CN1484360A - 致动器 - Google Patents

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Abstract

一种致动器具有第一磁轭板、第二磁轭板、磁铁、线圈、触觉提供元件和线圈固定元件。第一磁轭板和第二磁轭板都为大致方形轮廓的平板形状，且相互之间近似平行设置。磁铁固定在第一磁轭板的与第二磁轭板相对的表面上。所述的线圈可移动地设置在磁铁与第二磁轭板之间并固定在所述的线圈固定元件上从而与其形成一体。在磁体的磁场中产生的电磁力作用在线圈上，从而使由线圈固定元件支持的触觉提供元件移动。

Description

致动器
本公开文本涉及2002年9月19日提交的日本专利申请No.2002-273692中包含的内容，本公开文本结合该申请文件全文作为参考。
技术领域
本发明涉及具有线圈与磁铁的致动器。
背景技术
一般的致动器是一种第二组件相对第一组件移动的致动器。随着这种移动，能够移动一个固定到所述的第二组件的样品(sample)等或者给触摸第二组件的人的手指提供一种触觉。有各种各样的驱动机构用于这种致动器。
在这些致动器中，具有线圈和磁铁的致动器利用这样的现象，即当电流通过存在于磁铁周围磁场中的线圈时，电磁力作用到线圈上。其上固定有线圈的第二组件相对于固定有磁铁的第一组件移动。这些致动器是值得注意的，尤其是在所述的第二组件在平面内能二维地移动的情况下。
JP-A-2000-330688中公开的信息接收和触觉提供的装置公知为使用这种致动器的装置。该装置具有这样一种结构，平的、二维的致动器安装在鼠标上，并结合个人电脑上的图象提供触觉信息。所述的致动器以下述方式构成，磁铁安装在基体(base)上，固定线圈的线圈座(coil holder)放置在所述的磁铁上，并且所述的线圈座的四侧从外部由弹性元件支撑。
上述的致动器结合在诸如鼠标等小的装置中使用，鼠标的尺寸增加会使得其可操作性下降。为了防止鼠标尺寸增大，就需要减小致动器的尺寸以使其能结合在普通鼠标内。
另一方面，在通过结合在鼠标内的致动器来提供触觉的情况下，通过增加对第二组件的推力(thrust)能提高提供触觉的能力。例如，通过增加磁铁的大小来增加作用在线圈上的磁场的力，从而增加对第二组件的推力。但是，磁铁大小的增加会使得致动器的大小增加，这是不利的。
发明内容
本发明的目的是解决上述的问题，且本发明的目的是提供一种能增加推力且尺寸减小的致动器。
为实现上述目标，根据本发明的致动器包括大致为平板状的第一磁轭板(yoke plate)；与第一磁轭板近似平行设置的大致平板状的第二磁轭板；固定在第一磁轭板上的与第二磁轭板相对的表面上的许多磁铁；设置在第二磁轭板上的与第一磁轭板相对的表面的许多线圈；和线圈固定元件，线圈固定在其上以形成单一体。
由于所述的第二磁轭板与所述的第一磁轭板近似平行设置，从第一磁轭板上的磁铁延伸的磁通量受第二磁轭板的吸引。因此，磁通量的Z分量(即，在位于磁铁的磁极表面的中心附近的磁通量的延伸方向中的分量)与其X和Y分量(即，与XY平面平行的分量)的比值很小。因此，作用在每个线圈的导线上的电磁力的Z分量与其X和Y分量的比值很小。即，磁通量有效作用于在X和Y方向中移动的线圈。因此，每单位磁通量的推力，即，每单位磁铁面积(magnet area)的推力增加。因此，可以使得对线圈和线圈固定元件的推力增加且致动器最小化。
由于作用在每个线圈的导线上的电磁力的Z分量与其X或Y分量的比值很小，从而使线圈与线圈固定元件的倾斜得到了抑止。另外，减少了线圈和线圈固定元件与其他元件之间的阻力，从而使线圈与线圈固定元件能稳定地移动。
由于设置了第一磁轭板和第二磁轭板，从磁铁延伸出的磁通量受所述的磁轭板的吸引或穿过这些磁轭板。从而有可能抑止磁通量泄漏到致动器外部。
所述的致动器可以为这样，磁铁与线圈之间的间隔d1大于第二磁轭板与线圈之间的间隔d2。当间隔d1和d2之间的关系为d1＞d2时，在某一磁铁的边缘附近，虽然磁通量延伸的方向偏离Z方向，但是磁通量的X和Y分量与其Z分量的比值在相应线圈的导线的一部分处很小，这是因为该部分导线远离Z方向中的磁铁。因此，作用在该线圈的所述导线部分的电磁力的Z分量与其X或Y分量的比值很小，这样即使所述的线圈与线圈固定元件在XY平面内相对第一磁轭板在一个较宽的范围内移动，也能抑止住线圈与线圈固定元件的倾斜程度。线圈和线圈固定元件与其他元件之间的阻力下降，从而允许线圈与线圈固定元件稳定移动。
或者，致动器可以为这样，磁铁与线圈之间的间隔d1小于或等于第二磁轭板与线圈之间的间隔d2。相应磁铁附近的磁通量密度随着磁铁与线圈和线圈固定元件之间的间隔减小而增加。因此，使间隔d1与d2之间的关系为d1≤d2会进一步增加作用在线圈与线圈固定元件上的推力。
所述的致动器还包括设置在所述的多个磁铁中每对相邻的磁铁的边界附近的磁性元件。这样，在某一磁铁的边缘附近，虽然磁通量延伸的方向偏离Z方向，但是靠近所述的两个相邻的磁铁的结合部分的大部分磁通量穿过位于该处的磁性元件。因此，在磁铁与线圈之间的空间内，磁通量的X和Y分量与其Z分量的比值很小并且作用在相应线圈的导线部分上的电磁力的Z分量与其X或Y分量的比值很小。所以，即使线圈和线圈固定元件在XY平面内相对第一磁轭板在一个较宽范围内移动也能抑止线圈和线圈固定元件的倾斜程度。线圈和线圈固定元件与其他元件之间的摩擦阻力下降，从而使线圈与线圈固定元件能稳定移动。
