TWI826028B - 振動致動器 - Google Patents

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簡孝名
張騏麟
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Abstract

本發明為一種可產生兩個方向振動的振動致動器，包括：一殼體、一動子、複數個電磁鐵組、兩彈性支撐件、以及一連接線路；該殼體外部設置有接線端點；該動子包括：一框體、複數個永久磁石單元、兩磁性背板，該永久磁石單元與磁性背板設置於該框體內；該電磁鐵組係設置於該動子的兩永久磁石單元之間；該彈性支撐件藉由位於兩端的兩連接部分別連接於該殼體及該動子；該連接線路係用於連接該電磁鐵組及該殼體外部的接線端點；其中，當經由對該電磁鐵組通電，該電磁鐵對該永久磁石單元受力使該動子在殼體內相對移動而產生振動。

Description

振動致動器
本發明為一種振動致動器的技術領域，尤其指一種可以產生兩種不同振動方向的振動致動器。
市面上多數的電子設備，例如可攜式通訊裝置、遊戲控制台、平板電腦、觸控板等電子產品皆開始配置觸覺回饋的功能，為使產品受力觸發時能及時進行回饋，一些電子設備使用振動致動器產生振動，包括用於向可攜式通訊裝置通知來電、用於從遊戲控制台提供觸覺反饋等等。
用於這種用途的振動致動器，通常為一殼體10、且在殼體10內設置的具線圈的電磁鐵、在殼體10中具永久磁石之可振動的動子20，藉由對於設置在殼體10內的永久磁石和電磁鐵，施加交流電於電磁鐵產生極性交替變化的磁場，經由在永久磁石和電磁鐵之間交替產生吸引力和排斥力而產生振動。
本發明的主要目的係提供一種電動致動器，可以產生兩種不同振動方向，以增加觸覺反饋的多樣性。
為實現前述目的，本發明提供了如下技術方案：一種可產生兩個方向振動的振動致動器，包括：一殼體(casing)、一動子(mover)、複數個電磁鐵組(electromagnet set)、兩彈性支撐件 (elastic suspension)、以及一連接線路；該殼體包括：一底盤、以及一上蓋，該上蓋可覆蓋並結合於該底盤，結合後形成一立體矩形盒體，該殼體外部設置有接線端點(terminal)以電性連接一外部電路；該動子包括：一框體(mover frame)、複數個永久磁石單元(permanent magnet unit)、兩磁性背板(magnetic back)，該磁性背板緊貼設置於該框體內，該複數個永久磁石單元係併排且鄰接於該磁性背板，該磁性背板與該永久磁石單元形成磁路以抑制永久磁石單元的磁場向外部洩漏；每個電磁鐵組包括：一磁性軸心(magnetic core)、兩導電軸盤(conductive bobbin flange)、以及一線圈(coil)，該兩導電軸盤分別位於該磁性軸心的兩端，並與該磁性軸心構成一繞線架(bobbin)，該線圈纏繞於該繞線架，該電磁鐵組係設置於該動子的兩永久磁石單元之間，並與永久磁石單元及該磁性背板構成一電磁驅動部(electromagnetic driving portion)；該彈性支撐件包括：兩連接部(connection portion)、及一連接塊，該兩連接部係分別位於該彈性支撐件的兩端，其中一連接部藉由該連接塊固定於該殼體，另一連接部係連接於該動子；該連接線路係用於連接該電磁鐵組的線圈及該殼體外部的接線端點；其中，當經由對該線圈通電，該電磁鐵對該永久磁石單元受力使該動子在殼體內相對移動而產生振動。
在一較佳實施例中，該電磁鐵組更藉由一電磁鐵支架(electromagnet rack)固定於該殼體的底盤與上蓋，或其中之一。
在一較佳實施例中，定義一第一方向為與該磁性軸心平行、一第二方向為與該第一方向垂直且與該底盤11平行、以及一第三方向為與該第一方向及第二方向垂直，該電磁驅動部，利用磁力沿第二方向和第三方向驅動該動子；該彈性支撐件，連接至該殼體並支撐該殼體內的動子，以使該動子沿第二方向和第三方向在該殼體內振動。
