專利名稱：觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的示例性實(shí)施方案一般涉及觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，并且更具體地涉及一種壓電超聲電機(jī)及其方法，所述壓電超聲電機(jī)包括旋轉(zhuǎn)軸以及產(chǎn)生垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的振蕩向心力的不均衡質(zhì)量塊。
背景技術(shù)：
手機(jī)和其它電子器件(例如游戲控制器)需要振動(dòng)源來(lái)發(fā)出事件信號(hào)而無(wú)需產(chǎn)生可聽聲，但這僅通過觸覺來(lái)感知。例如，這些事件可能包括電話來(lái)電、傳入短信或計(jì)算機(jī)視頻游戲中虛擬飛機(jī)的湍流。振動(dòng)源產(chǎn)生的振動(dòng)必須足夠強(qiáng)以便手持所述裝置的人可以感覺到。這些振動(dòng)源最通常被稱為振動(dòng)電機(jī)或觸覺致動(dòng)器。一種普通類型的振動(dòng)電機(jī)為電磁電機(jī)，其具有旋轉(zhuǎn)軸和附接至該軸的不均衡質(zhì)量塊，所述不均衡質(zhì)量塊產(chǎn)生垂直于旋轉(zhuǎn) 軸線的振蕩向心力。目前，每年會(huì)制造超過十億個(gè)振動(dòng)電機(jī)，并且典型的旋轉(zhuǎn)速度為100至300Hz且典型的向心力為O. I至IN。示例性電磁旋轉(zhuǎn)振動(dòng)電機(jī)由許多公司制造，這些公司包括Minebea MotorManufacturing Company (東京，日本)、Sanyo Seitmitsu Co. Ltd.(長(zhǎng)野，日本)和KTOL-金龍機(jī)電股份有限公司(浙江，中國(guó))。一些型式為管式振動(dòng)電機(jī)，而另一些為盤式振動(dòng)電機(jī)。例如，一些最小的管式電機(jī)的直徑為約4mm且長(zhǎng)度為約6mm,其具有從電機(jī)的一端延伸約4mm的軸以及安裝在延伸軸上的不均衡鎢質(zhì)量塊。最小的盤式電機(jī)的直徑為IOmm且厚度為2mm,其具有在電機(jī)外殼內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的鶴質(zhì)量塊。對(duì)于兩種類型的電機(jī),均會(huì)產(chǎn)生扭矩以采用常規(guī)直流(DC)電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)旋轉(zhuǎn)所述軸，所述電機(jī)設(shè)計(jì)包括銅線圈、鐵芯、永久磁鐵以及采用電刷和電樞的線圈切換。將鎢用于所述質(zhì)量塊中，因?yàn)槠涿芏却笥阡摰拿芏鹊膬杀丁?duì)于管式電機(jī)而言，典型的鎢質(zhì)量塊為O. 4克，其從產(chǎn)生不均衡質(zhì)量塊的軸旋轉(zhuǎn)中心線的重心偏移量為1mm。對(duì)于該實(shí)例而言，當(dāng)所述質(zhì)量塊(例如)以200Hz (I, 256弧度/秒)旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的向心力F。=(質(zhì)量)X (角速度)2X (偏移半徑)，這相當(dāng)于0. 0004KgX (1256弧度/秒)2X0.001M，或者F。= 0.63N。該動(dòng)力足以加速整個(gè)手機(jī)手持裝置并產(chǎn)生用戶可感知的振動(dòng)。遺憾的是，現(xiàn)有電磁電機(jī)(例如DC振動(dòng)電機(jī))的一個(gè)缺陷是其產(chǎn)生干擾磁場(chǎng)并且由鐵磁材料和導(dǎo)電材料構(gòu)成。這些電機(jī)產(chǎn)生的磁干擾會(huì)干擾手機(jī)中其它裝置(例如指南針)的操作。隨著手機(jī)附加裝置的增加并且手機(jī)分級(jí)還繼續(xù)變得細(xì)化，該問題變得日益嚴(yán)重。DC電機(jī)也由對(duì)射頻(RF)不透明的導(dǎo)電材料制成并且不能位于無(wú)線通信設(shè)備的無(wú)線電天線附近。陶瓷電機(jī)(例如壓電超聲電機(jī))不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，不由鐵磁材料制成并且大體上由大致RF透明的非導(dǎo)電材料制成。