振动线性致动器件及其驱动方法、 以及利用该器件的便携式信息装置 【技术领域】
本发明涉及电磁振荡器，即振动线性致动器件、用于驱动上述振动线性致动器件的方法、以及利用上述振动线性致动器件的便携式信息装置。本发明尤其涉及用于在不贵的费用下固定地以正向驱动电磁振荡器的方法。
背景技术
振动发生器在例如手机的便携式信息装置中用作呼叫器。常规的振动发生器采用装备有不平衡重量的圆柱形电机。然而，圆柱形电机具有逐渐变小的顶部，难以通过自动安装机器安装到面板上。为克服上述问题，将装备有不平衡重量的圆币形电机商品化；然而，它的振动方向与印刷电路板平行，从而难以检测出振动。为产生垂直于板的振动，提出了按钮形振动线性致动器件；然而，较大的激发力与较小的器件体不能兼容。一般，常规振动线性致动器件采用利用4个开关元件地推挽驱动电路。这在日本专利申请的未经审查的公开2001-25706中已公开。
图15示出了常规致动器件的电路图，包括：起动器61、输出控制器62、驱动脉冲设定器63、以及驱动器64，驱动器64由4个连接在一起成桥式结构的开关元件Q11-Q14形成。振动致动器件的线圈65连接于上述桥式结构的中间点，驱动器64驱动线圈65。这种致动器件在驱动电路中具有多个元件，并且需要对推进器的沿正方向或负方向的每次运动供电。因此，上述结构需要复杂的控制并消耗了大量功率。
其它的现有技术已在PCT国际公开WO 99/40673，日本专利申请的未经审查的公开2000-14190和H11-197601中公开。本发明公开了一种振动线性致动器件、一种驱动所述器件的方法、以及利用所述器件的便携式信息装置，所述器件具有不同于那些现有技术的新型结构。
【发明内容】
本发明的振动线性致动器件包括振动线性致动器和用于驱动上述致动器的驱动器。振动线性致动器包括下列元件：
推进器，所述推进器具有在径向方向上磁化的永磁铁；
线圈；
定子，所述定子面向永磁铁；以及
弹性体，所述弹性体用于将定子连接到推进器上，并用于向定子中心激励推进器。
驱动器包括下列元件：
驱动部分，所述驱动部分具有用于给线圈供电的开关元件；
输出控制器，所述输出控制器用于控制开关元件；以及
过零检测器，所述过零检测器用于检测在线圈中产生的反电势(BEMF)的过零点，并用于输出过零信号。
在这种结构中，驱动器将过零信号传送到输出控制器，并给线圈供单方向的电，从而协同弹性体使推进器振动。
本发明还公开了用于驱动振动线性致动器件的方法、以及装备有振动线性致动器件的便携式信息装置。
本发明可以提供小型的而高效的振动线性致动器件及便携式信息装置，从而有利地改善了装置的轻便性和电池的持久性。
【附图说明】
图1示出了按照本发明的第一示例性实施例所述的振动线性致动器的剖视图；
图2是按照本发明第一示例性实施例所述的驱动器的电路图；
图3是按照本发明第一示例性实施例所述的用于监测过零检测信号的电路图；
图4是说明监测功能的时序图；
图5是按照本发明第一示例性实施例所述的用于重起过零的电路图；
图6A和图6B示出了说明重起功能的时序图；
图7是通过驱动器处理信号的流程图；
图8示出了驱动器的硬件结构；
图9是说明信号处理的时序图；
图10是按照本发明的第二示例性实施例所述的驱动器的电路图；
图11是按照本发明的第三示例性实施例所述的驱动器的电路图；
图12示出了按照本发明的第三示例性实施例所述的用于说明驱动器的运行的时序图；
图13是按照本发明的第四示例性实施例所述的驱动器的电路图；
图14示出了按照本发明的第五示例性实施例所述的用于说明便携式信息装置的结构的剖视图；
图15示出了现有技术的电路结构。
【具体实施方式】
下面参考附图说明本发明的一些示例性实施例。
示例性实施例1
图1示出了振动线性致动器1的结构，所述振动线性致动器包括下列元件：
推进器4A，所述推进器4A包括：
多边形外磁轭4；以及
设置在外磁轭4以内的永磁铁5；
定子3A，所述定子3A设置在推进器4A以内，并包括：
管状内磁轭3，所述管状内磁轭3在其上部和下部具有齿，在上齿和下齿之间具有间隔；以及卷绕在内磁轭3上的线圈2。