在一較佳實施例中，該彈性支撐件為一經裁切彎折形成之板簧，更包含兩連接部、兩頸部、以及一變形支撐部，其中各部位的配置方式依序為連接部、頸部、變形支撐部、頸部、以及連接部；該兩連接部係位於該彈性支撐件沿第一方向之兩端，其中該藉由該連接塊固定於該殼體的連接部與連接於該動子的連接部的連接處係位於該彈性支撐件的第二方向的不同兩面，各連接部係分別由寬度較小之頸部與該變形支撐部相連接。
在一較佳實施例中，該彈性支撐件於第一方向之中間部分之第三方向之正負方向端皆有L型特徵彎折向外朝向第二方向，並具一沿第三方向之破孔，且L型特徵仍與彈性支撐件相連無斷開；該彈性支撐件垂直於第二方向的面具一破孔，此破孔於第三方向及第一方向不得超出該彈性支撐件，該彈性支撐件於第三方向無斷開。
在一較佳實施例中，該變形支撐部為一方框，具有一鏤空部，該方框經彎折成一方形ㄈ字，該方形ㄈ字的上下兩邊的彎折方向與該連接塊的所在方向相同，且該鏤空部亦彎折成方形ㄈ字，且該鏤空部包含第二方向、以及第三方向的正負向的鏤空特徵。
在一較佳實施例中，該彈性支撐件沿第二方向和第三方向彈性變形，從而支撐著該動子沿第二方向和第三方向振動。
在一較佳實施例中，該彈性支撐件的第二方向的彈性係數為第一彈性係數，第三方向的彈性係數為第二彈性係數，第一彈性係數和第二彈性係數是不同的值。
在一較佳實施例中，該動子由該彈性支撐件支撐並以對應於第一彈性係數和動子的質量決定的一第一自然頻率沿第二方向振動，在對應於第二彈性係數和動子的質量決定的一第二自然頻率沿第三方向振動，第一自然頻率和第二自然頻率為不相同的值。
在一較佳實施例中，該永久磁石單元係為外型大致長方體的板狀磁體；該永久磁石單元的最大且大致矩形的面為磁化面，每個永久磁石單元從磁化面的兩對角線其中之一劃分為兩個磁化區，並且兩個磁化區被磁化為互不相同的極性。
在一較佳實施例中，該永久磁石單元可以為單一具有兩個磁化區域的永久磁石，也可以由兩個具有單一磁化區域的永久磁石合併而成。
在一較佳實施例中，該永久磁石單元分別貼附在該動子框體內部前側和後側之磁性背板，位於構成電磁鐵組的纏繞線圈的磁性軸心的前後方向的延伸線上，該永久磁石單元的磁化面垂直於該延伸線；磁性背板的面積涵蓋相鄰接同側之複數個永久磁石單元之面積。
在一較佳實施例中，經由對該電磁鐵組的線圈施加特定頻率的交流電壓能夠產生一對應的交變磁場；當該電磁鐵組產生具有與第一自然頻率相同頻率的交變磁場時，該動子產生沿第二方向的振動；並且當該電磁鐵組產生具有與第二自然頻率相同頻率的交變磁場時，該動子產生沿第三方向的振動。
在一較佳實施例中，該導電軸盤具有一鏤空的中央部分，使該磁性軸心 得以穿過並鑲嵌其中；該動子振動時，其內的永久磁石單元相對於該導電軸盤運動，於導電軸盤產生渦電流(eddy current)，而渦電流迴路產生磁場則作用於該動子內的永久磁石單元且抑制動子振動；在停止供應該交流電壓後，此抑制動子振動的效果使動子可以在較短時間停止。
在一較佳實施例中，相鄰兩電磁驅動部之永久磁石單元其劃分磁化區域之對角線方向相同；該電磁驅動部的線圈可以採串聯(connection in series)，或採並聯(connection in parallel)使該接線端點數量為二。
在一較佳實施例中，相鄰兩電磁驅動部之永久磁石單元其劃分磁化區域之對角線為不同方向，該電磁驅動部的線圈分別連接至接線端點，則接線端點數量為四；當對兩組電磁驅動部個別施加同相(in phase)之交流電壓時，所產生組合磁力方向為在第二方向或第三方向其中之一，對兩組電磁驅動部個別施加反相(completely out of phase)之交流電壓時，所產生組合磁力方向為在第二方向或第三方向其中之另一方向。