非磁性和RF透明的壓電電機(jī)具有集成于高度微型化手機(jī)中的許多示例性優(yōu)點(diǎn)。這些壓電電機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)并且還可用于產(chǎn)生振動(dòng)。產(chǎn)生雙向旋轉(zhuǎn)或平移的常規(guī)駐波管狀超聲電機(jī)采用多個(gè)壓電陶瓷元件，其為被電分成多個(gè)獨(dú)立段的單個(gè)陶瓷部件或者單獨(dú)的陶瓷部件。壓電元件由獨(dú)立電路電驅(qū)動(dòng)，并且采用具有可調(diào)相的雙相驅(qū)動(dòng)信號(hào)或通過將單相從一個(gè)壓電元件轉(zhuǎn)換至另一個(gè)來(lái)產(chǎn)生雙向移動(dòng)。這些壓電電機(jī)需要振動(dòng)管與旋轉(zhuǎn)軸之間的一個(gè)或多個(gè)接觸點(diǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸采用軸向預(yù)負(fù)荷(平行于軸中心線)來(lái)產(chǎn)生該軸上產(chǎn)生扭矩所需的接觸摩擦。遺憾的是，采用軸向預(yù)負(fù)荷來(lái)產(chǎn)生摩擦扭矩的這些壓電電機(jī)通常會(huì)產(chǎn)生較低輸出速度和效率。

發(fā)明內(nèi)容
一種觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)包括超聲振動(dòng)電機(jī)主體、連接至所述振動(dòng)電機(jī)主體的軸以及至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊，所述軸被布置成響應(yīng)于所述振動(dòng)電機(jī)主體在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊連接至所述軸且可與所述軸一起移動(dòng)以響應(yīng)于所述軸的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。一種制造觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)的方法包括提供超聲振動(dòng)電機(jī)主體；將軸連接至所述振動(dòng)電機(jī)主體，所述軸被布置成響應(yīng)于所述振動(dòng)電機(jī)主體在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)；并且將至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊連接至所述軸且將該不均衡質(zhì)量塊與所述軸一起移動(dòng)以響應(yīng)于所述軸的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。 該技術(shù)的各個(gè)示例性實(shí)施方案提供了許多優(yōu)點(diǎn)。例如，超聲振動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了單向軸旋轉(zhuǎn)、高于常規(guī)電機(jī)的效率和旋轉(zhuǎn)速度，而同時(shí)其制造也更便宜和更簡(jiǎn)單。另外，該超聲電機(jī)的示例性實(shí)施方案采用了具有圓柱形軸襯觸點(diǎn)的駐波管設(shè)計(jì)，其中不均衡質(zhì)量塊產(chǎn)生的向心力在軸襯觸點(diǎn)處產(chǎn)生摩擦力。振動(dòng)管與旋轉(zhuǎn)軸之間的接觸提高了效率，并且單相電子電路產(chǎn)生了產(chǎn)生軸旋轉(zhuǎn)的駐波振動(dòng)。


圖IA為圖IlA的示例性觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的側(cè)視圖；圖IB為所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的剖視圖；圖IC為所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的端視圖；圖ID為圖15A和16A的觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的另一個(gè)實(shí)例的側(cè)視圖；圖IE為圖15A和16A的觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的剖視圖；圖2為所述觸