f<&)之前为共振系统沁),所以能够充分确保起 动功率。另外,在切换为差频振动之后,第1个峰部自然到来,也有能够抑制过大的振动振 幅的限制效果,能够预防机械振动器的振动截止。

[0193] 图43表示将驱动频率f设为1周期的157Hz(固有频率fQ)之后重复122Hz(非 共振频率)的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E。因为在第2个谷部以后重复差 频振动,所以出现比第1个峰部的峰值低的第2个峰部的峰值、比第2个峰部的峰值低的第 3峰部的峰值,并且出现比第2个谷部的谷底高的第3谷部的谷底。图44的细线G1表示3 周期的非共振频率117. 75Hz的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E,中线G2在1 周期的157Hz(固有频率〇之后设为3周期的1122Hz(非共振频率)的驱动电压V(t)的 情况下的位移x和总能量E,粗线G3表示在2周期的157Hz(固有频率&)之后设为3周期 的122Hz(非共振频率)的驱动电压V(t)的情况下的位移x和总能量E。细线G1从最初 开始就通过差频振动在激振优势期中先进行强的制振期,所以第1个峰部的峰值低。中线 G2预先通过1周期的157Hz(固有频率&)进行驱动,之后切换为122Hz(非共振频率),所 以第1个峰部的峰值与细线G1的峰值相比高约2倍。粗线G3伴有2周期量的共振初始驱 动,所以第1个峰部的峰值与中线G2的峰值相比高接近约2倍。另外,优选共振频率的周 期数比其后的非共振频率的周期数少。能够抑制第2个谷部从零偏离,也能够保全振动停 止的截止。

[0194] 表4表示在将驱动频率f设为1周期的157Hz(固有频率&)之后设为非共振频 率(<f〇)的情况下,相对该非共振频率的值在第2个谷部的谷底处成为振动停止的周期 数、最大加速度(Gc^Max)、第1峰部的峰值、第2峰部的峰值、第2谷部的谷底值/第1峰部 的峰值(% ),其曲线为图45。另外,表4中例如"1.31E-04"的表述是1.31XKT4的简写。

[0195]表 4

[0196]

Figure CN102347678BD00291

[0197] 根据图45可知,在切换为比固有频率&低的非共振频率的情况下,非共振频率越 低,最大加速度(G^Max)越单调减少,所以优选选定远离157Hz(固有频率&)的过度低的 非共振频率,但是存在第2谷部/第1峰部(%)成为零附近的极小值的非共振频率。该数 值终宄只是本例的振动线性致动器的值,是下限值122Hz的3周期、上限值129. 5Hz的4周 期以及中间值127Hz的3. 5周期。另外,作为参考,图46表示在将驱动频率f设为1周期 的157Hz(固有频率fQ)之后以非共振频率的129. 5Hz的4周期进行了驱动的情况下的加 速度a。

[0198] 另外,在上述的共振/非共振的切换驱动方式中设成了两极性正弦波连续驱动, 但是本发明既可以是两极性矩形波连续驱动,也可以是单极性矩形波连续驱动,能够采用 各种变形。

Claims (11)

1. 一种振动发生装置,具备在衰减比e〈l的衰减系统中隔着弹簧构件相对固定部支 撑机械振动器、且生成以非接触方式使上述机械振动器振动的动磁场的励磁单元,从驱动 开始或驱动中途起将施加给该励磁单元的驱动电压的频率设为从上述机械振动器的衰减 固有频率偏移了的非共振频率,而使上述机械振动器发生差频振动, 该振动发生装置的特征在于, 具有强制振动控制单元,该强制振动控制单元在从规定上述差频振动的振幅的差频波 中的驱动开始侧越过第1个峰部的第2个谷部,对上述驱动电压的施加进行停止控制, 上述驱动电压的频率为上述衰减固有频率的实质上的3倍,施加到上述励磁单元的上 述驱动电压为由第1正弦半波、与之反相的第2正弦半波以及与该第2正弦半波反相的第 3正弦半波构成的独立波。
2. 根据权利要求1所述的振动发生装置,其特征在于, 上述强制振动控制单元在上述第2个谷部上述驱动电压的施加停止以前抑制该驱动 电压的振幅。
3. 根据权利要求1所述的振动发生装置,其特征在于, 与从第1个谷部向上述第1个峰部上升的期间的上述驱动电压的振幅相比,上述强制 振动控制单元还更加抑制从上述第1个峰部向上述第2个谷部下降的期间的上述驱动电压 的振幅。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的振动发生装置,其特征在于, 施加到上述励磁单元的驱动电压是单极性电压的重复波形。
5. 根据权利要求1所述的振动发生装置,其特征在于, 上述强制振动控制单元以使上述差频振动的差频波的差频周期与上述差频振动的基 本波的周期实质上相等的方式设定上述驱动电压的频率。
6. 根据权利要求1所述的振动发生装置,其特征在于, 上述第1正弦半波和上述第3正弦半波的频率为上述衰减固有频率的3倍以下,上述 第2正弦半波的频率为上述衰减固有频率的3倍以上。
7. 根据权利要求1所述的振动发生装置,其特征在于, 上述第2正弦半波的峰值为上述第1正弦半波和上述第3正弦半波的峰值以上。
8. -种振动发生装置,具备在衰减比G〈1的衰减系统中隔着弹簧构件相对固定部支 撑机械振动器、且生成以非接触方式使上述机械振动器振动的动磁场的励磁单元,从驱动 开始或驱动中途起将施加给该励磁单元的驱动电压的频率设为从上述机械振动器的衰减 固有频率偏移了的非共振频率,而使上述机械振动器发生差频振动, 该振动发生装置的特征在于, 具有强制振动控制单元,该强制振动控制单元在从规定上述差频振动的振幅的差频波 中的驱动开始侧越过第1个峰部的第2个谷部,对上述驱动电压的施加进行停止控制, 上述驱动电压的频率为上述衰减固有频率的实质上的1/3,施加到上述励磁单元上的 上述驱动电压为正弦半波。
9. 根据权利要求1或8所述的振动发生装置,其特征在于, 上述强制振动控制单元从上述驱动开始起在一定期间上将上述驱动电压的频率设为 与上述衰减固有频率一致的共振频率并输出,之后切换为上述非共振频率。
10. 根据权利要求9所述的振动发生装置,其特征在于, 上述衰减固有频率的周期数比上述非共振频率的周期数少。
11. 根据权利要求1或8所述的振动发生装置,其特征在于, 上述机械振动器具有在涵盖第1端面和第2端面的厚度方向上磁化的环状永久磁铁, 上述励磁单元具有电磁线圈,上述弹簧构件是将上述环状永久磁铁以能够在其厚度方向上 位移的方式相对于上述固定部支撑的悬架弹簧单元,上述电磁线圈贯通上述环状永久磁铁 的中央孔而被支撑于上述固定部,且具有贯通上述电磁线圈内的铁芯,上述电磁线圈具有 磁化极性相反的第1环形线圈以及与其同轴地邻接的第2环形线圈,具备与上述第1端面 重合而内周缘包围上述第1环形线圈的外周面的第1环状极片以及与上述第2端面重合而 内周缘包围上述第2环形线圈的外周面的第2环状极片。
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