所述的致动器可以是这样，第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一或两者都形成有开口，所述的线圈固定元件在面对开口的区域中设有柱形部分从而穿透所述的开口且所述的柱形部分的外部尺寸大于所述开口的内部尺寸。由于这样结构限制了线圈和线圈固定元件的移动范围，所以就不需要再提供一个单独的元件来限制线圈和线圈固定元件的移动范围，从而使致动器最小化。
所述的致动器可以是这样，在第二磁轭板上形成有开口。第一磁轭板上就不需要形成开口。由于设置在第一磁轭板上的磁铁的大小可以保持不变，所以所述开口的形成不会影响作用在线圈和线圈固定元件上的推力。
所述的致动器还包括一个缓冲元件，其设置在所述的开口的边缘处以与所述的柱形部分相接触或者设置在所述的柱形部分的一部分上以与所述的开口边缘相接触。这样当柱形部分与开口边缘接触时能减少可能产生的冲力。
所述的致动器可以是这样，所述的线圈固定元件具有一个柱形部分，其设置在面对第一磁轭板的侧边和面对第二磁轭板的侧边中的一个或两个上，并且所述的致动器还包括环绕所述柱形部分的周边元件(surrounding member))，所述的周边元件的外部尺寸大于所述的柱形部分的外部尺寸。由于所述的周边元件限制线圈与线圈固定元件的移动范围，所以就不需要再提供一个单独的元件来限制线圈和线圈固定元件的移动范围，从而使致动器最小化。
所述的致动器可以是这样，所述的第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一或两者都设有开口，且在所述开口的附近设置周边元件。由于所述的周边元件能适当地环绕所述的柱形部分，所以限制了线圈和线圈固定元件的移动范围并使致动器最小化。
所述的致动器还可以包括缓冲元件，其设置在所述的周边元件的一部分上以与所述柱形部分相接触或设置在柱形部分的一部分上以与所述的周边元件相接触。这样当柱形部分与周边元件接触时可能减少产生的冲击。
所述的致动器还包括以固定方式设置在第一磁轭板与第二磁轭板之间的限制元件，用来限制线圈固定元件的移动范围。由于所述的限制元件限制线圈与线圈固定元件的移动范围，所以就不需要再提供一个单独的元件来限制线圈和线圈固定元件的移动范围并从而使致动器最小化。
所述的致动器还可以包括缓冲元件，其设置在限制元件的一部分上以与所述的线圈固定元件相接触或设置在所述的线圈固定元件的一部分上以与所述的限制元件相接触。这样当所述的线圈固定元件与限制元件接触时可能减少产生的冲击。
所述的致动器可以是这样，第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一或两者都形成有开口，所述的线圈固定元件在面对所述开口的区域中设置有柱形部分从而穿透所述的开口且所述的柱形部分的外部尺寸大于开口的内部尺寸，并且所述的致动器还包括固定在柱形部分上的触觉提供元件，其位于开口的与线圈固定元件相对的侧边上。这样就可能向接触所述的触觉提供元件的手指或类似物提供触觉信息。
所述的致动器还包括位置检测装置，用来检测线圈固定元件相对第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一的位置。在具有这种位置检测装置的致动器中，测量线圈固定元件相对于第一或第二磁轭板的位置。这样就可能根据所检测到的相对位置控制流过所述线圈的电流来控制所述线圈固定元件的移动。
附图说明
图1是根据第一种实施方式的整个致动器的立体图；
图2是沿图1中的线I-I剖的侧面剖视图；
图3是不包括触觉提供元件的图1的致动器的立体图；
图4是不包括触觉提供元件和第二磁轭板的图1的致动器的立体图；
图5是表示根据第一种实施方式的致动器的线圈与磁铁之间的位置关系的平面图；
图6是图1的致动器的侧视图；
图7A是表示在常规的致动器内产生的磁通量的示意图和图7B是表示在根据第一种实施方式的致动器内产生的磁通量的示意图；
图8是表示根据第一种实施方式的致动器中的第二磁轭板的开口的示意图；
图9是根据第二实施例的致动器的部分的立体图；
图10是根据第二实施例的致动器的侧视图；
图11是沿与图1所示相同的线I-I剖的第三实施例的致动器的侧面剖视图；
图12是根据不包括触觉提供元件的第三实施例的致动器的立体图；
图13是表示根据第三实施例的致动器中的线圈与磁铁之间的位置关系的平面图；
图14是根据沿与图1所示相同的线条I-I剖的第四实施例的致动器的侧面剖视图；
图15是根据不包括触觉提供元件和第二磁轭板的第五实施例的致动器的立体图；
图16是根据沿与图1所示的线条I-I剖的第五实施例的致动器的侧面剖视图；
图17是表示第二实施例中的推力分量FX，FY和FZ与间隔d2相对于间隔d1的比值d2/d1之间的关系的图表。
具体实施方式
下文将参考附图详细说明本发明的实施例。在图中相同的部件以相同的标号表示且在说明书中不再赘述。
(第一种实施方式)
下面将描述根据本发明的第一种实施方式的致动器。图1-6表示根据第一种实施方式的致动器1的结构。图1是整个致动器1的立体图。图2是沿图1中的线I-I剖的致动器1的侧面剖视图。图3是不包括触觉提供元件70的致动器1的立体图。图4是不包括触觉提供元件70与第二磁轭板20的致动器1的立体图。图5是表示线圈41-44与磁铁31-34之间的位置关系的平面图。图6是致动器1的侧视图。