覺致動(dòng)器的示例性實(shí)施方案中使用的多層壓電板的剖視圖；圖3為用于驅(qū)動(dòng)根據(jù)各個(gè)示例性實(shí)施方案的觸覺致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電路和波形的示意圖；圖4A和4B示出了第一諧振彎曲正交模式；圖5A和5B示出了觸覺致動(dòng)器的各個(gè)實(shí)施方案的頻率對(duì)振幅圖線的實(shí)例；圖6A至7C示出了兩個(gè)第一正交諧振彎曲模式的振幅的Lissajoule圖線(也稱為L(zhǎng)issajous圖線)的實(shí)例；圖8A為另一種示例性觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的側(cè)視圖；圖SB為所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的剖視圖；圖SC為所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的端視圖；圖8D為所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的側(cè)視圖；圖SE為所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的剖視圖；圖9為用于所述觸覺致動(dòng)器的示例性實(shí)施方案中的驅(qū)動(dòng)電路和波形的示意圖IOA和IOB示出了所述觸覺致動(dòng)器的管狀電機(jī)主體的示例性第一諧振彎曲正交模式；圖11A-11C分別示出了一種示例性觸覺致動(dòng)器的側(cè)視圖與示意圖、端視圖與示意圖以及劑視圖與不意圖；圖12示出了一種示例性觸覺致動(dòng)器的自由體力分析；圖13A-13C分別示出了具有徑向預(yù)負(fù)荷的示例性觸覺致動(dòng)器的端視圖、側(cè)視圖和等距視圖；圖14示出了圖13A-13C的示例性觸覺致動(dòng)器的自由體力分析；圖15A-15C分別示出了一種示例性觸覺致動(dòng)器的側(cè)視圖與示意圖、端視圖與示意圖以及劑視圖與不意圖；圖16A-16D分別示出了一種示例性觸覺致動(dòng)器的側(cè)視圖與示意圖、端視剖視圖、端視圖以及側(cè)視剖視圖；并且圖17示出了一種制造所述觸覺致動(dòng)器的示例性方法。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)DIA至7C，示出并描述了振動(dòng)電機(jī)主體100和IOOa的示例性實(shí)施方案。更具體地講，參照?qǐng)D1A,示出了振動(dòng)電機(jī)主體100的側(cè)視圖。如圖IB中更詳細(xì)地示出，振動(dòng)電機(jī)主體100包括構(gòu)成振動(dòng)電機(jī)主體100的管狀體的管104、壓電陶瓷板110以及內(nèi)圓柱形軸襯106a和106b,內(nèi)圓柱形軸襯106a和106b分別位于振動(dòng)電機(jī)主體100的內(nèi)表面的一端和中央(或中部)。管104可由以聞達(dá)幾百千赫的超聲頻率振動(dòng)而具有低損耗和聞機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Q)的固體材料構(gòu)成，該固體材料以舉例的方式包括金屬、聚合物和陶瓷，但也可使用具有這些性質(zhì)的其它材料。使用高強(qiáng)度膠粘劑將壓電陶瓷板110(在本文中也稱為壓電板110，或簡(jiǎn)單地稱為板110)粘結(jié)至管104，但也可采用其它連接方法。壓電陶瓷板110可以多種方式設(shè)置在振動(dòng)電機(jī)主體100的管104的外表面上。例如,壓電陶瓷板110具有與管狀體的軸線105平行的平面，并且被構(gòu)造成在通電時(shí)通過以位于與振動(dòng)電機(jī)主體100的管狀體的軸線105平行的兩個(gè)正交平面中的諧振彎曲模式產(chǎn)生超聲振動(dòng)來(lái)使管狀體彎曲,所述超聲振動(dòng)使軸(例如下面在圖IlA中描述的軸210)在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。根據(jù)一個(gè)實(shí)例，振動(dòng)電機(jī)主體100構(gòu)成超聲振動(dòng)電機(jī)主體，如下所述。參照?qǐng)DID和1E，振動(dòng)電機(jī)主體IOOa與振動(dòng)電機(jī)主體100相同，不同的是圓柱形軸襯106a和106b位于管104的兩端。