CN102792578A - 触觉致动器系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种触觉致动器系统及其制造方法包括超声振动电机主体。轴连接至所述振动电机主体，所述轴被布置成响应于所述振动电机主体在至少一个方向上旋转。至少一个不均衡质量块连接至所述轴且可与所述轴一起移动以响应于所述轴的移动来产生人可检测的振动。
Description
技术领域
本发明的示例性实施方案一般涉及触觉致动器系统，并且更具体地涉及一种压电超声电机及其方法，所述压电超声电机包括旋转轴以及产生垂直于旋转轴线的振荡向心力的不均衡质量块。
背景技术
手机和其它电子器件(例如游戏控制器)需要振动源来发出事件信号而无需产生可听声，但这仅通过触觉来感知。例如，这些事件可能包括电话来电、传入短信或计算机视频游戏中虚拟飞机的湍流。振动源产生的振动必须足够强以便手持所述装置的人可以感觉到。这些振动源最通常被称为振动电机或触觉致动器。一种普通类型的振动电机为电磁电机，其具有旋转轴和附接至该轴的不均衡质量块，所述不均衡质量块产生垂直于旋转轴线的振荡向心力。目前，每年会制造超过十亿个振动电机，并且典型的旋转速度为100至300Hz且典型的向心力为0.1至1N。
示例性电磁旋转振动电机由许多公司制造，这些公司包括Minebea MotorManufacturing Company(东京，日本)、Sanyo Seitmitsu Co.Ltd.(长野，日本)和KTOL-金龙机电股份有限公司(浙江，中国)。一些型式为管式振动电机，而另一些为盘式振动电机。例如，一些最小的管式电机的直径为约4mm且长度为约6mm，其具有从电机的一端延伸约4mm的轴以及安装在延伸轴上的不均衡钨质量块。最小的盘式电机的直径为10mm且厚度为2mm，其具有在电机外壳内部旋转的钨质量块。对于两种类型的电机，均会产生扭矩以采用常规直流(DC)电机设计来旋转所述轴，所述电机设计包括铜线圈、铁芯、永久磁铁以及采用电刷和电枢的线圈切换。将钨用于所述质量块中，因为其密度大于钢的密度的两倍。对于管式电机而言，典型的钨质量块为0.4克，其从产生不均衡质量块的轴旋转中心线的重心偏移量为1mm。对于该实例而言，当所述质量块(例如)以200Hz(1,256弧度/秒)旋转时，产生的向心力Fc＝(质量)×(角速度)2×(偏移半径)，这相当于：0.0004Kg×(1256弧度/秒)2×0.001M，或者Fc＝0.63N。该动力足以加速整个手机手持装置并产生用户可感知的振动。
遗憾的是，现有电磁电机(例如DC振动电机)的一个缺陷是其产生干扰磁场并且由铁磁材料和导电材料构成。这些电机产生的磁干扰会干扰手机中其它装置(例如指南针)的操作。随着手机附加装置的增加并且手机分级还继续变得细化，该问题变得日益严重。DC电机也由对射频(RF)不透明的导电材料制成并且不能位于无线通信设备的无线电天线附近。
陶瓷电机(例如压电超声电机)不会产生磁场，不由铁磁材料制成并且大体上由大致RF透明的非导电材料制成。非磁性和RF透明的压电电机具有集成于高度微型化手机中的许多示例性优点。这些压电电机产生旋转并且还可用于产生振动。
产生双向旋转或平移的常规驻波管状超声电机采用多个压电陶瓷元件，其为被电分成多个独立段的单个陶瓷部件或者单独的陶瓷部件。压电元件由独立电路电驱动，并且采用具有可调相的双相驱动信号或通过将单相从一个压电元件转换至另一个来产生双向移动。这些压电电机需要振动管与旋转轴之间的一个或多个接触点，所述旋转轴采用轴向预负荷(平行于轴中心线)来产生该轴上产生扭矩所需的接触摩擦。遗憾的是，采用轴向预负荷来产生摩擦扭矩的这些压电电机通常会产生较低输出速度和效率。
发明内容
一种触觉致动器系统包括超声振动电机主体、连接至所述振动电机主体的轴以及至少一个不均衡质量块，所述轴被布置成响应于所述振动电机主体在至少一个方向上旋转，所述至少一个不均衡质量块连接至所述轴且可与所述轴一起移动以响应于所述轴的移动来产生人可检测的振动。
一种制造触觉致动器系统的方法包括提供超声振动电机主体；将轴连接至所述振动电机主体，所述轴被布置成响应于所述振动电机主体在至少一个方向上旋转；并且将至少一个不均衡质量块连接至所述轴且将该不均衡质量块与所述轴一起移动以响应于所述轴的移动来产生人可检测的振动。
该技术的各个示例性实施方案提供了许多优点。例如，超声振动电机实现了单向轴旋转、高于常规电机的效率和旋转速度，而同时其制造也更便宜和更简单。另外，该超声电机的示例性实施方案采用了具有圆柱形轴衬触点的驻波管设计，其中不均衡质量块产生的向心力在轴衬触点处产生摩擦力。振动管与旋转轴之间的接触提高了效率，并且单相电子电路产生了产生轴旋转的驻波振动。
附图说明
图1A为图11A的示例性触觉致动器的管状电机主体的侧视图；
图1B为所述触觉致动器的管状电机主体的剖视图；
图1C为所述触觉致动器的管状电机主体的端视图；
图1D为图15A和16A的触觉致动器的管状电机主体的另一个实例的侧视图；
图1E为图15A和16A的触觉致动器的管状电机主体的剖视图；
图2为所述触觉致动器的示例性实施方案中使用的多层压电板的剖视图；
图3为用于驱动根据各个示例性实施方案的触觉致动器的驱动电路和波形的示意图；