将永磁铁5磁化，例如使其内壁为N极、外壁为S极，即，将内壁和外壁分别磁化为相互不同的单极。内磁轭3和外磁轭4由用磁粉的压坯制成的金属材料形成；然而，它们可以由在径向层叠的薄钢板形成(薄钢板在轴8上径向层叠)。
此外，内磁轭3和外磁轭4可以用冲钢板、圆柱形钢、环形钢等形成。另外，内磁轭3和外磁轭4可以用含有金属粉的树脂制成。如上所述，可以考虑内磁轭3和外磁轭4的各种材料或制造方法，并且本发明不限于上述材料和方法。
内磁轭3在其中心具有轴8，轴8从内磁轭3的底板中伸出。内磁轭3利用轴8的伸出部分和底座9的凹槽定位，并且刚性地安装于底座9上。下部弹性体6夹在底座9和内磁轭3的中间。底座9用玻璃转换温度不低于90℃的耐热树脂制成。
弹性体6由两个薄的环形片簧(上片簧和下片簧)形成。当推进器4A从平衡点向下移动时，弹性体6使推进器4A向上移动。当推进器4A从平衡位置向上移动时，弹性体6使推进器4A向下移动。换句话说，弹性体6激励推进器4A使其基本定位于定子3A的中点处。
线圈2与从底座9的底部延伸的金属接合区11电连接，并由接合区11供电。可以在盖7的顶面制备接合区11，代替在底座9的底部制备。
盖7盖住定子3A和推进器4A，并且利用制备于底座9上的盖嵌入部分10嵌入底座9中。盖7防止致动器内部的元件接触致动器外的其它元件、或在致动器接受回流焊接时损坏。盖7还有助于对致动器的装卸。盖7由金属制成，然而，它可以由耐热树脂制成。
上述致动器1将来源于接合区11的电流通到线圈2，从而产生振动的磁通量。推进器4A随着该振动的磁通量振动。
图2示出了驱动该振动线性致动器的驱动器的基本结构。在图2中，将起动器21示意性地示为开关21A，其如同便携式信息装置中的到达信号起动致动器。
驱动部分22由下列元件形成：线圈2的第一端连接电路电源Vcc的正电极，而线圈2的第二端连接开关元件Q5的集电极终端，开关元件Q5由NPN晶体管形成，并驱动线圈2。开关元件Q5的发射极终端连接电路电源Vcc的负电极(接地电位)。线圈2的第二端通过电平移动部分24和反电势(BEMF)放大器23连接过零检测器25，从而检测BEMF的过零点。换句话说，BEMF的过零点是检测出致动器1的振幅变为最大的一点。将检测最大振幅点的信号反馈到输出控制器27，从而驱动部分22固定地以正向运行。
下面详细说明图2所示的电路的运行。接通起动器21的开关21A，然后将信号H送入单稳态(one-shot)多谐振荡器33的输入终端B。另一方面，输入终端 A在起始阶段处于状态L，从而它的输出终端Q输出具有设定的时间间隔的、电平为H的脉冲。该电平为H的脉冲通过OR电路27B接通开关元件Q5，并到达线圈2给其供电。单稳态多谐振荡器33具有另一个待用于恒定时间上的输入终端(未示出)，该输入终端连接电容器和电阻器，以设定时间间隔。
给线圈2供电并起动致动器，然后从线圈2产生BEMF，并通过电平移动部分24和BEMF放大器23将BEMF送入过零检测器25。电平移动部分24随着电源电压Vcc的变化调节BEMF波形的信号电平，并有利于使电路电源Vcc一致。它可以将BEMF放大器23的基准电压设定为任何值，例如电路电源Vcc的的一半。
过零检测器25将来自放大器23的输入与过零电压进行比较，并利用变换器元件25B变换输入，然后输出信号 SX。
将该信号 SX和开关21A的电平为H的信号分别送入NAND元件32的第一输入终端和第二输入终端，然后NAND元件32输出信号SX。将信号SX送入检测过零的监测器26的AND元件26A的输入终端。AND元件的另一输入终端在起始阶段处于电平H的状态，因此AND元件26A输出与信号SX在同一模拟电平上的信号SY。
输出控制器27的单稳态多谐振荡器27A在其输入终端B处接收信号SY，并变为电平H，然后，其输出终端Q输出具有设定的时间间隔的脉冲SA。单稳态多谐振荡器27A具有另一个待用于恒定时间上的输入终端(未示出)，该输入终端连接电容器和电阻器，以设定时间间隔。电平为H的脉冲通过OR元件27B接通开关元件Q5，而同时，将该脉冲送入多谐振荡器26B的输入终端 A。将振荡器26B的另一个输入终端B固定于电平H，从而具有设定的时间间隔的、电平为L的脉冲SM在送入输入终端A的输入信号的下降边沿(电平H→电平L)处，从输出终端 Q分接。单稳态多谐振荡器26B具有另一个待用于恒定时间上的输入终端(未示出)，该输入终端连接电容器和电阻器，以设定时间间隔。将来自于多谐振荡器26B的电平为L的输出送入AND元件26A，并迫使信号SY固定于电平L。换句话说，电平为L的脉冲掩蔽了对过零脉冲的读取误差。(更详细的情况将在后面说明。)