參照?qǐng)D2，示例性壓電陶瓷板110為具有叉指形電極116和118的共燒多層裝置，叉指形電極116和118分別連接至外部引線112和114。或者，單層壓電板可用于構(gòu)成壓電陶瓷板110。在一個(gè)實(shí)例中，當(dāng)向圖2所示的兩個(gè)L形電極施加電壓Vd 124時(shí)，壓電陶瓷板110的長(zhǎng)度由于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的d33效應(yīng)而變化了長(zhǎng)度111。僅以舉例的方式，對(duì)用于制造壓電陶瓷板110的壓電陶瓷材料以及如何將其用于產(chǎn)生超聲振動(dòng)的進(jìn)一步說(shuō)明在名稱為"Reduced-Voltage, Linear Motor Systems and Methods Thereof"的美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2010/0039715號(hào)中有詳細(xì)描述，但在本文中將不進(jìn)行詳細(xì)描述，上述專利據(jù)此以引用方式整體并入。再參照?qǐng)D1B，使用高強(qiáng)度膠粘劑將圓柱形軸襯106a和106b粘結(jié)至管104的內(nèi)表面，但也可采用其它連接方法。根據(jù)一些實(shí)例，圓柱形軸襯106a和106b可由任何堅(jiān)硬且耐、用的材料構(gòu)成，這些材料可與分別如圖11C、13C和16D所示的旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸210、219和410相容，但這種相容性并非限制。軸襯106a和106b的示例性材料包括鋼、青銅和氧化鋁，但也可使用其它材料。參照?qǐng)D3，在一個(gè)實(shí)例中，振動(dòng)電機(jī)主體100通過連接至壓電陶瓷板110的全橋驅(qū)動(dòng)電路120來(lái)操作。在該實(shí)例中，全橋驅(qū)動(dòng)電路120的頻率與管狀振動(dòng)電機(jī)主體100的第一彎曲模式的諧振頻率大致相同，但也可采用其它頻率(例如部分諧振頻率)和其它類型的驅(qū)動(dòng)電路(例如半橋驅(qū)動(dòng)電路)。對(duì)該驅(qū)動(dòng)方法的進(jìn)一步說(shuō)明存在于以上引用的美國(guó)專利申請(qǐng)公開第US2010/0039715號(hào)中，但在本文中將不進(jìn)行詳細(xì)描述。參照?qǐng)D1C、4A和4B，根據(jù)一個(gè)實(shí)例，管104的橫截面形狀繞該管的軸線并非對(duì)稱，并且形成該橫截面形狀以使得由以電機(jī)主體100的大致第一彎曲模式的諧振頻率激勵(lì)時(shí)壓電陶瓷板110的長(zhǎng)度111的變化所引起的振動(dòng)電機(jī)主體100的彎曲可在相位差為大致90
度的-45度平面O在圖IC中示為元件101)和+45度平面(在圖IC中示為元件103)中產(chǎn)生第一彎曲模式的諧振振動(dòng),并且振動(dòng)振幅大致相等。具體參照?qǐng)D1C,示例性振動(dòng)電機(jī)主體100通過調(diào)節(jié)形成所示示例性橫截面形狀的側(cè)切深度d (示為元件107)以及角度Θ (示為元件108)來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)所需的相位和振幅，但也可調(diào)節(jié)振動(dòng)電機(jī)主體100的橫截面中的其它參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的相位和振幅性能。參照?qǐng)D4A至7C，示出了圖IC中的振動(dòng)電機(jī)主體100的橫截面形狀的示例性結(jié)果。具體參照?qǐng)D4A和4B，兩個(gè)一階彎曲諧振模式130和135分別存在于振動(dòng)電機(jī)主體100中，所述模式從壓電陶瓷板110的O度平面分別以+45度(示為元件131)和-45度(示為元件136)大致對(duì)稱地對(duì)齊。例如，兩個(gè)45度角彎曲模式130和135可具有稍微不同的諧振頻率，并且可沿著兩個(gè)正交平面，但也可采用壓電陶瓷板110的其它非正交平面。在該實(shí)例中，壓電陶瓷板110以彎曲模式130和135的諧振頻率的平均頻率驅(qū)動(dòng)(如圖3所示)，并且在彎曲t旲式130和135中激發(fā)諧振振動(dòng)。