图4A和4B示出了第一谐振弯曲正交模式；
图5A和5B示出了触觉致动器的各个实施方案的频率对振幅图线的实例；
图6A至7C示出了两个第一正交谐振弯曲模式的振幅的Lissajoule图线(也称为Lissajous图线)的实例；
图8A为另一种示例性触觉致动器的管状电机主体的侧视图；
图8B为所述触觉致动器的管状电机主体的剖视图；
图8C为所述触觉致动器的管状电机主体的端视图；
图8D为所述触觉致动器的管状电机主体的侧视图；
图8E为所述触觉致动器的管状电机主体的剖视图；
图9为用于所述触觉致动器的示例性实施方案中的驱动电路和波形的示意图；
图10A和10B示出了所述触觉致动器的管状电机主体的示例性第一谐振弯曲正交模式；
图11A-11C分别示出了一种示例性触觉致动器的侧视图与示意图、端视图与示意图以及剖视图与示意图；
图12示出了一种示例性触觉致动器的自由体力分析；
图13A-13C分别示出了具有径向预负荷的示例性触觉致动器的端视图、侧视图和等距视图；
图14示出了图13A-13C的示例性触觉致动器的自由体力分析；
图15A-15C分别示出了一种示例性触觉致动器的侧视图与示意图、端视图与示意图以及剖视图与示意图；
图16A-16D分别示出了一种示例性触觉致动器的侧视图与示意图、端视剖视图、端视图以及侧视剖视图；并且
图17示出了一种制造所述触觉致动器的示例性方法。
具体实施方式
参照图1A至7C，示出并描述了振动电机主体100和100a的示例性实施方案。更具体地讲，参照图1A，示出了振动电机主体100的侧视图。如图1B中更详细地示出，振动电机主体100包括构成振动电机主体100的管状体的管104、压电陶瓷板110以及内圆柱形轴衬106a和106b，内圆柱形轴衬106a和106b分别位于振动电机主体100的内表面的一端和中央(或中部)。管104可由以高达几百千赫的超声频率振动而具有低损耗和高机械品质因数(Q)的固体材料构成，该固体材料以举例的方式包括金属、聚合物和陶瓷，但也可使用具有这些性质的其它材料。使用高强度胶粘剂将压电陶瓷板110(在本文中也称为压电板110，或简单地称为板110)粘结至管104，但也可采用其它连接方法。压电陶瓷板110可以多种方式设置在振动电机主体100的管104的外表面上。例如，压电陶瓷板110具有与管状体的轴线105平行的平面，并且被构造成在通电时通过以位于与振动电机主体100的管状体的轴线105平行的两个正交平面中的谐振弯曲模式产生超声振动来使管状体弯曲，所述超声振动使轴(例如下面在图11A中描述的轴210)在至少一个方向上旋转。根据一个实例，振动电机主体100构成超声振动电机主体，如下所述。参照图1D和1E，振动电机主体100a与振动电机主体100相同，不同的是圆柱形轴衬106a和106b位于管104的两端。
参照图2，示例性压电陶瓷板110为具有叉指形电极116和118的共烧多层装置，叉指形电极116和118分别连接至外部引线112和114。或者，单层压电板可用于构成压电陶瓷板110。在一个实例中，当向图2所示的两个L形电极施加电压VD 124时，压电陶瓷板110的长度由于本领域的普通技术人员所熟知的d33效应而变化了长度111。仅以举例的方式，对用于制造压电陶瓷板110的压电陶瓷材料以及如何将其用于产生超声振动的进一步说明在名称为″Reduced-Voltage，Linear Motor Systems and Methods Thereof″的美国专利申请公开第2010/0039715号中有详细描述，但在本文中将不进行详细描述，上述专利据此以引用方式整体并入。
再参照图1B，使用高强度胶粘剂将圆柱形轴衬106a和106b粘结至管104的内表面，但也可采用其它连接方法。根据一些实例，圆柱形轴衬106a和106b可由任何坚硬且耐用的材料构成，这些材料可与分别如图11C、13C和16D所示的旋转电机轴210、219和410相容，但这种相容性并非限制。轴衬106a和106b的示例性材料包括钢、青铜和氧化铝，但也可使用其它材料。
参照图3，在一个实例中，振动电机主体100通过连接至压电陶瓷板110的全桥驱动电路120来操作。在该实例中，全桥驱动电路120的频率与管状振动电机主体100的第一弯曲模式的谐振频率大致相同，但也可采用其它频率(例如部分谐振频率)和其它类型的驱动电路(例如半桥驱动电路)。对该驱动方法的进一步说明存在于以上引用的美国专利申请公开第US2010/0039715号中，但在本文中将不进行详细描述。
参照图1C、4A和4B，根据一个实例，管104的横截面形状绕该管的轴线并非对称，并且形成该横截面形状以使得由以电机主体100的大致第一弯曲模式的谐振频率激励时压电陶瓷板110的长度111的变化所引起的振动电机主体100的弯曲可在相位差为大致90度的-45度平面0在图1C中示为元件101)和+45度平面(在图1C中示为元件103)中产生第一弯曲模式的谐振振动，并且振动振幅大致相等。
具体参照图1C，示例性振动电机主体100通过调节形成所示示例性横截面形状的侧切深度d(示为元件107)以及角度θ(示为元件108)来实现振动所需的相位和振幅，但也可调节振动电机主体100的横截面中的其它参数来实现所需的相位和振幅性能。