当过零检测器25由于例如振动线性致动器的停止而不输出信号 SX时，来自单稳态多谐振荡器31的终端Q的输出信号在设定的时间间隔中从上升的信号变为电平L。将该下降的信号(电平H→电平L)作为触发信号送入单稳态多谐振荡器33的输入终端 A，然后振荡器33输出具有由振荡器33设定的时间间隔的脉冲H，从而致动器重起。
当起动器21的开关21A断开时，NAND元件32的第二输入终端变为电平L，从而致动器停止。
当线圈2的BEMF变得非常高时，驱动部分22的二极管D1保护开关元件Q5。
在驱动部分22的开关元件Q5中采用NPN晶体管；然而，可以代之以PNP晶体管。在这种情况下，PNP晶体管的发射极连接电源Vcc的正电极，集电极连接线圈的第一端，以及，线圈的第二端连接电源Vcc的负电极(接地电位)。这种结构使线圈的第一端能够检测BEMF的过零点。
参考图3和4，其中详述了监测过零检测信号的功能(掩蔽功能)。图3示出了从图2中选出的监测功能部分。标记SB、SX、SM、SY、以及SA代表各个元件的信号，并对应于图4中标有相同标记的波形。
由线圈2产生的BEMF的波形SB通过过零检测器25成形，并被分接为波形 SX。然后通过NAND元件32(未示出)变换 SX，从而输出波形SX；然而该波形包括在图4中用影线标出的误差信号。波形SM是由单稳态多谐振荡器26B产生的掩蔽信号，并被反馈到AND元件26A，从而除去误差信号。因此，得到正确的过零信号SY。信号SY由单稳态多谐振荡器27A作为信号SA输出，然后被送入开关元件Q5。在图4中略去信号SA，然而，信号SA与信号SY相同。
接着，参考图5、6A和6B详述起动功能。图5示出了从图2选出的起动功能部分。图6A和6B示出了过零检测信号SY和保持信号SH的时序图。图6A示出了顺序检测过零信号的情况，图6B示出了未能检测过零信号的情况。如图6B中所示，在给定时间内未能检测过零信号使保持信号SH变为电平L，从而多谐振荡器33产生重起脉冲并用其重起致动器。
图7示出了在按照第一实施例所述的致动器件中处理信号的流程图。定时器I、II、III、和IV是时序调节器，并分别对应于图2中所示的单稳态多谐振荡器27A、33、26B、和31。图7的流程用软件方式示出了致动器件中的进程。
各定时器如下运行：定时器I确定工作脉冲的宽度，从而确定在各循环中给线圈2供电的周期。定时器I在判定BEMF的过零为Yes(是)时开时计数，并在结束计数时停止供电。
定时器II确定起动器脉冲的宽度，从而确定在起动时给线圈2供电的周期。定时器II利用起动器信号开始计数，并在结束计数时停止供电。
定时器III确定掩蔽脉冲的宽度，并且当定时器I结束计数时开始计数。定时器III保持掩蔽过零确定，直至它结束计数为止。
定时器IV确定保持脉冲的宽度，并在判断过零为Yes时开始计数，当它结束计数时，运行返回定时器II。
接着，详细说明图7中所示的流程图。首先，接通起动器21的开关21A，然后，当驱动确定和起动确定是Yes(是)时，定时器II开始工作，用于输出致动器起动器脉冲。将脉宽是定时器II的时间间隔的起动器脉冲用于给线圈2供电，并且致动器强行开始驱动。当定时器II结束计数时，中断起动器脉冲，从而停止给线圈2供电。然后，监测线圈2的BEMF，当过零确定是Yes时，再次开始给线圈2供电，并且定时器I和定时器IV都开始计数。当定时器I结束计数时，停止给线圈2供电，而同时定时器III开始计数。当定时器III结束计数时，将该循环反馈到起动信号。如果在定时器IV结束计数之前过零确定再次是Yes，则重新设定定时器IV的计数。然而，如果定时器IV结束计数而未重新设定其计数，则将该循环反馈到起动器确定部分。换句话说，当由于未能确定过零使致动器停止时，给线圈2供电用于重起致动器。如果没有收到起动器信号，则切断输出控制器，并停止所有的定时器I-IV。