參照?qǐng)D5A和5B，該實(shí)例以圖線140和145示出了振動(dòng)位移與頻率。在該實(shí)例中，一個(gè)45度模式130 (示為頻率圖線段141)的諧振頻率為174KHz，并且另一個(gè)45度模式135(示為頻率圖線段142)的諧振頻率為176KHz，但也可采用其它頻率值。施加至壓電陶瓷板110的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Vd 124的頻率為兩個(gè)45度彎曲模式130和135 (即分別為頻率圖線段141和142)的諧振頻率的平均值，并且在該實(shí)例中等于175KHz。當(dāng)壓電陶瓷板110以175KHz驅(qū)動(dòng)時(shí)，圖4A和4B所示的諧振模式130和135具有90度的自然相移。因此，來(lái)自壓電陶瓷板110的單個(gè)彎曲振動(dòng)輸入沿著壓電陶瓷板110的兩個(gè)大致正交平面產(chǎn)生兩個(gè)彎曲模式130和135，其接近頻率圖線段141和142所示的兩個(gè)45度彎曲模式頻率的諧振頻率。在一個(gè)實(shí)例中，兩個(gè)彎曲模式130和135的振動(dòng)振幅大致相同，但也可采用不相等的振幅。具體參照?qǐng)D5A，具有高機(jī)械增益(或高Qm)的振動(dòng)電機(jī)主體100的一個(gè)實(shí)例被繪制為140，其具有分別對(duì)應(yīng)于彎曲模式130和135的兩個(gè)峰14Γ和142^，這兩個(gè)峰是明顯的，但高度未必相等。在一個(gè)實(shí)例中，壓電陶瓷板110的操作頻率或驅(qū)動(dòng)頻率介于兩個(gè)峰141'和142'中間。具體參照?qǐng)D5B，具有較低Qm的振動(dòng)電機(jī)主體100的另一個(gè)實(shí)例被示為圖線145，其中彎曲模式130和135的兩個(gè)峰(或峰值頻率)141'和142'融合在一起形成單峰146。對(duì)于該實(shí)例，壓電陶瓷板110的操作驅(qū)動(dòng)頻率為峰值振幅。參照?qǐng)D6A至7C，采用板110的給定輸入驅(qū)動(dòng)頻率的李薩如圖表來(lái)繪制兩個(gè)45度諧振模式130和135的振幅。具體參照?qǐng)D6A至6C，示出了對(duì)應(yīng)于圖5A所示的頻率對(duì)位移圖線140的示例性固定Qm = 90的李薩如圖線。圖線150示出了壓電陶瓷板110的輸入驅(qū)動(dòng)頻率等于174KHz時(shí)的橢圓形151，所述頻率等于第一個(gè)45度彎曲模式130的峰值頻率141'(如頻率圖線段141所示)。圖線155示出了壓電陶瓷板110的輸入驅(qū)動(dòng)頻率等于175KHz時(shí)理想的圓形156，所述頻率等于45度彎曲模式130和135各自的峰值頻率141'和142'的平均值。圖線160示出了壓電陶瓷板110的輸入驅(qū)動(dòng)頻率等于176KHZ時(shí)的形狀161，所述頻率等于另一個(gè)45度彎曲模式135的峰值頻率142'(如頻率圖線段142所示)。在該實(shí)例中，圓形圖線156為采用來(lái)自全橋驅(qū)動(dòng)電路120的最高功率的頻率，并且通過監(jiān)測(cè)功率與頻率并將頻率調(diào)節(jié)成具有最大功率的值，可維持具有最圓的李薩如圖線的最佳操作點(diǎn)。對(duì)這種調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率的方法的進(jìn)一步說(shuō)明描述于名稱為"Automated DriveFrequency Control for Resonant Actuator Systems and Methods Thereof"的美國(guó)專 利申請(qǐng)序列第12/466，929號(hào)中，但在本文中將不進(jìn)行詳細(xì)描述，上述專利據(jù)此以引用方式整體并入。參照?qǐng)D7A至7C，分別采用壓電陶瓷板110的給定輸入驅(qū)動(dòng)頻率的李薩如圖表來(lái)繪制圖4A和4B的兩個(gè)45度諧振彎曲模式130和135的振幅。對(duì)于所述實(shí)例，示出了品質(zhì)因數(shù)(Qm)較低且不相等時(shí)的李薩如圖線166、171和176。在該實(shí)例中，諧振頻率為174KHz的45度模式130的Qm為30，并且諧振頻率為176KHz的45度模式135的Qm為60。