参照图4A至7C，示出了图1C中的振动电机主体100的横截面形状的示例性结果。具体参照图4A和4B，两个一阶弯曲谐振模式130和135分别存在于振动电机主体100中，所述模式从压电陶瓷板110的0度平面分别以+45度(示为元件131)和-45度(示为元件136)大致对称地对齐。例如，两个45度角弯曲模式130和135可具有稍微不同的谐振频率，并且可沿着两个正交平面，但也可采用压电陶瓷板110的其它非正交平面。在该实例中，压电陶瓷板110以弯曲模式130和135的谐振频率的平均频率驱动(如图3所示)，并且在弯曲模式130和135中激发谐振振动。
参照图5A和5B，该实例以图线140和145示出了振动位移与频率。在该实例中，一个45度模式130(示为频率图线段141)的谐振频率为174KHz，并且另一个45度模式135(示为频率图线段142)的谐振频率为176KHz，但也可采用其它频率值。施加至压电陶瓷板110的驱动信号VD 124的频率为两个45度弯曲模式130和135(即分别为频率图线段141和142)的谐振频率的平均值，并且在该实例中等于175KHz。当压电陶瓷板110以175KHz驱动时，图4A和4B所示的谐振模式130和135具有90度的自然相移。因此，来自压电陶瓷板110的单个弯曲振动输入沿着压电陶瓷板110的两个大致正交平面产生两个弯曲模式130和135，其接近频率图线段141和142所示的两个45度弯曲模式频率的谐振频率。在一个实例中，两个弯曲模式130和135的振动振幅大致相同，但也可采用不相等的振幅。
具体参照图5A，具有高机械增益(或高Qm)的振动电机主体100的一个实例被绘制为140，其具有分别对应于弯曲模式130和135的两个峰141′和142′，这两个峰是明显的，但高度未必相等。在一个实例中，压电陶瓷板110的操作频率或驱动频率介于两个峰141′和142′中间。
具体参照图5B，具有较低Qm的振动电机主体100的另一个实例被示为图线145，其中弯曲模式130和135的两个峰(或峰值频率)141′和142′融合在一起形成单峰146。对于该实例，压电陶瓷板110的操作驱动频率为峰值振幅。
参照图6A至7C，采用板110的给定输入驱动频率的李萨如图表来绘制两个45度谐振模式130和135的振幅。具体参照图6A至6C，示出了对应于图5A所示的频率对位移图线140的示例性固定Qm＝90的李萨如图线。图线150示出了压电陶瓷板110的输入驱动频率等于174KHz时的椭圆形151，所述频率等于第一个45度弯曲模式130的峰值频率141′(如频率图线段141所示)。图线155示出了压电陶瓷板110的输入驱动频率等于175KHz时理想的圆形156，所述频率等于45度弯曲模式130和135各自的峰值频率141′和142′的平均值。图线160示出了压电陶瓷板110的输入驱动频率等于176KHz时的形状161，所述频率等于另一个45度弯曲模式135的峰值频率142′(如频率图线段142所示)。在该实例中，圆形图线156为采用来自全桥驱动电路120的最高功率的频率，并且通过监测功率与频率并将频率调节成具有最大功率的值，可维持具有最圆的李萨如图线的最佳操作点。对这种调节驱动频率的方法的进一步说明描述于名称为″Automated Drive Frequency Control for Resonant ActuatorSystems and Methods Thereof″的美国专利申请序列第12/466,929号中，但在本文中将不进行详细描述，上述专利据此以引用方式整体并入。
参照图7A至7C，分别采用压电陶瓷板110的给定输入驱动频率的李萨如图表来绘制图4A和4B的两个45度谐振弯曲模式130和135的振幅。对于所述实例，示出了品质因数(Qm)较低且不相等时的李萨如图线166、171和176。在该实例中，谐振频率为174KHz的45度模式130的Qm为30，并且谐振频率为176KHz的45度模式135的Qm为60。图线165示出了压电陶瓷板110的输入驱动频率等于174KHz时的椭圆形166，所述频率等于第一个45度弯曲模式130的峰值频率141。图线170示出了压电陶瓷板110的输入驱动频率等于175KHz时较大的椭圆形171，所述频率等于45度弯曲模式130和135各自的峰值频率141′和142′的平均值。图线175示出了压电陶瓷板110的输入驱动频率等于176KHz时的形状176，所述频率等于另一个45度弯曲模式142的峰值频率142′。在该实例中，形状171不为圆形，但175KHz的驱动频率仍保持在具有最高功率和最佳性能的点处，如上所述。应当注意，上述频率值和形状仅以举例的方式，并且可采用李萨如图表的其它值和形状。
参照图8A至10B，示出了振动电机主体180的另一个示例性构造。除下文所述外，振动电机主体180与振动电机主体100相同。振动电机主体180附接至两个压电陶瓷板110a和110b，而非与振动电机主体100附接的一个压电陶瓷板110。参照图8A至8C，管184粘结至两个压电陶瓷板110a和110b，并且内圆柱形轴衬106a′和106b′连接至振动电机主体180的内表面。轴衬106a′和106b′位于振动电机主体180的一端和中央。在该实例中，压电陶瓷板110a和110b呈90度对齐，但也可采用压电陶瓷板110a和110b之间的其它相对角度布置方式。在该实例中，压电陶瓷板110a和110b改变长度，并且在两个正交平面中弯曲振动电机主体180，以产生第一弯曲模式振动，所述振动例如可为超声振动。参照图8D和8E，振动电机主体180a与电机主体180相同，不同的是两个圆柱形轴衬106a′和106b′位于管184的两端。