如前所述，本發明藉由線圈與繞線架構成電磁鐵組，當電流通過線圈並且磁化磁性軸心的前端和後端，進而產生磁場。再者，將永久磁石單元設置在殼體中，面對電磁鐵組的兩端，每一個永久磁石單元的磁化面具有兩個互不相同極性的區域，再利用電磁鐵組和永久磁石單元之間的磁力，能夠在兩個不同方向驅動動子，再透過彈性支撐件將可振動的動子支撐在殼體上，以達到本發明之目的。
下面將結合具體實施例和附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。需要說明的是，當元件被稱為「安裝於或固定於」另一個元件，意指它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是「連接」另一個元件，意指它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。在所示出的實施例中，方向表示上、下、左、右、前和後等是相對的，用於解釋本案中不同部件的結構和運動是相對的。當部件處於圖中所示的位置時，這些表示是恰當的。但是，如果元件位置的說明發生變化，那麼認為這些表示也將相應地發生變化。
除非另有定義，本文所使用的所有技術和科學術語與屬於本創作技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的術語只是為了描述具體實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語「和/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
如圖1為本發明之第一實施例之分解示意圖。本發明所提供的一種可產生兩個方向振動的振動致動器，包括：一殼體10、一動子20、複數個電磁鐵組30、兩彈性支撐件40、以及一連接線路50。
以下針對各元件詳細說明：
如圖1所示，該殼體10包括：一底盤11、以及一上蓋12，該上蓋12可覆蓋並結合於該底盤11，結合後形成一立體矩形盒體，該殼體10外部設置有接線端點13(terminal)以電性連接一外部電路。
該動子20包括：一框體(mover frame)21、複數個永久磁石單元(permanent magnet unit)22、兩磁性背板(magnetic back)23，該磁性背板23緊貼設置於該框體21內，該複數個永久磁石單元22係併排且鄰接於該磁性背板23。
每個電磁鐵組30包括：一磁性軸心31(magnetic core)、兩導電軸盤32(conductive bobbin flange)、以及一線圈33(coil)，該兩導電軸盤32分別位於該磁性軸心31的兩端，並與該磁性軸心31構成一繞線架(bobbin)，該線圈33纏繞於該繞線架，該電磁鐵組30係設置於該動子20的兩永久磁石單元22之間，並與永久磁石單元22及該磁性背板23構成一電磁驅動部(electromagnetic driving portion)。其中，該磁性軸心31可以由如矽鋼(silicon steel)之類的磁性材料製作，導電軸盤32係由諸如銅、鋁之類的良導電材料製作。該電磁鐵組30更藉由一電磁鐵支架34(electromagnet rack)固定於該殼體10的底盤11與上蓋12，或其中之一。
該彈性支撐件40包括：兩連接部41(connection portion)、及一連接塊42，該兩連接部41係分別位於該彈性支撐件40的兩端，其中一連接部41藉由該連接塊42固定於該殼體10，另一連接部41係連接於該動子20。
該連接線路50係用於連接該電磁鐵組30的線圈33及該殼體10外部的接線端點13；當經由對該線圈33通電，該電磁鐵組30對該永久磁石單元22受力使該動子20在殼體10內相對移動而產生振動。