圖線165示出了壓電陶瓷板110的輸入驅(qū)動(dòng)頻率等于174KHz時(shí)的橢圓形166，所述頻率等于第一個(gè)45度彎曲模式130的峰值頻率141。圖線170示出了壓電陶瓷板110的輸入驅(qū)動(dòng)頻率等于175KHz時(shí)較大的橢圓形171，所述頻率等于45度彎曲模式130和135各自的峰值頻率141;和142 ^的平均值。圖線175示出了壓電陶瓷板110的輸入驅(qū)動(dòng)頻率等于176KHz時(shí)的形狀176，所述頻率等于另一個(gè)45度彎曲模式142的峰值頻率142'。在該實(shí)例中，形狀171不為圓形，但175KHz的驅(qū)動(dòng)頻率仍保持在具有最高功率和最佳性能的點(diǎn)處，如上所述。應(yīng)當(dāng)注意，上述頻率值和形狀僅以舉例的方式，并且可采用李薩如圖表的其它值和形狀。參照?qǐng)D8A至10B，示出了振動(dòng)電機(jī)主體180的另一個(gè)示例性構(gòu)造。除下文所述外，振動(dòng)電機(jī)主體180與振動(dòng)電機(jī)主體100相同。振動(dòng)電機(jī)主體180附接至兩個(gè)壓電陶瓷板IIOa和110b，而非與振動(dòng)電機(jī)主體100附接的一個(gè)壓電陶瓷板110。參照?qǐng)D8A至8C，管184粘結(jié)至兩個(gè)壓電陶瓷板IlOa和110b，并且內(nèi)圓柱形軸襯106a'和106b'連接至振動(dòng)電機(jī)主體180的內(nèi)表面。軸襯106a'和106b'位于振動(dòng)電機(jī)主體180的一端和中央。在該實(shí)例中，壓電陶瓷板IlOa和IlOb呈90度對(duì)齊，但也可采用壓電陶瓷板IlOa和IlOb之間的其它相對(duì)角度布置方式。在該實(shí)例中，壓電陶瓷板IlOa和IlOb改變長(zhǎng)度，并且在兩個(gè)正交平面中彎曲振動(dòng)電機(jī)主體180，以產(chǎn)生第一彎曲模式振動(dòng)，所述振動(dòng)例如可為超聲振動(dòng)。參照?qǐng)D8D和8E，振動(dòng)電機(jī)主體180a與電機(jī)主體180相同，不同的是兩個(gè)圓柱形軸襯106a'和106b'位于管184的兩端。參照?qǐng)D9，超聲振動(dòng)電機(jī)主體180通過連接至壓電陶瓷板IlOa和IlOb的兩個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路120a和120b來(lái)操作。在一個(gè)實(shí)例中，具有電壓Vdi的驅(qū)動(dòng)信號(hào)186和具有電壓Vd2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)188以振動(dòng)電機(jī)主體180的第一彎曲模式的諧振頻率操作，但也可采用其它頻率。驅(qū)動(dòng)信號(hào)186和188之間的相移190為大致90度，其與壓電陶瓷板IlOa和IlOb的示例性90度取向匹配，但也可根據(jù)壓電陶瓷板IlOa和IlOb的相對(duì)角取向而采用相移190的其它值。對(duì)該驅(qū)動(dòng)方法的進(jìn)一步說(shuō)明包括在例如以上引用的美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2010/0039715號(hào)中，但在本文中將不進(jìn)行詳細(xì)描述。參照?qǐng)D8C、10A和10B，示出了振動(dòng)電機(jī)主體180的正交諧振彎曲模式192和194。兩個(gè)垂直的壓電陶瓷板IlOa和IlOb彎曲振動(dòng)電機(jī)主體180，但在替代實(shí)施方案中，壓電板IlOa和IlOb可能具有非正交的相對(duì)取向。管184的橫截面形狀繞該管的軸線并非對(duì)稱，但根據(jù)一些實(shí)例，也可采用對(duì)稱橫截面。形成所述非對(duì)稱形狀以使得由以振動(dòng)體180的大致第一彎曲模式的諧振頻率激勵(lì)時(shí)壓電陶瓷板IlOa和IlOb的各自長(zhǎng)度111的變化所引起的振動(dòng)電機(jī)主體180的彎曲使兩個(gè)正交彎曲諧振模式192和194具有大致相同的諧振頻率。在該實(shí)例中，與兩個(gè)彎曲模式192和194相對(duì)應(yīng)的正交平面的定向角α (元件196)或β (元件198)的準(zhǔn)確值僅為示例性的，并且在該實(shí)例中，兩個(gè)模式192和194彼此大致垂直，其中α+β =90°?；蛘撸?β的和可能等于其它值。