参照图9，超声振动电机主体180通过连接至压电陶瓷板110a和110b的两个全桥驱动电路120a和120b来操作。在一个实例中，具有电压VD1的驱动信号186和具有电压VD2的驱动信号188以振动电机主体180的第一弯曲模式的谐振频率操作，但也可采用其它频率。驱动信号186和188之间的相移190为大致90度，其与压电陶瓷板110a和110b的示例性90度取向匹配，但也可根据压电陶瓷板110a和110b的相对角取向而采用相移190的其它值。对该驱动方法的进一步说明包括在例如以上引用的美国专利申请公开第2010/0039715号中，但在本文中将不进行详细描述。
参照图8C、10A和10B，示出了振动电机主体180的正交谐振弯曲模式192和194。两个垂直的压电陶瓷板110a和110b弯曲振动电机主体180，但在替代实施方案中，压电板110a和110b可能具有非正交的相对取向。管184的横截面形状绕该管的轴线并非对称，但根据一些实例，也可采用对称横截面。形成所述非对称形状以使得由以振动体180的大致第一弯曲模式的谐振频率激励时压电陶瓷板110a和110b的各自长度111的变化所引起的振动电机主体180的弯曲使两个正交弯曲谐振模式192和194具有大致相同的谐振频率。在该实例中，与两个弯曲模式192和194相对应的正交平面的定向角α(元件196)或β(元件198)的准确值仅为示例性的，并且在该实例中，两个模式192和194彼此大致垂直，其中α+β＝90°。或者，α+β的和可能等于其它值。如前所述，两个压电陶瓷板110a和110b分别由电信号186和188驱动，电信号186和188各自具有等于90度的相移190，相移190产生了振动电机主体100的位移的大致呈圆形的李萨如图线。
参照图11A至11C，触觉致动器200具有外壳212以及集成振动电机主体100(或相当于振动电机主体180)和集成驱动芯片(IC)204。旋转轴210装配在振动电机主体100的内部，并且旋转不均衡质量块202装配至旋转轴210的一端。不均衡质量块202被示例性地称为“不均衡的”，因为其具有非对称形状并且其从振动电机主体100/180的轴线105(部分示出)偏移″O″位置。图11B示出了触觉致动器200沿图11A的AA′的剖面图。
在一个实例中，通过在振动电机主体100/180的振动节点处使用半刚性弹性体将振动电机主体100/180固定至外壳212。硅氧烷弹性体的一个实例为DowCorning Corporation(Midland，Michigan)制造的DOW
734可流动密封剂，但也可使用由其它制造商制造的其它类型的密封剂。振动电机主体100/180上的节点为以最小振幅振动且提供振动模式或谐振弯曲模式130/135或192/194(分别如上图4A/4B和10A/10B所示)的最低阻尼的轴向位置。旋转轴210在图11C所示的圆柱形接触表面214处摩擦地接触振动电机主体100/180，但也可采用其它接触点。不均衡质量块202通过压配合、粘合剂或本领域的普通技术人员已知的其它方式固定至轴210的一端。集成驱动器IC 204包括驱动电子器件和逻辑电路以产生图3和图9所示的示例性驱动波形，所述逻辑电路包括全桥开关电路(例如全桥驱动电路120)和必要的数字控制和频率发生电路中的至少一种。集成驱动器IC 204的一个实例为New ScaleTechnologies，Inc.(Victor，NY)制造的NSD-2101。对于NSD-2101的实例，集成驱动器IC 204连接至DC电压源206和I2C串行控制接口208，但也可采用其它驱动器IC和其它连接技术，如本领域的普通技术人员在阅读本公开后可设想到的。
参照图12，对于触觉致动器200的振动电机主体100或180，评估了作用于圆柱形接触表面214上的示例性反作用力。在该实例中，力Fc为不均衡质量块202产生的向心力。力F1为中央接触点214a处的反作用力，并且力F2为端部接触点214b处的反作用力。L1为F1和F2之间的轴向距离。L2为F2和Fc之间的轴向距离。反作用力F1和F2为Fc、L1和L2的函数，并且在该实例中由下列等式确定：
F1＝(1+L2/L1)Fc，
F2＝(L2/L1)Fc，
F1+F2＝(1+2L2/L1)Fc，以及
摩擦力＝(1+2L2/L1)Fcμ，
其中μ为摩擦系数。在该实例中，F1和F2的和与接触点214a和214b处产生的总摩擦力成比例。该设计的一个示例性优点为圆柱形接触点214a和214b上的向心力Fc产生的反作用力F1、F2会产生有利的摩擦。在该构造中，Fc以放大系数(1+2L2/L1)增加了(F1+F2)，如上所述。当振动电机主体100/180振动时，接触点214a和214b在所述轴上产生扭矩，以提高总电机效率，该效率对应于触觉致动器200的较低输入功率下的较高旋转速度。图12中力的布置方式与常规电磁电机形成对比，其中向心力在所述轴的轴衬处产生摩擦，该摩擦导致直接效率损失并且相应地导致速度损失且增加输入功率。