在圖1的實施例中，採用兩個電磁鐵組30，因此相對的所用的永久磁石單元22需要四個。以下的說明中，皆以兩電磁鐵組30、及四個永久磁石單元22為例。再者，以下的描述中定義一第一方向為與該磁性軸心31平行、一第二方向為與該第一方向垂直且與該底盤11平行、以及一第三方向為與該第一方向及第二方向垂直。換言之，第一方向與第二方向定義了與底盤11平的一平面，第三方像垂直於該平面。本發明的主要技術特徵之一，即是藉由該電磁驅動部，利用磁力沿第二方向和第三方向驅動該動子20；相對應地，該彈性支撐件40連接至該殼體10並支撐該殼體10內的動子20，以使該動子20沿第二方向和第三方向在該殼體10內振動。
如圖1所示，在本實施例中，該兩片磁性背板23係緊貼設置於該框體21內第一方向相對的兩邊，該四個永久磁石單元22係為外型大致長方體的板狀磁體，則兩兩分別貼附在該框體21內部前側和後側(亦即，第一方向)之磁性背板23，該四個永久磁石單元22則是沿著第一方向，電磁鐵組30藉由該導電軸盤32與兩端的永久磁石單元22對應設置；換言之，沿著第一方向，該電磁驅動部內分別是兩組如下的依序配置方式：磁性背板23、永久磁石單元22、電磁鐵組30、永久磁石單元22、以及磁性背板23。
值得說明的是，在本實施例中，該永久磁石單元22分別位於構成電磁鐵組30的纏繞線圈33的磁性軸心31的前後方向的延伸線上，該永久磁石單元22的磁化面垂直於該延伸線；磁性背板23的面積涵蓋相鄰接同側之兩個永久磁石單元22之面積。
該導電軸盤32具有鏤空的一 中央部分，使該磁性軸心31得以穿過並鑲嵌其中。該磁性軸心31對應該導電軸盤32鏤空區域的截面積並不限定等於磁性軸心31纏繞線圈33部分的截面積。當動子20振動時，該動子20內的永久磁石單元22相對於導電軸盤32運動，會在導電軸盤32上產生渦電流(eddy current)，而渦電流迴路產生磁場會作用於動子20內的永久磁石單元22，進而抑制動子20振動。
圖2所示為本發明之永久磁石單元的示意圖。如圖2所示，該永久磁石單元22的最大且大致矩形的面設為磁化面，每個永久磁石單元22從磁化面的兩對角線其中之一劃分為兩個磁化區，並且兩個磁化區被磁化為互不相同的極性，如圖2中的N極與S極。值得注意的是，該永久磁石單元22可以為單一具有兩個磁化區域的永久磁石，也可以由兩個具有單一磁化區域的永久磁石合併而成，本發明不做特定限制。
圖3a、3b所示為本發明之相鄰兩組永久磁石單元的劃分磁化區域之對角線為不同方向時受力的示意圖。當相鄰兩電磁驅動部之永久磁石單元22其劃分磁化區域之對角線方向相同；該電磁驅動部的線圈33可以採串聯(connection in series)，或採並聯(connection in parallel)使該接線端點13數量為二，且其受磁力的影響方向維持相同。
然而，當相鄰兩電磁驅動部之永久磁石單元22其劃分磁化區域之對角線為不同方向時，各電磁驅動部的線圈33分別連接至接線端點13，則接線端點13數量為四。
如前所述，每一彈性支撐件40具有兩連接部41，位於彈性支撐件40沿第一方向之兩端；連接部41其中之一經由連接塊42與殼體10連接，另一與動子20連接，以使該動子20沿第二方向和第三方向在殼體10內振動。
在本實施例中，該彈性支撐件40於第一方向之中間部分之第三方向之正負方向端皆有L型特徵彎折向外朝向第二方向，並具一沿第三方向之破孔，且L型特徵仍與彈性支撐件相連無斷開；該彈性支撐件40垂直於第二方向的面具一破孔，此破孔於第三方向及第一方向不得超出該彈性支撐件40，該彈性支撐件40於第三方向無斷開。
更進一步地，圖4為本發明之彈性支撐件的立體示意圖。如圖4所示，該彈性支撐件40為一經裁切彎折形成之板簧，更包含兩連接部41、兩頸部43、以及一變形支撐部44，其中各部位的配置方式依序為連接部41、頸部43、變形支撐部44、頸部43、以及連接部41；該兩連接部41係位於該彈性支撐件40沿第一方向之兩端，其中該藉由該連接塊42固定於該殼體10的連接部41與連接於該動子20的連接部41的連接處係位於該彈性支撐件40的第二方向的不同兩面，各連接部41係分別由寬度較小之頸部43與該變形支撐部44相連接。