通过装在微处理器中的软件，利用图7所示的流程图可以容易地进行上述进程。图8示出了在这种情况下的软件构造。通过模拟-数字变换器41将BEMF送入微处理器控制器42，从而检测由致动器的线圈2产生的BEMF的过零，并且同时，以最优时序驱动开关元件。如果将经过A-D变换的BEMF送入微处理器，则除BEMF的过零之外还可以检测出其它任何时序，因此，可以在推进器4A的任何位置控制驱动脉冲的时序。例如，检测BEMF的最大振幅(无论是正还是负)，并输出致动器的驱动脉冲。实验证明，以该时序供给驱动脉冲最有效。
图9示出了说明BEMF波形和推进器4A之间的位置关系的时序图。BEMF的过零点对应于推进器4A的最大位移点。BEMF波形的过零点出现在从推进器4A的过零点延迟1/4周期的点。在上述两处时序中，都可以驱动开关元件。然而，在包括推进器4A的过零点的周期中接通开关元件Q5，并当推进器4A以最大速度运动时将动能提供给推进器4A。这样可以最有效地驱动开关元件。
如上所述，本发明具有检测线圈2的BEMF的过零点的功能，并且通过只给线圈供单方向的电便可以激励推进器4A。换句话说，通过给线圈2供电所得到的电磁力可以正向地移动推进器4A，而弹性体6的推斥或吸引可以反向地移动推进器4A，从而可以实现较少功耗。
将从线圈2的一端产生的BEMF直接用于检测BEMF的过零点，从而不需要用于检测的额外的元件，并且可以实现简单的结构。
示例性实施例2
图10示出了按照本发明的第二示例性实施例所述的振动线性致动器件的电路结构。在第二实施例中所用的器件除了图2所示的电路之外，还包括脉宽调制器46，因此希望较小的线圈电阻，当在接通开关元件Q5时流动过电流时，上述较小的线圈电阻尤其有效。调制器46调制信号的脉宽，将所述信号作为输入信号从输出控制器供给到开关元件，因此可以以固定的方式驱动致动器，并且还可以降低功耗。
示例性实施例3
图11示出了按照本发明的第三示例性实施例所述的振动线性致动器件的电路结构。在第三实施例中所用的器件除了图2所示的电路之外，还包括由两级双稳态多谐振荡电路形成的时序调节器47。如图12的时序图所示，经过从BEMF的过零点的时间“t”的延迟后接通开关元件Q5，从而在从BEMF的过零点延迟的任何时序处输出驱动致动器的脉冲。结果，可以在接近推进器4A的过零点的位置驱动致动器，因为实验上证明该点有效。
示例性实施例4
图13示出了按照本发明的第四示例性实施例所述的振动线性致动器件的电路图。在第四实施例中所用的器件除了图2所示的电路外，还包括作为时序调节器的锁相环(PLL)48。这种结构能在相对于推进器4A的振动的任何时序处产生用于驱动开关元件Q5的信号，即使在致动器1的共振点相对于过零检测信号变化时也是如此。
示例性实施例5
下面说明一种装备有按照本发明的第五示例性实施例所述的本发明的振动线性致动器的便携式信息装置，例如手机。图14示出了说明装置结构的剖视图。图1中所示的致动器1直接安装于装置面板51上，使其轴(图1中所示的轴8)垂直于面板51。
将设置在致动器1下方的终端接合区(图1中所示的接合区11)直接铜焊到设置于面板51的上表面的接合区上。将致动器1的驱动器52与装置的电路元件一起安装在面板51上。装置50的外壳53中装有电池54，电池54给装置电路和驱动器52供电。当给致动器的内磁轭的线圈供电时，它的磁场吸引或排斥外磁轭，而当停止给线圈供电时，外磁轭作用于片簧(弹性体)。结果，致动器1振动使振动振幅在垂直于面板51的表面的方向上变得最大。在蜂窝式电话的情况下，其将到达的信号用作为致动器1的起动信号，从而运行致动器1，当到达的信号以最大振幅振动时，用户可以检测到致动器1的振动。
工业应用
通过单个开关元件的开-关便可以控制给致动器的线圈的供电。检测线圈的BEMF的过零，并将检测信号反馈到输出控制器，从而简化驱动器的电路。结果，驱动器固定地以正向运行，并能够以较少的功耗工作。
通过微处理器可以容易地控制致动器的驱动-控制的主要系统，从而可以进一步减小振动线性致动器件的尺寸。
可以提供小型的和高效的振动线性致动器件及装备有该器件的便携式信息装置。因此，可以改善装置的轻便性和电池的持久性。