在一个实例中，接触点214a位于振动电机主体100(或相当于振动电机主体180)的中央和圆柱形轴衬106b的底部，并且接触点214b位于振动电机主体100(或相当于振动电机主体180)的端部和圆柱形轴衬106a的顶部。选择接触点214a、214b的这些示例性位置以最佳地使用反作用力F1和F2以及弯曲模式130/135或192/194(分别如图4A/4B和10A/10B所示)，但也可采用其它位置，如本领域的普通技术人员在阅读本公开后可设想到的。当振动电机主体100(或相当于振动电机主体180)振动时，点214a和214b处产生的扭矩以最小损耗结合在一起，以提高电机速度和效率。
参照图13A至14，触觉致动器200a与触觉致动器200相同，不同的是增加弹簧触点218以产生径向力Fp(如图14所示)。当旋转轴219刚开始旋转运动时，增加径向力Fp使得以零速度产生一致且较高的摩擦，以产生高起动扭矩，并且该点处的向心力Fc大致为零或与起动扭矩相比可忽略不计。在该实例中，弹簧218为具有低摩擦涂层的成形钢丝，但也可采用弹簧218的其它构造。弹簧218的一端固定至图13B所示的外壳212a，并且经弯曲以在接触点220处接触旋转轴219。接触点220处的径向力为Fp。
参照图14，在该实例中，反作用力F1p和F2p为Fp、L3和L1的函数，并且由下列等式确定：
F1p＝(1+L3/L1)Fp，
F2p＝(L3/L1)Fp，
F1p+F2p＝(1+2L3/L1)Fp，以及
起动摩擦力＝(1+2L3/L1)Fpμ，其中μ为示例性摩擦系数。
如正上方的等式所示，预负荷力Fp在点214a和214b处被放大(1+2L3/L1)，这可确保点220处产生的摩擦力远小于上述等式中计算的起动摩擦力。这将产生零旋转速度下的较高摩擦起动扭矩(当旋转轴219刚开始移动时)，产生较高加速度，并且使旋转轴219达到最大速度所需的时间最小化。应当注意，虽然弹簧200如上图所示于触觉致动器200a的结构中，但根据本公开中的信息，本领域的普通技术人员可将弹簧218用于本文所公开的其它触觉致动器中，例如上述触觉致动器200或下述触觉致动器300。
参照图15A至15C，触觉致动器300为与触觉致动器200相同的替代实施方案，不同的是单个不均衡质量块202被连接至旋转轴310的两端或旋转轴310的相对端的两个大致相同的不均衡质量块302a和302b代替，但在替代实施方案中，不均衡质量块302a和302b可能并非大致相同或相等。触觉致动器300具有外壳312以及集成振动电机主体100a/180a和集成驱动器IC 204。旋转轴310装配在振动电机主体100a/180a的内部，并且旋转不均衡质量块302a和302b装配至旋转轴310的各相应端(或旋转轴310的相对端)。例如，通过在电机主体100a/180a的振动节点处使用半刚性弹性体将振动电机主体100a/180a固定至外壳312，如针对图11A的触觉致动器200所述。旋转轴310在图15C所示的圆柱形摩擦表面314处接触振动电机主体100a或180a。不均衡质量块302a和302b通过压配合、粘合剂或本领域的普通技术人员所熟知的其它方式固定至旋转轴310的每端。在该实例中，集成驱动器IC 204连接至DC电压源206和I2C串行控制接口208，如以上针对图11A的触觉致动器200所述。
振动电机主体100a或180a用于触觉致动器300中，这至少是因为作用于图15C的点314处的反作用力(Fr)320位于振动电机主体100a或180a的相应端，并且还位于旋转轴310的同一侧且在大致相同的方向上。对于该实例，触觉致动器300′的构造的对称导致不均衡质量块302a和302b产生的相应向心力(Fc)318相等和对齐，以使得反作用力320大小相等，但与向心力318的方向相反。不同于图11A所示的触觉致动器200，在图15A-15C所示的示例性实施方案中，未增加或放大向心力318(Fc)。触觉致动器300与触觉致动器200具有大致相同的优点，这是因为反作用力320产生的所有摩擦均是有利的且振动电机主体100a/180a将其用于在两个接触点314处产生扭矩。触觉致动器300的另一个示例性优点为在触觉致动器300经受外部冲击时具有较大的强度，这至少部分地因为不均衡质量块302a和302b更均匀地分布作用于旋转轴310上的弯曲应力。
参照图16A至16D，触觉致动器400为与触觉致动器200相同的替代实施方案，不同的是单个不均衡质量块402固定至振动电机主体100a/180a内部的旋转轴410。触觉致动器400具有外壳412以及集成振动电机主体100a/180a(例如超声电机或超声旋转电机)和集成驱动器IC 204。通过在电机主体100a/180a的振动节点处使用半刚性弹性体将振动电机主体100a/180a固定至外壳412，如针对触觉致动器200所述，但也可采用其它固定技术。旋转轴410在由相应的圆柱形轴衬106a和106b形成的圆柱形摩擦表面的接触点414处接触振动电机主体100a/180a。不均衡质量块402通过压配合、粘合剂或者可采用本领域的普通技术人员所熟知的其它固定方式固定至轴410的中央。在该实例中，例如，集成驱动器IC 204连接至DC电压源206和I2C串行控制接口208，如针对图11A中的触觉致动器200所述。