更明確地說，在本實施例中，該變形支撐部44為一方框，具有一鏤空部45，該方框經彎折成一方形ㄈ字，該方形ㄈ字的上下兩邊的彎折方向與該連接塊42的所在方向相同，且該鏤空部45亦彎折成方形ㄈ字，且該鏤空部45包含第二方向、以及第三方向的正負向的鏤空特徵。藉此，該彈性支撐件40沿第二方向和第三方向彈性變形，從而支撐著該動子20沿第二方向和第三方向振動。簡言之，該彈性支撐件40能提供兩個不同方向的位移。
值得說明的是，在具有這種彎折結構的板簧彈性支撐件中，沿上下方向的彈性變形和沿左右方向的彈性變形的變形難易程度通常不同。因此，將板簧彈性支撐件的左右方向的彈性係數定義為第一彈性係數，板簧彈性支撐件 的上下方向的彈性係數定義為第二彈性係數，則第一彈性係數和第二彈性係數是不同的值。換言之，在本實施例中，該彈性支撐件40的第二方向的彈性係數定義為第一彈性係數，第三方向的彈性係數定義為第二彈性係數，而第一彈性係數和第二彈性係數是不同的值。
更進一步地，動子20係由彈性支撐件40支撐並且以對應於第一彈性係數和動子20的質量決定的一第一自然頻率沿第二方向振動；同樣地，在對應於第二彈性係數和動子20的質量決定的一第二自然頻率沿第三方向振動。第一彈性係數和第二彈性係數是不同的值，因此，第一自然頻率和第二自然頻率為不相同的值。
在本實施例中，經由對該電磁鐵組30的線圈33施加一特定頻率的交流電壓能夠產生一對應的交變磁場；當該電磁鐵組30產生具有與第一自然頻率相同頻率的交變磁場時，該動子20產生沿第二方向的振動；並且當該電磁鐵組30產生具有與第二自然頻率相同頻率的交變磁場時，該動子20產生沿第三方向的振動。
更進一步地，在停止供應前述之交流電壓後，前面所述之抑制動子20振動的效果使動子20可以在較短時間停止。
綜合以上所述，本發明所提供之振動致動器，藉由線圈與繞線架構成電磁鐵組，當電流通過線圈並且磁化磁性軸心的前端和後端，進而產生磁場。再者，將永久磁石單元設置在殼體中，面對電磁鐵組的兩端，每一個永久磁石單元的磁化面具有兩個互不相同極性的區域，再利用電磁鐵組和永久磁石單元之間的磁力，能夠在兩個不同方向驅動動子，再透過彈性支撐件將可振動的動子支撐在殼體上，以達到本發明之目的。
以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施例之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化及修飾，皆為本發明之專利範圍所涵蓋。
10:殼體 11:底盤 12:上蓋 13:接線端點 20:動子 21:框體 22:永久磁石單元 23:磁性背板 30:電磁鐵組 31:磁性軸心 32:導電軸盤 33:線圈 34:電磁鐵支架 40:彈性支撐件 41:連接部 42:連接塊 43:頸部 44:變形支撐部 45:鏤空部 50:連接線路 N:N極 S:S極 X:第一方向 Y:第二方向 Z:第三方向
圖1為本發明之第一實施例的分解示意圖；
圖2為本發明之永久磁石單元磁化區域劃分的示意圖；
圖3a、3b為本發明之相鄰兩組永久磁石單元的劃分磁化區域之對角線為不同方向時受力的示意圖；
圖4為本發明之彈性支撐件的立體示意圖。
10:殼體
11:底盤
12:上蓋
13:接線端點
20:動子
21:框體
22:永久磁石單元
23:磁性背板
30:電磁鐵組
31:磁性軸心
32:導電軸盤
33:線圈
34:電磁鐵支架
40:彈性支撐件
41:連接部
42:連接塊
50:連接線路
X:第一方向
Y:第二方向
Z:第三方向

Claims (10)