如图1和2所示，致动器1具有由磁性材料制成的第一磁轭板10和第二磁轭板20。第一磁轭板10一般是方形的平板。第二磁轭板20为方形平板的四个角部被倾斜切除的形状。将第二磁轭板20的四个角部分剪切是为了防止在连接时产生妨碍。第一磁轭板10与第二磁轭板20相互之间近似平行且通过四个双头螺栓(stud)51-54在四个角部位置相互固定连接。如图3所示，第二磁轭板20大致在中心位置具有矩形开口20a。开口20a的内表面设有由能够缓冲冲击的材料制成的缓冲元件21。
致动器1也具有触觉提供元件70和线圈固定元件71。线圈固定元件71设置在第一磁轭板10与第二磁轭板20之间从而能平行于磁轭板10和20移动。线圈固定元件71具有板部，其与第一磁轭板10和第二磁轭板20近似平行且在两个正交方向中延伸。线圈固定元件71也具有方形棱镜形状(quadratic-prism-shaped)的柱形部分71a，所述的柱形部分从板部的近似中心位置突出且穿透第二磁轭板20的开口20a。触觉提供装置70固定在柱形部分71a的顶部从而能与线圈固定元件71一起移动，且面对位于与第一磁轭板10相对侧面上的第二磁轭板20的表面。所述的触觉提供元件70为中间部分厚的圆盘状。
如图4所示，致动器1具有四个线圈41-44。线圈41-44固定在线圈固定元件71的线圈座部分71b上从而形成单一体，从而近似平行于与第一磁轭板10相对的第二磁轭板20的表面。参照图2，线圈座部分71b从线圈固定元件71的板部的四端朝第一磁轭板10延伸并穿透相应的线圈41-44的空腔。并且线圈41-44固定在相应的线圈座部分71b上。如果所述的第一磁轭板10称为第一组件，则线圈41-44和线圈固定元件71作为能相对第一元件移动的第二组件。
参照图4，致动器1也具有四个磁铁31-34，这些磁铁固定在第一磁轭板10的与第二磁轭板20相对的表面上。
图5表示四个磁铁31-34与四个线圈41-44之间的位置关系。假定一个XYZ正交坐标系，其中以第一磁轭板10的中心为原点。X轴和Y轴与第一磁轭板10的相应侧边平行。
所述的四个磁铁31-34固定在第一磁轭板10的与第二磁轭板20相对的表面除设有双头螺栓51-54之外的区域中。所述的四个磁铁31-34为形状相同的板形且设置在第一磁轭板10上以相对Z轴对称。
磁铁31设置在X坐标和Y坐标都为正值的区域中，且使其部分磁通量穿过线圈41和42。磁铁32设置在X坐标为负值而Y坐标为正值的区域中，且使其部分磁通量穿过线圈42和43。磁铁33设置在X坐标和Y坐标都为负值的区域中，且使其部分磁通量穿过线圈43和44。磁铁34设置在X坐标为正值而Y坐标为负值的区域中，且使其部分磁通量穿过线圈44和41。设置磁铁31和33使它们的S极与第二磁轭板20相对。设置磁铁32和34使它们的N极与第二磁轭板20相对。
四个线圈41-44的形状相同且固定在线圈固定元件71上，所述的固定方式使它们与第二磁轭板20之间的距离相等并相对于Z轴对称。线圈41设置在X坐标为正值的区域中从而跨过X轴。线圈42设置在Y坐标为正值的区域中从而跨过Y轴。线圈43设置在X坐标为负值的区域中从而跨过X轴。线圈44设置在Y坐标为负值的区域中从而跨过Y轴。线圈41和43通过穿过原点(origin)的导线相互连接从而具有相反的电流走向。线圈41和44通过穿过原点的导线相互连接从而具有相反的电流走向。
磁铁31-34和线圈41-44之间的相对位置关系也可以下述方式设置。设置线圈41从而使在磁铁34和31的磁场中产生的力和对沿X方向流经的电流的作用是主要的(dominant)。设置线圈42从而使在磁铁31和32的磁场中产生的力和对沿Y方向流经的电流的作用是主要的。设置线圈43从而使在磁铁32和33的磁场中产生的力和对沿X方向流经的电流的作用是主要的。设置线圈44从而使在在磁铁33和34的磁场中产生的力和对沿Y方向流经的电流的作用是主要的。
线圈41-44的导线可以是铜线。为减轻重量，优选使用镀铜铝线(copper-plated aluminum wire)。优选地，磁铁31-34具有较大的抗磁力和剩余磁通密度。例如，一个优选的例子为NdFeB磁铁。
在磁铁31-34的磁场中根据左手定则产生的电磁力根据通过线圈41-44的电流的大小与方向作用于线圈41-44的导线，从而使线圈41-44受到推力。线圈41-44和线圈固定元件71相对其上固定有磁铁31-34的第一磁轭板10移动。当线圈41-44和线圈固定元件71移动时，例如，与触觉提供元件71接触的操作者的手指得到触觉感应，其中所述的触觉提供元件70固定在柱形部分71a。
图6是从Y方向看致动器1的侧视图。从图6中可知，设置在第一磁轭板10的四角位置的双头螺栓51-54中的每一个的一端固定在第一磁轭板10上且另一端固定在第二磁轭板20上。因此双头螺栓51-54用于使第一磁轭板10与第二磁轭板20相互固定定位。在根据本实施例的致动器1中，设置磁铁31-34与线圈41-44之间的距离d1大于第二磁轭板20与线圈41-44之间的距离d2。
根据本实施例的致动器1具有下列优点。由于由磁性材料制成的第二磁轭板20大致平行于第一磁轭板10，从设置在第一磁轭板10上的磁铁31-34延伸的磁通量受第二磁轭板20的吸引从而越来越接近Z方向。因此，每个磁通量的X和Y分量与其Z分量的比值减小。这样，作用在每个圈41-44上的电磁力的Z分量弱于其X和Y分量。
图7A是表示在常规的致动器内产生的磁通量的示意图。图7B是表示在致动器1内产生的磁通量的示意图。