振动电机主体100a或180a用于触觉致动器400中，这是因为作用于接触点414处的反作用力420位于振动电机主体100a/180a的端部，并且还位于旋转轴410的大致同一侧且在大致相同的方向上。对于该实例，触觉致动器400的构造的对称导致不均衡质量块402产生的向心力418在大小上等于反作用力420的和，但与向心力318和/或反作用力420的方向相反。不同于触觉致动器200，未增加或放大向心力418(Fc)。触觉致动器400与触觉致动器200具有大致相同的示例性优点，这是因为反作用力Fr(元件420)产生的所有摩擦均是有利的且电机主体100a/180a将其用于在两个接触点414处产生扭矩。与触觉致动器200和300相比，触觉致动器400的另一个示例性优点为在触觉致动器400经受外部冲击时具有甚至更大的强度，这是因为不均衡质量块402均匀地分布在接触点414之间，从而使作用于轴410上的弯曲应力甚至更低。应当注意，虽然触觉致动器400仅示出了一个不均衡质量块302，但也可采用沿旋转轴410分布的多个不均衡质量块。此外，虽然图16A-16D中描述了振动电机主体100a/180a，但本领域的普通技术人员可改进触觉致动器400以与其它振动电机主体(例如振动电机主体100)一起使用。
参照图17，将通过再参照图1A-16D并使用流程图1700来描述触觉致动器按照制造触觉致动器200、200a、300的方法的操作。
在步骤1702中，提供超声振动电机主体(例如振动电机主体100)。在一个实例中，在步骤1702中，提供超声振动电机主体还包括提供管状体(例如管104的管状体)，所述管状体被构造成以位于与超声振动电机主体的轴线平行的两个正交平面的每一者中的第一弯曲模式(例如弯曲模式130)进行超声振动，并且其中旋转轴210进一步使不均衡质量块旋转且产生会产生人可检测的振动的向心力Fc。在另一个实例中，在步骤1702中，将管状体连接至位于管状体的外表面上的至少一个压电板(例如压电陶瓷板110)，并且该压电板的平面平行于管状体的轴线105，所述压电板被构造成在通电时通过以位于与管104的管状体的轴线105平行的两个正交平面中的谐振弯曲模式(例如弯曲模式130和135)产生超声振动来使管状体弯曲，所述超声振动使轴210在至少一个方向上旋转。
在一个实例中，如上所述，超声振动以谐振弯曲模式130和135中每一个的平均频率来发生，谐振弯曲模式130和135例如根据如图1C所示的管状体的横截面形状而具有大致90度的相移和大致相同的振幅。
在一个实例中，所述方法包括在步骤1702中提供管状体，所述管状体连接至位于管状体的外表面上的至少两个压电板，并且所述板的相应平面平行于管状体的轴线。至少两个压电板110a和110b通过两个相应驱动波形(例如图9所示的波形)来通电，从而在两个相应正交平面中以第一和第二正交弯曲模式192和194的平均频率在管状体中引起振动，并且第一和第二正交弯曲模式192和194根据管状体的横截面形状(例如图8C所示的横截面形状)而具有大致相同的振幅和90度的相移。
在步骤1704中，将轴(例如旋转轴310)连接至振动电机主体100，所述轴被布置成响应于振动电机主体在至少一个方向上(例如顺时针或反时针方向)旋转。在一个实例中，在步骤1704中，流程图1700描述的方法包括在位于超声振动电机主体180a的内表面的内径上的两个圆柱形轴衬(例如圆柱形轴衬106a和106b)处将管状体摩擦地连接至所述轴。所述两个圆柱形轴衬中的第一个大致位于管状体的一端，并且所述两个圆柱形轴衬中的第二个大致位于管状体的中部，如图8B所示。或者，所述方法可包括连接位于管状体的各相应端的两个圆柱形轴衬106a′和106b′，如图8E所示。
在步骤1706中，将至少一个不均衡质量块(例如不均衡质量块202)连接至旋转轴。在步骤1708中，将不均衡质量块与所述轴一起移动，以响应于所述轴的移动来产生人可检测的振动。在另一个实例中，在步骤1706中，所述方法包括将至少一个不均衡质量块(例如不均衡质量块202)作为固定至轴210的一端的单个质量块来连接。或者，所述方法可包括以分别固定至轴310的相对端的两个质量块(例如不均衡质量块302a和302b)的形式存在的至少一个不均衡质量块。此外，在另一个示例性实施方案中，流程图1700描述的方法可包括将至少一个不均衡质量块(例如不均衡质量块402)作为固定至位于超声振动电机主体的管状体内部的轴410的单个质量块来连接在位于管状体每端的两个圆柱形轴衬之间。
在一个实例中，流程图1700描述的方法还包括在步骤1706中提供具有低摩擦接触表面的弹簧218，将弹簧218连接至轴219，并且被构造成向轴219施加径向力，以增加超声振动电机主体200a与轴219之间的一个或多个接触点处的摩擦，且用于以所述轴的零速度来增加与超声振动电机主体相关的电机扭矩。