  1. 一種振動致動器，包括：一殼體、一動子、複數個電磁鐵組、兩彈性支撐件、以及一連接線路；該殼體更包括：一底盤、以及一上蓋，該上蓋可覆蓋並結合於該底盤，結合後形成一立體矩形盒體，該殼體外部設置有接線端點以電性連接一外部電路；該動子更包括：一框體、複數個永久磁石單元、兩磁性背板，該兩磁性背板分別緊貼設置於該框體內的相對兩邊，該複數個永久磁石單元係併排且鄰接於該兩磁性背板；每個電磁鐵組更包括：一磁性軸心、兩導電軸盤、以及一線圈，該兩導電軸盤分別位於該磁性軸心的兩端，並與該磁性軸心構成一繞線架，該線圈纏繞於該繞線架，該電磁鐵組係設置於該動子的兩永久磁石單元之間，並與永久磁石單元及該磁性背板構成一電磁驅動部；該彈性支撐件更包括：兩連接部、及一連接塊，該兩連接部係分別位於該彈性支撐件的兩端，其中一連接部藉由該連接塊固定於該殼體，另一連接部係連接於該動子；該連接線路係用於連接該電磁鐵組的線圈及該殼體外部的接線端點；其中定義一第一方向為與該磁性軸心平行、一第二方向為與該第一方向垂直且與該底盤平行、以及一第三方向為與該第一方向及第二方向垂直；該電磁驅動部，利用磁力沿第二方向和第三方向驅動該動子；該彈性支撐件，連接至該殼體並支撐該殼體內的動子，以使該動子沿第二方向和第三方向在該殼體內振動； 其中該彈性支撐件於第一方向之中間部分之第三方向之正負方向端皆有L型彎折向外朝向第二方向，並具一沿第三方向之破孔，且L型彎折仍與彈性支撐件相連無斷開；該彈性支撐件垂直於第二方向的面具一破孔，此破孔於第三方向及第一方向不得超出該彈性支撐件，該彈性支撐件於第三方向無斷開；其中該永久磁石單元係為外型大致長方體的板狀磁體；該永久磁石單元的最大且大致矩形的面為磁化面，每個永久磁石單元從磁化面的兩對角線其中之一劃分為兩個磁化區，並且兩個磁化區被磁化為互不相同的極性。
  2. 如請求項1所述之振動致動器，其中該電磁鐵組更藉由一電磁鐵支架固定於該殼體的底盤與上蓋，或其中之一。
  3. 如請求項1所述之振動致動器，其中該彈性支撐件為一經裁切彎折形成之板簧，更包含兩連接部、兩頸部、以及一變形支撐部，其中各部位的配置方式依序為連接部、頸部、變形支撐部、頸部、及連接部；該兩連接部係位於該彈性支撐件沿第一方向之兩端，其中該藉由該連接塊固定於該殼體的連接部與連接於該動子的連接部的連接處係位於該彈性支撐件的第二方向的不同兩面，各連接部係分別由寬度較小之頸部與該變形支撐部相連接。
  4. 如請求項3所述之振動致動器，其中該變形支撐部為一方框，具有一鏤空部，該方框經彎折成一方形ㄈ字，該方形ㄈ字的上下兩邊的彎折方向與該連接塊的所在方向相同，且該鏤空部亦彎折成方形ㄈ字，且該鏤空部包含第二方向、以及第三方向的正負向的鏤空特徵。
  5. 如請求項1所述之振動致動器，其中該彈性支撐件可沿第二方向或第三方向彈性變形，從而支撐著該動子沿第二方向或第三方向振動。
  6. 如請求項5所述之振動致動器，其中該彈性支撐件的第二方向的彈性係數為第一彈性係數，第三方向的彈性係數為第二彈性係數，第一彈性係數和第二彈性係數是不同的值。
  7. 如請求項1所述之振動致動器，其中該永久磁石單元可以為單一具有兩個磁化區域的永久磁石，也可以由兩個具有單一磁化區域的永久磁石合併而成。
  8. 如請求項1所述之振動致動器，其中該永久磁石單元分別貼附在該動子框體內部前側和後側之磁性背板，位於構成電磁鐵組的纏繞線圈的磁性軸心的前後方向的延伸線上，該永久磁石單元的磁化面垂直於該延伸線；磁性背板的面積涵蓋相鄰接同側之複數個永久磁石單元之面積。
  9. 如請求項7所述之振動致動器，其中相鄰兩電磁驅動部之永久磁石單元其劃分磁化區域之對角線方向相同；該電磁驅動部的線圈可以採串聯方式，或採並聯方式使該接線端點數量為二。
  10. 如請求項7所述之振動致動器，其中相鄰兩電磁驅動部之永久磁石單元其劃分磁化區域之對角線為不同方向，該電磁驅動部的線圈分別連接至接線端點，則接線端點數量為四。
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