参照图7A，常规的致动器具有基板101和201，和固定在基板101的表面上的磁铁33和34。磁铁33设置成使其顶面为S极，并磁铁34设置成使其顶面为N极。从磁铁33的顶面延伸的磁力线(由图7A中的虚线表示)包括走向磁铁33的底面的线、走向磁铁34的顶面的抛物线和其他的线。基本上没有与磁铁33和34的顶面垂直的磁场线。因此，作用在线圈44上的推力F的Z分量FZ大于其X分量FX。如果推力F为常量，则X分量FX的绝对值减小，即移动线圈44的推力在X方向随着Z分量FZ的增加而减小。
相反，参照图7B，从磁铁33的顶面延伸的磁力线近似垂直于磁铁33的顶面通过，穿过第二磁轭板20的内部并近似垂直于磁铁34的顶面通过磁铁34的顶面。结果，作用在线圈44上的推力F的X分量FX是主要的且Z分量FZ(未示出)与X分量FX的比值很小。可以以与在X方向中一样的方式解释在Y方向中的推力。
如上所述，由于致动器1具有由磁性材料制成的且与第一磁轭板10近似平行设置的第二磁轭板20，磁通量有效地作用于在X和Y方向中可移动的线圈41-44，因此，在X和Y方向中每单位磁通量的推力，即在X和Y方向中的每单位磁铁面积的推力增加。因此，可以使作用在线圈和线圈固定元件上的推力增加而不用增加磁铁的面积。根据本发明人的分析，致动器中由于第二磁轭板20的存在而增加1.7倍的推力。如果致动器初始地有足够的推力，则通过减小磁铁的大小可以使致动器最小化。
在JP-A-2000-330688的信息接收和感觉提供装置中使用的常规致动器中，作用在每个线圈的导线上的电磁力的方向由磁铁生成的磁通量的方向决定。也就是说，如果磁通量的方向在磁铁的极表面的中心附近平行于某一方向(假定为Z方向)，则作用在存在于该处的线圈的导线上的电磁力只有垂直于Z轴的XY平面中的分量。另一方面，在接近磁铁边缘的位置处，由于磁通量的方向偏离Z方向，因此作用在存在于该处的线圈的导线上的电磁力不仅具有XY平面中的分量也具有Z方向中的分量。
通过上文的描述可知，在常规的致动器中，虽然JP-A-2000-330688中描述第二组件在某一平面(XY平面)内相对于第一组件二维地移动，但是如果线圈的部分导线存在于磁铁的边缘附近，则第二组件在具有Z分量的电磁力的作用下也可以在Z方向移动。因此，在常规的致动器中，第二组件会相对于另一组件倾斜或与其接触而引起阻力；可能不能稳定地完成预定的操作。在第二组件移动的程度很大以至于线圈的部分导线接近于磁铁的边缘的情况下这个问题尤其显著。
与具有上述问题的常规致动器相反，在根据本实施例的致动器1中，作用在每个线圈41-44的导线上的电磁力的Z分量与其X或Y分量之间的比值很小。电磁力的Z分量作用在线圈41-44中某一个的导线上从而使线圈41-44倾斜于第一磁轭板10和第二磁轭板20。减小电磁力的Z分量与其X或Y分量之间的比值对抑制线圈41-44和线圈固定元件71的倾斜十分有效，其接着又抑制线圈41-44和线圈固定元件71与诸如磁铁31-34和第二磁轭板20的其他元件之间的摩擦阻力。因此，线圈41-44和线圈固定元件71可以稳定地移动。这在线圈41-44和线圈固定元件71在XY平面内相对第一磁轭板10在一个较宽的范围内移动的情况下尤其有利。
作为个人计算机的接口，带有致动器的鼠标经常接近诸如ID卡的磁卡或诸如软盘的磁记录介质。因此，为防止从致动器的磁铁泄漏磁通量从而损坏磁卡或磁记录介质的内部数据，需要使从致动器泄漏的磁通量最小。
根据本实施例的致动器1设有由磁性材料制成的第一磁轭板10和第二磁轭板20以及设置在所述第一磁轭板与第二磁轭板之间的磁铁31-34。磁铁31-34的磁通量受第一磁轭板10和第二磁轭板20的吸引并穿过第一磁轭板和第二磁轭板(见图7B)，从而能抑制致动器1的磁通量泄漏。根据发明人的分析，第一磁轭板10和第二磁轭板20的使用最多能减少90％的磁通量泄漏。
在根据本实施例的致动器1中，间隔d1和d2之间的关系为d1＞d2。在需要稳定移动线圈41-44和线圈固定元件71的情况下，优选地致动器1满足上述关系。这样的话，在磁铁31-34中某一个的边缘附近，虽然磁通量的延伸方向偏离Z方向，但是在线圈41-44中相应的一个线圈的导线的部分处该磁通量的X和Y分量与其Z分量的比值小，因为导线的该部分远离在Z方向中的有关磁铁。因此，作用在线圈41-44中的每个线圈的部分导线上的电磁力的Z分量与其X或Y分量之间的比值小，从而能抑制线圈41-44与线圈固定元件71的倾斜。这在线圈41-44和线圈固定元件71在XY平面内相对第一磁轭板10在一个较宽范围内移动的情况下尤其有利。线圈41-44和线圈固定元件71与其他元件之间的阻力得到降低，从而允许线圈41-44与线圈固定元件71稳定移动。
另一方面，在需要进一步增加对线圈41-44和线圈固定元件71的推力的情况下，优选地，间隔d1和d2之间的关系为d1≤d2。线圈41-44附近的磁通量密度随着线圈41-44越来越接近磁铁31-34而增加。这种趋势在磁铁31-34的边缘附近尤为显著。通过使d1≤d2能进一步增加对线圈41-44和线圈固定元件71的推力。
在根据本实施例的致动器1中，第二磁轭板10在中央设有开口20a且线圈固定元件71的柱形部分71a穿透所述的开口20a。优选地，所述的致动器具有这样一种结构(structure)。由于这种结构限制线圈41-44和线圈固定元件71的移动范围，所以就不需要再提供单独的元件用来限制线圈41-44和线圈固定元件71的移动范围，例如JP-A-2000-330688中公开的用于从外部支撑线圈固定器的弹性元件。因此能使致动器最小化。这样，致动器1的最大外部尺寸为线圈41-44的由在每个方向可移动的距离所增加的尺寸。