在步骤1708中，将不均衡质量块(例如不均衡质量块402)与旋转轴一起移动，以响应于所述轴的旋转来产生人可检测的振动。在一个示例性实施方案中，流程图1700描述的方法还包括提供在超声振动电机主体的外壳412的内部的集成驱动电路204，集成驱动电路204被构造成提供用于使超声振动电机主体通电的一个或多个信号。例如，集成驱动电路204包括图9所示的一个或多个全桥驱动电路120a和120b以及数字控制逻辑。
虽然已通过触觉致动器200的实例大致描述了流程图1700的步骤，但流程图1700中的步骤同样适用于触觉致动器200a或300，或者本文所公开的其它触觉致动器系统和模块。此外，流程图1700中的步骤可以适于实施示例性方面的任何其它顺序来进行，并且流程图1700中所示的步骤顺序仅为示例性的，而非进行限制。
此技术的各个示例性实施方案提供了许多优点。例如，超声振动电机实现了单向轴旋转、高于常规电机的效率和旋转速度，而同时其制造也更便宜和更简单。另外，该超声电机的示例性实施方案采用了具有圆柱形轴衬触点的驻波管设计，其中不均衡质量块产生的向心力在轴衬触点处产生摩擦力。振动管与旋转轴之间的接触提高了效率，并且单相电子电路产生了产生轴旋转的驻波振动。
通过如此描述了本发明的基本概念，对于本领域的普通技术人员而言，将相当显而易见的是，上述详细公开旨在仅以举例的方式呈现，而非进行限制。虽然本文中未明确地指出，但将进行各种变更、改进和修改，并且其旨在通过本领域的普通技术人员来进行。这些变更、改进和修改旨在据此提出，并且在本发明的精神和范围内。例如，在上述触觉致动器的各个实施方案中，根据各种设计参数和机电参数，不均衡质量块302a和302b、弹簧218以及圆柱形轴衬106a和106b可位于其它位置。触觉致动器200、200a和/或300的两个或更多个部件可被集成，或者可成为集成电路芯片的一部分。此外，在不脱离如上所述的本发明的各个示例性方面的范围的情况下，在适当时，电气和机械部件的改变可通过对机械连接件或部件互换和/或添加电气连接件和部件(反之亦然)来实现。另外，因此所提及的处理元件或序列的顺序，或者数字、字母或其它标号的使用并非旨在使要求保护的方法受限于除可在权利要求中规定的顺序之外的任何顺序。因此，本发明可仅受下列权利要求及其等同形式的限制。
Claims (30)
1.一种触觉致动器系统，其包括：
超声振动电机主体；
连接至所述振动电机主体的轴，所述轴被布置成响应于所述振动电机主体在至少一个方向上旋转；以及
至少一个不均衡质量块，其连接至所述轴且可与所述轴一起移动以响应于所述轴的移动来产生人可检测的振动。
2.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其中所述超声振动电机主体还包括管状体，所述管状体被构造成在位于与所述超声振动电机主体的轴线平行的两个正交平面的每一个中以第一弯曲模式进行超声振动，并且其中所述旋转轴进一步使所述不均衡质量块旋转并产生会产生所述人可检测的振动的向心力。
3.根据权利要求2所述的触觉致动器系统，其中所述管状体连接至位于所述管状体的外表面上的至少一个压电板，并且所述至少一个压电板的平面平行于所述振动电机主体的所述轴线，所述至少一个压电板被构造成在通电时通过产生在与所述振动电机主体的所述轴线平行的两个正交平面中的处于谐振弯曲模式的超声振动来使所述管状体弯曲，所述超声振动使所述轴在所述至少一个方向上旋转。
4.根据权利要求3所述的触觉致动器系统，其中所述超声振动以所述谐振弯曲模式中每一个的平均频率来发生，所述谐振弯曲模式根据所述管状体的横截面形状而具有大致90度的相移和大致相同的振幅。
5.根据权利要求2所述的触觉致动器系统，其中所述管状体连接至位于所述管状体的外表面上的至少两个压电板，并且所述至少两个压电板的相应平面平行于所述振动电机主体的所述轴线。
6.根据权利要求5所述的触觉致动器，其中所述至少两个压电板通过两个相应驱动波形来通电，从而在两个相应正交平面中以第一和第二正交弯曲模式的平均频率在所述管状体中引起振动，并且所述第一和第二正交弯曲模式根据所述管状体的横截面形状而具有大致相同的振幅和90度的相移，所述引起的振动使所述轴在所述至少一个方向上旋转。
7.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其中所述超声振动电机主体包括管状体，所述管状体在位于所述超声振动电机主体的内表面的内径上的两个圆柱形轴衬处摩擦地连接至所述轴。
8.根据权利要求7所述的触觉致动器系统，其中所述两个圆柱形轴衬中的第一个大致位于所述管状体的一端，并且所述两个圆柱形轴衬中的第二个大致位于所述管状体的中部。
9.根据权利要求7所述的触觉致动器系统，其中所述两个圆柱形轴衬位于所述管状体的各相应端。
10.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其中所述至少一个不均衡质量块为固定至所述轴的一端的单个质量块。
11.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其中所述至少一个不均衡质量块包括分别固定至所述轴的相对端的两个质量块。
12.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其中所述至少一个不均衡质量块为固定至位于所述超声振动电机主体的管状体内部的所述轴的单个质量块，其介于位于所述管状体每端的两个圆柱形轴衬之间。
13.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其还包括具有低摩擦接触表面的弹簧，所述弹簧连接至所述轴，并且被构造成向所述轴施加径向力，以增加所述超声振动电机主体与所述轴之间的一个或多个接触点处的摩擦，且用于以所述轴的大致零速度来增加与所述超声振动电机主体相关的电机扭矩。
14.根据权利要求1所述的触觉致动器系统，其还包括位于所述超声振动电机主体的外壳内部的集成驱动电路，所述集成驱动电路被构造成提供用于使所述超声振动电机主体通电的一个或多个信号。
15.根据权利要求14所述的触觉致动器系统，其中所述集成驱动电路包括一个或多个全桥驱动电路和数字控制逻辑。
16.一种制造触觉致动器系统的方法，包括：
提供超声振动电机主体；
将轴连接至所述振动电机主体，所述轴被布置成响应于所述振动电机主体在至少一个方向上旋转；并且
将至少一个不均衡质量块连接至所述轴且将所述不均衡质量块与所述轴一起移动以响应于所述轴的移动来产生人可检测的振动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述超声振动电机主体还包括管状体，所述管状体被构造成在与所述超声振动电机主体的轴线平行的两个正交平面的每一个中以第一弯曲模式进行超声振动，并且其中所述旋转轴进一步使所述不均衡质量块旋转且产生会产生所述人可检测的振动的向心力。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述管状体连接至位于所述管状体的外表面上的至少一个压电板，并且所述至少一个压电板的平面平行于所述振动电机主体的所述轴线，所述至少一个压电板被构造成在通电时通过产生在与所述管状体的所述轴线平行的两个正交平面中的处于谐振弯曲模式的超声振动来使所述振动电机主体弯曲，所述超声振动使所述轴在所述至少一个方向上旋转。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述超声振动以所述谐振弯曲模式中每一个的平均频率来发生，所述谐振弯曲模式根据所述管状体的横截面形状而具有大致90度的相移和大致相同的振幅。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述管状体连接至位于所述管状体的外表面上的至少两个压电板，并且所述至少两个压电板的相应平面平行于所述振动电机主体的所述轴线。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少两个压电板通过两个相应驱动波形来通电，从而在两个相应正交平面中以第一和第二正交弯曲模式的平均频率在所述管状体中引起振动，并且所述第一和第二正交弯曲模式根据所述管状体的横截面形状而具有大致相同的振幅和90度的相移，所述引起的振动使所述轴在所述至少一个方向上旋转。
22.根据权利要求16所述的方法，其中所述超声振动电机主体包括管状体，所述管状体在位于所述超声振动电机主体的内表面的内径上的两个圆柱形轴衬处摩擦地连接至所述轴。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述两个圆柱形轴衬中的第一个大致位于所述管状体的一端，并且所述两个圆柱形轴衬中的第二个大致位于所述管状体的中部。
24.根据权利要求22所述的方法，其中所述两个圆柱形轴衬位于所述管状体的各相应端。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个不均衡质量块为固定至所述轴的一端的单个质量块。
26.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个不均衡质量块包括分别固定至所述轴的相对端的两个质量块。
27.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个不均衡质量块为固定至位于所述超声振动电机主体的管状体内部的所述轴的单个质量块，其介于位于所述管状体每端的两个圆柱形轴衬之间。
28.根据权利要求16所述的方法，其还包括：
提供具有低摩擦接触表面的弹簧，所述弹簧连接至所述轴，并且被构造成向所述轴施加径向力，以增加所述超声振动电机主体与所述轴之间的一个或多个接触点处的摩擦，且用于以所述轴的大致零速度来增加与所述超声振动电机主体相关的电机扭矩。
29.根据权利要求16所述的方法，其还包括：
提供位于所述超声振动电机主体的外壳内部的集成驱动电路，所述集成驱动电路被构造成提供用于使所述超声振动电机主体通电的一个或多个信号。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述集成驱动电路包括一个或多个全桥驱动电路和数字控制逻辑。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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