图8是表示第二磁轭板20的开口20a的平面示意图。在图8中，线圈固定元件71的柱形部分71a近似位于第二磁轭板20的开口20a的中心处。用W表示柱形部分71a在X和Y方向中的宽度；如果以下述方式设置可移动范围，即允许柱形部分71a在正X方向和负X方向中都可以移动距离A的话，则开口20a在X方向中的宽度等于W+2A。同理在Y方向中也是一样。
在本实施例中，开口20a形成在第二磁轭板20中。因此就不用在第一磁轭板10中形成开口，从而不会增加磁铁31-34的大小。就是说，开口20a形成不会影响作用在线圈41-44和线圈固定元件71上的推力。
优选地，在根据本实施例的致动器1中，所述的开口20a设有缓冲元件21。因此，当柱形部分71a接触开口20a的边缘时可能会减少可能发生的冲击，更具体的说为不舒服的冲击声音或不适当的冲击感觉。当柱形部分71a本身就是缓冲元件时也可以获得同样的优点。
第二实施例
下面，将描述根据本发明的第二实施例。图9和10表示根据第二实施例的致动器2的结构。更具体的说，图9是部分致动器2的立体图，和图10是致动器2的侧视图。与上述根据第一种实施方式的致动器1一样，根据第二实施例的致动器2一般包括第一磁轭板10、第二磁轭板20、四个磁铁31-34、四个线圈41-44、线圈固定元件71和四个双头螺栓51-54。这些元件的形状与第一种
实施方式中的一样。
图9以立体图表示致动器2的第一磁轭板10、四个磁铁31-34和四个磁性元件61-64(卸下了第二磁轭板20、四个线圈41-44和四个双头螺栓51-54)。如图9所示，根据第二实施例的致动器2与根据第一种实施方式的致动器1的不同之处在于前者还包括四个磁性元件61-64。以与第一种实施方式一样的方式，在本实施例中也采用XYZ正交坐标系。
磁性元件61-64形状相同，都为具有半圆形截面的杆形。磁性元件61固定在磁铁34和31的表面上以沿磁铁34与31之间的边界延伸，且其曲面与第二磁轭板20相对。磁性元件62固定在磁铁31和32的表面上以沿磁铁31和32之间的边界延伸，且其曲面与第二磁轭板20相对。磁性元件63固定在磁铁32和33的表面上以沿磁铁32和33之间的边界延伸，且其曲面与第二磁轭板20相对。磁铁64固定在磁铁33和34的表面上以沿磁铁33和34之间的边界延伸，且其曲面与第二磁轭板20相对。
图10是从Y方向看致动器2的侧视图。如图10所示，磁性元件61-64中每一个的形状为具有半圆形截面的杆形，其扁平的表面与磁铁31-34中的两个接触，且其曲面与第二磁轭板20相对。如图所示，优选地，每个磁性元件61-64的与第二磁轭板20相对的表面都没有棱角部分且为光滑的。这样可以防止磁通量从有角度的部分以密集的方式泄漏。
在根据第二实施例的致动器2中，磁性元件61-64的其中之一设置在四个磁铁31-34中的两个相邻磁铁的边界处。因此，在磁铁31-34中某一个的边缘附近，虽然磁通量的延伸方向偏离Z方向，但是两个相邻磁铁的磁通量的大部分穿过磁铁31-34中的一个。因此，在磁铁31-34和线圈41-44之间的空间，磁通量的X分量和Y分量与其Z分量的比值很小且作用在线圈41-44中的每一个的导线部分的电磁力的Z分量与其X或Y分量的比值很小。所以，能抑制线圈41-44和线圈固定元件71的倾斜程度。减少线圈41-44和线圈固定元件71与其他元件之间的摩擦阻力，从而使线圈41-44和线圈固定元件71能稳定移动。这在线圈41-44和线圈固定元件71相对第一磁轭板10在XY平面的较宽范围内移动的情况下，优势更为显著。
(第三实施例)
下面描述根据本发明的第三实施例的致动器。图11-13表示根据第三实施例的致动器3的结构。致动器3的外形与图1的致动器1的一样。图11是沿与图1中相同的线I-I剖的致动器3的侧剖视图。图12是不包括触觉提供装置70的致动器3的立体图。图13是表示线圈45-48和磁铁35-38之间位置关系的平面图。
如图11和12所示，致动器3具有第一磁轭板11和第二磁轭板20。第一磁轭板11大致为方形、扁平状且在中心具有大致为矩形的开口11a。第二磁轭板20的形状和第一磁轭板11与第二磁轭板20之间的位置关系与第一种实施方式中的一样。
在本实施例中，如图12所示，第二磁轭板20的开口20a具有周边元件75。所述的周边元件75具有大致为方形框架的形状，设置在第二磁轭板20上且周边元件的内侧区域(即框架形状内侧的区域)与开口20a同心。周边元件75的外部尺寸大于线圈固定元件71的柱形部分71a的外部尺寸，且周边元件75环绕柱形部分71a。周边元件75的内部尺寸小于第二磁轭板20的开口20a的尺寸，且周边元件75的外部尺寸大于开口20a的尺寸。在周边元件75的整个内表面上设置由能缓冲冲击的材料制成的缓冲元件76。
致动器3也设有结构与第一种实施方式中的一样的线圈固定元件71。
参照图11，致动器3具有四个线圈45-48，线圈45-48固定在线圈固定元件71的线圈座部分71b上与其形成单一体从而近似平行于与第一磁轭板11相对的第二磁轭板20的表面。致动器3也具有四个磁铁35-38。这四个磁铁35-38固定在第一磁轭板11的与第二磁轭板20相对的表面上。
致动器3具有基板73、二维的光电检测器(photodetector)74和发光单元72。所述的发光单元72连接在线圈固定元件71的柱形部分71a的端部，该端部与其固定有触觉提供元件70的端部相对，从而在负Z方向发光。从发光单元72发出的光经过第一磁轭板11的开口11a。
二维光电检测器74是用来确定其光接收表面上的光入射的位置。二维光电检测器74的优选实施例是二维的PSD(位置-感应检测器)和二维光电二极管阵列。所述的二维光电检测器74设在能接收从发光单元72发出的并经过开口11a的光的位置处。例如，二维光电检测器74的光接收表面如图13所示假定大致为方形。设置基板73使其大致平行于第一磁轭板11从而与第一磁轭板11的表面相对，该表面与固定有磁铁35-38的表面相对。二维光电检测器74连接在基板73面对开口11a的区域中。
发光单元72和二维光电检测器74用作位置检测装置用于检测线圈固定元件71相对于第一磁轭板11的位置。这可以以下述方式完成。当线圈45-48和线圈固定元件71的位置变化时，从连接到线圈固定元件71上的发光单元72发出的光的入射位置也发生变化。二维光电检测器74检测光入射位置的变化，从而检测到线圈45-48和线圈固定元件71的位置变化。在发光单元72和二维光电检测器74之间可以插入光学元件，诸如透镜。
图13表示四个磁铁35-38和四个线圈45-48之间的相对位置关系。所述的四个磁铁35-38设置在与第二磁轭板20相对的第一磁轭板11的表面上除设有双头螺栓51-54和开口11a的区域之外的区域中。所述的四个磁铁35-38具有相同的板状且设置在第一磁轭板11上从而相对Z轴对称。
具有相同形状的四个线圈45-48固定和设置在线圈固定元件71上从而与第二磁轭板20相距同样的距离且相对Z轴对称。本实施例与第一种实施方式的不同之处在于线圈45-48在原点附近相互不连接。线圈45-48和磁铁35-38之间的位置关系与第一种实施方式中的一样，在此不再赘述。
可能会产生独立的电流通过相应的线圈45-48。在磁铁31-34的磁场中依据左手定则产生的电磁力根据流过线圈45-48的电流的大小和方向作用在线圈45-48的导线上。因此，线圈45-48和线圈固定元件71相对第一磁轭板11移动。触觉信息被传送给例如与固定在柱形部分71a的触觉提供元件70的接触操作者的手指。在本实施例中，与第一种实施方式相反，可以产生独立电流经过相应的线圈45-48，然后可以提供诸如转动的复杂运动的触觉。
根据本实施例的致动器3具有下列优点。由于设置由磁性材料制成的第二磁轭板20大致平行于第一磁轭板11，因此可以增加推力而不用增加磁铁35-38的面积，从而可能实际上增加对线圈45-48和线圈固定元件71的推力并使致动器最小化。由于线圈45-48和线圈固定元件71的倾斜得到了抑制，因此降低了线圈45-48和线圈固定元件71与诸如磁铁35-38和第二磁轭板20的其他元件之间的摩擦阻力。因此，线圈45-48和线圈固定元件71能够稳定移动。
根据本实施例的致动器3具有由磁性材料制成的第一磁轭板11和第二磁轭板20，且第一磁轭板11与第二磁轭板20之间插有磁铁35-38。这样可以抑制磁通量泄漏到致动器外部。
致动器3具有环绕柱形部分71a的周边元件75。致动器具有这样的周边元件是优选的。由于周边元件75限制线圈41-44和线圈固定元件71的移动范围，与第一种实施方式中的情况一样能使致动器最小化。设置带有周边元件75的开口20a能有效地环绕柱形部分71a，从而限制线圈41-44和线圈固定元件71的移动范围并使致动器最小化。
优选的，在周边元件75的内表面上，即在周边元件75的与柱形部分71a接触的部分设置缓冲元件76，与第一种实施方式的致动器3一样。这可以减少接触时产生的冲击。如果周边元件75本身是缓冲元件的话，也能获得同样的优点。
优选地，致动器3具有位置检测装置，用来检测线圈固定元件71相对第一磁轭板11或第二磁轭板20的位置。在本实施例中，位置检测装置包括发光单元72和二维光电检测器74。这种位置检测装置能检测线圈固定元件71相对磁轭板11或20的位置。通过基于所检测的相关位置来控制流过相应的线圈45-48的电流以控制线圈固定元件71的移动，即触觉提供元件70移动。
(第四实施例)
下面描述根据本发明的第四实施例的致动器。根据第四实施例的致动器4的外形与图1的致动器1的一样。图14是沿与图1相同的线I-I剖的致动器4的侧剖视图。
参照图14，致动器4具有由磁性材料制成的第一磁轭板11和第二磁轭板20。第一磁轭板11(在第一种实施方式中用标号10表示)与第二磁轭板20具有与第一种实施方式中一样的相对位置关系。本实施例与第一种实施方式的不同之处在于本实施例的第一磁轭板11在中心位置具有矩形的开口11a而第二磁轭板20没有开口。
致动器4具有四个线圈41-44和四个磁铁35a-38a。它们的结构及之间的相互位置关系与第一种实施方式中的一样，因此下面不再详细说明。致动器4具有线圈固定元件71，所述的线圈固定元件具有固定有线圈41-44的线圈座部分71b。线圈座部分71b从线圈固定元件71的四个端部朝第二磁轭板20延伸并穿透相应线圈41-44的空腔。线圈41-44固定在相应的线圈座部分71b上。线圈固定元件71也具有方形棱柱形状(quadratic-prism-shaped)的柱形部分71a，其从线圈固定元件71的中心突出并穿透第一磁轭板11的开口11a。触觉提供元件70固定在柱形部分71a的顶部。
根据本实施例的致动器4具有下列优点。由于由磁性材料制成的第二磁轭板20大致与第一磁轭板11平行设置，因此能增加所述的推力而不会增加磁铁35a-38a的面积，从而其依序可能在实质上增加作用在线圈41-44和线圈固定元件71上的推力并使致动器最小化。由于线圈41-44和线圈固定元件71的倾斜得到了抑止，所以线圈41-44和线圈固定元件71与诸如磁铁35a-38a和第二磁轭板20的其他元件之间的摩擦阻力降低。因此，线圈41-44和线圈固定元件71能稳定移动。
在本实施例中，将磁铁35a-38a连接到所述的两个磁轭板中位于顶部的一个上，如果将位于存在有触觉提供元件40的一侧的磁轭板定义为顶部磁轭板。换句话说，带有磁铁35a-38a的第一磁轭板11位于第二磁轭板20的上方。所述的第一磁轭板11形成有开口11a并且柱形部分71a穿透所述开口11a。这样，在所述的致动器中，开口可以形成在第一磁轭板中。当诸如设置在致动器下方的电子部件等的部件趋向于受磁性的不利影响的情况下，将磁铁设置在顶部的磁轭板上是尤其有利的。这是因为从致动器的底部没有发生磁通量泄漏，因此所述的电子部件等不会受到不利的影响。
(第五实施例)
下面将描述根据本发明的第五实施例的致动器。图15和16表示根据第五实施例的致动器5的结构。致动器5与图1中的致动器1的外形一致。图15是不包括触觉提供元件70和第二磁轭板20的致动器5的立体图。图16是沿与图1中所示的相同的线I-I剖的致动器5的侧面剖视图。
参照图15和16，致动器5包括：第一磁轭板10、第二磁轭板20、四个磁铁31-34、四个线圈41-44、双头螺栓51-54、缓冲元件55-58、触觉提供元件70和线圈固定元件71。在上述元件中，第一磁轭板10、第二磁轭板20、四个磁铁31-34、四个线圈41-44和触觉提供元件70的结构与第一种实施方式中的一样，因此下面不再进行详细说明。
本实施例与上述实施例的不同之处在于线圈固定元件71的形状。具体地说，线圈固定元件71具有大致与第一磁轭板10和第二磁轭板20平行的限制部分71c且形状为将普通的方板切去四个方角部分而得到的形状。限制部分71在切去四个方角部分之后露出的表面为接触表面71d。线圈固定部分71也具有方形棱镜形状的柱形部分71a，该柱形部分从限制部分71c的大致中心位置伸出并穿透第二磁轭板20的开口20a。触觉提供元件70固定在柱形部分71a的顶部从而能与线圈固定元件71一起移动，并面对位于与第一磁轭板10相对的侧边的第二磁轭板20的表面。所述的线圈固定元件71还包括从所述的限制部分71c朝第一磁轭板10延伸并穿透相应线圈41-44的空腔的线圈座部分71b。线圈41-44固定在相应的线圈座部分71b上。
双头螺栓51-54固定在第一磁轭板10和第二磁轭板20的四个角部分。换句话说，双头螺栓51-54设置并固定在第一磁轭板10与第二磁轭板20之间。所述的双头螺栓51-54用于限制线圈固定元件71的移动范围。当电磁力作用在线圈41-44上以使线圈固定元件71移动一定距离时，限制部分71c的某一接触表面与双头螺栓51-54的其中之一接触，从而使线圈固定元件71停止移动。在这种情况下，双头螺栓51-54作为限制元件用于限制线圈固定元件71的移动范围。
设置缓冲元件55-58分别覆盖螺栓51-54的圆周表面。由能缓冲冲击的材料制成的缓冲元件55-58在双头螺栓51-54与接触表面71d之间发生接触时减少冲击。
根据本实施例的致动器5具有下列优点。由于由磁性材料制成的第二磁轭板20大致与第一磁轭板10平行设置，因此能增加所述的推力而不会增加磁铁31-34的面积，从而可能在实质上增加作用在线圈4144和线圈固定元件71上的推力并使致动器最小化。由于线圈41-44和线圈固定元件71的倾斜得到了抑止，所以线圈41-44和线圈固定元件71与诸如磁铁31-34和第二磁轭板20的其他元件之间的摩擦阻力降低。因此，线圈41-44和线圈固定元件71能稳定移动。
所述的致动器可以设有限制元件，诸如双头螺栓51-54，所述的限制元件设置在并固定在第一磁轭板10与第二磁轭板20之间并限制线圈固定元件71的移动范围。这种限制元件提供与第一至第四实施例的开口20a或11a一样的优点。即，由于线圈41-44和线圈固定元件71的移动范围受到了限制，因此在线圈固定元件71的外部设置单独的元件用来限制线圈41-44和线圈固定元件71的移动范围，并因此使致动器最小化。
当线圈固定元件71到达移动范围的末端时，第一磁轭板10的一个侧边与第二磁轭板20的相应的侧边定义一个平面，线圈固定元件71的一部分可以从这个平面伸出。这样有可能增加线圈固定元件71的移动范围。
在根据本实施例的致动器5中，在相应的双头螺栓51-54的侧表面上设置缓冲元件55-58是合适的，即双头螺栓51-54的与线圈固定元件71的接触表面71d接触的部分上设置缓冲元件。这样可以在接触的时候减少冲击。当双头螺栓51-54本身为缓冲元件时也能获得同样的优点。当在线圈固定元件71的接触表面71上设置缓冲元件时，也能获得同样的优点。
(第一示例)
下面通过与一个比较性示例进行比较来说明本发明的第一示例的致动器。所述的第一示例是上述第一种实施方式的一种实现形式。在所述的第一示例中，设置磁铁31-34与线圈41-44之间的间隔d1与第二磁轭板20和线圈41-44之间的将d2的比值为d1∶d2＝3∶1。在所述的比较性示例中，比值d1∶d2为1∶3。
对于第一示例和所述的比较性示例而言，产生电流通过相应的线圈42-44从而产生推力使线圈41-44和线圈固定元件71在与X轴和Y轴都成45°角的方向(即从原点到双头螺栓51的方向)中移动。测量到在线圈41-44和线圈固定元件71(在原点开始)到达一个固定位置时所产生的推力在各个方向中的分量的大小。
在所述的比较性示例中，推力的Z分量FZ与其X分量FX之间的比值(即FZ/FX)的绝对值设置为2.0。相反，在第一示例中，比值FZ/FX的绝对值等于1.55。
第一示例与比较性示例之间的比较关系表示第一示例的比值FZ/FX的绝对值小于比较性示例的值。即，第一示例中作用在线圈41-44和线圈固定元件71上的推力的Z分量与其X和Y分量的比值小于所述的比较性示例中的比值。因此，相对于所述的比较性示例，在第一示例中，线圈41-44和线圈固定元件71相对于第一磁轭板10的倾斜程度更小，线圈41-44和线圈固定元件71与其他元件之间的摩擦阻力更低，且线圈固定元件71的移动更稳定。
(第二示例)
下面，将描述根据本发明的第二示例的致动器。第二示例也是第一种实施方式的一种实现形式。
图17是表示推力分量FX、Fy和FZ与间隔d2相对于间隔d1的比值d2/d1之间关系的图表。在第二示例中，比值d2/d1在近似0.5至19的范围内变化和产生电流通过线圈41-44从而产生推力使线圈41-44和线圈固定元件71在与X轴和Y轴都成45°角的方向中移动。测量在线圈41-44和线圈固定元件71(在原点开始)到达一个固定位置(在X和Y方向中)时产生的推力分量FX、FY和FZ的大小。从图17可知，随着比值d2/d1减小，不止所有的推力分量FX、FY和FZ减小而且比值FZ/FX的绝对值也减小。尤其是，当比值d2/d1小于1时，比值FZ/FX的绝对值在某一范围内足够小，即磁铁31-34与线圈41-44之间的间隔d1大于第二磁轭板20与线圈41-44之间的间隔d2。这表示设置间隔d1大于间隔d2将使得比值FZ/FX的绝对值足够小，从而能适当抑止线圈41-44和线圈固定元件71的倾斜程度。这种优点在线圈41-44和线圈固定元件71在XY平面内相对第一磁轭板10在较宽范围内移动的情况下尤其显著。线圈41-44和线圈固定元件71与其他元件之间的阻力得到了降低且因此线圈41-44和线圈固定元件71能稳定移动。
如果优先指定推力FX和FY的大小，则能有效地增大比值d2/d1。当比值d2/d1大于1时尤其有效，即磁铁31-34与线圈41-44之间的间隔d1小于或等于第二磁轭板20与线圈41-44之间的间隔d2。如上文的详细描述，本发明能增加致动器的推力并减小其尺寸大小。

Claims (14)

1、一种致动器，其包括：
大致为平板状的第一磁轭板；
大致为平板状的第二磁轭板，其与所述的第一磁轭板近似平行设置；
许多磁铁，固定在第一磁轭板的一表面上，该表面与第二磁轭板相对；
许多线圈，平行于第二磁轭板的一表面，该表面与第一磁轭板相对，和
线圈固定元件，其上固定有线圈并与其形成一体。
2、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，磁铁与线圈之间的间隔大于第二磁轭板与线圈之间的间隔。
3、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，磁铁与线圈之间的间隔小于或等于第二磁轭板与线圈之间的间隔。
4、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，还包括磁性元件，其被设置成与所述的多个磁铁中的每一相邻对磁铁的边界邻近。
5、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一或两者都设有开口，并且其中线圈固定元件在面对所述开口的区域中设有穿透所述开口的柱形部分，且所述的柱形部分的外部尺寸大于所述开口的内部尺寸。
6、如权利要求5所述的致动器，其特征在于，所述的第二磁轭板设有所述的开口。
7、如权利要求5所述的致动器，其特征在于，还包括缓冲元件，其设置在所述的开口的一部分上以与所述的柱形部分相接触，或设置在所述的柱形部分的一部分上以与所述开口边缘接触。
8、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，所述的线圈固定元件在面对第一磁轭板的侧边和面对第二磁轭板的侧边的其中一个侧边上或两个侧边上设有柱形部分，并且所述的致动器还包括环绕所述的柱形部分的周边元件，其外部尺寸大于所述的柱形部分的外部尺寸。
9、如权利要求8所述的致动器，其特征在于，第一磁轭板和第二磁轭板中的其中之一或两者都设有开口，且所述的周边元件与所述的开口相邻。
10、如权利要求8所述的致动器，其特征在于，还包括缓冲元件，其设置周边元件的一部分上以与柱形部分相接触或设置在柱形部分的一部分上以与周边元件相接触。
11、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，还包括以固定方式设置在第一磁轭板与第二磁轭板之间用于限制线圈固定元件的移动范围的限制元件。
12、如权利要求11所述的致动器，其特征在于，还包括缓冲元件，其设置在所述的限制元件的一部分上以与所述的线圈固定元件相接触或设置在所述的线圈固定元件的一部分上以与所述的限制元件相接触。
13、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一或两者都设有开口，并且其中线圈固定元件在面对所述开口的区域中设有穿透所述开口的柱形部分，且所述的柱形部分的外部尺寸大于所述开口的内部尺寸，且所述的致动器还包括固定在所述的柱形部分的触觉提供元件，使该元件位于开口的与所述的线圈固定元件相对的侧边上。
14、如权利要求1所述的致动器，其特征在于，还包括位置检测装置，用于检测线圈固定元件相对第一磁轭板和第二磁轭板的其中之一的位置。
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