如前所述，兩個(gè)壓電陶瓷板IlOa和IlOb分別由電信號(hào)186和188驅(qū)動(dòng)，電信號(hào)186和188各自具有等于90度的相移 190，相移190產(chǎn)生了振動(dòng)電機(jī)主體100的位移的大致呈圓形的李薩如圖線。參照?qǐng)DIlA至11C，觸覺致動(dòng)器200具有外殼212以及集成振動(dòng)電機(jī)主體100 (或相當(dāng)于振動(dòng)電機(jī)主體180)和集成驅(qū)動(dòng)芯片(IC)204。旋轉(zhuǎn)軸210裝配在振動(dòng)電機(jī)主體100的內(nèi)部，并且旋轉(zhuǎn)不均衡質(zhì)量塊202裝配至旋轉(zhuǎn)軸210的一端。不均衡質(zhì)量塊202被示例性地稱為“不均衡的”，因?yàn)槠渚哂蟹菍?duì)稱形狀并且其從振動(dòng)電機(jī)主體100/180的軸線105 (部分示出)偏移"O"位置。圖IlB示出了觸覺致動(dòng)器200沿圖IlA的AA'的剖面圖。在一個(gè)實(shí)例中，通過在振動(dòng)電機(jī)主體100/180的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處使用半剛性彈性體將振動(dòng)電機(jī)主體100/180固定至外殼212。硅氧烷彈性體的一個(gè)實(shí)例為Dow CorningCorporation (Midland, Michigan)制造的 DOW CORNING 734 可流動(dòng)密封劑，但也可使用由其它制造商制造的其它類型的密封劑。振動(dòng)電機(jī)主體100/180上的節(jié)點(diǎn)為以最小振幅振動(dòng)且提供振動(dòng)模式或諧振彎曲模式130/135或192/194(分別如上圖4A/4B和10A/10B所示)的最低阻尼的軸向位置。旋轉(zhuǎn)軸210在圖IlC所示的圓柱形接觸表面214處摩擦地接觸振動(dòng)電機(jī)主體100/180，但也可采用其它接觸點(diǎn)。不均衡質(zhì)量塊202通過壓配合、粘合劑或本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的其它方式固定至軸210的一端。集成驅(qū)動(dòng)器IC 204包括驅(qū)動(dòng)電子器件和邏輯電路以產(chǎn)生圖3和圖9所示的示例性驅(qū)動(dòng)波形，所述邏輯電路包括全橋開關(guān)電路(例如全橋驅(qū)動(dòng)電路120)和必要的數(shù)字控制和頻率發(fā)生電路中的至少一種。集成驅(qū)動(dòng)器 IC 204 的一個(gè)實(shí)例為 New Scale Technologies, Inc. (Victor,NY)制造的NSD-2101。對(duì)于NSD-2101的實(shí)例，集成驅(qū)動(dòng)器IC 204連接至DC電壓源206和I2C串行控制接口 208，但也可采用其它驅(qū)動(dòng)器IC和其它連接技術(shù)，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本公開后可設(shè)想到的。參照?qǐng)D12，對(duì)于觸覺致動(dòng)器200的振動(dòng)電機(jī)主體100或180，評(píng)估了作用于圓柱形接觸表面214上的示例性反作用力。在該實(shí)例中，力F。為不均衡質(zhì)量塊202產(chǎn)生的向心力。力Fl為中央接觸點(diǎn)214a處的反作用力，并且力F2為端部接觸點(diǎn)214b處的反作用力。LI為Fl和F2之間的軸向距離。L2為F2和F。之間的軸向距離。反作用力Fl和F2為F。、LI和L2的函數(shù)，并且在該實(shí)例中由下列等式確定
Fl = (1+L2/L1)FC,F2 = (L2/L1)FC,F1+F2 = (1+2L2/L1)FC,以及摩擦力=(l+2L2/Ll)Fcy，其中μ為摩擦系數(shù)。在該實(shí)例中，F(xiàn)l和F2的和與接觸點(diǎn)214a和214b處產(chǎn)生的總摩擦力成比例。該設(shè)計(jì)的一個(gè)示例性優(yōu)點(diǎn)為圓柱形接觸點(diǎn)214a和214b上的向心力Fc產(chǎn)生的反作用力Fl、F2會(huì)產(chǎn)生有利的摩擦。在該構(gòu)造中，F(xiàn)c以放大系數(shù)(1+2L2/L1)增加了(F1+F2)，如上所述。當(dāng)振動(dòng)電機(jī)主體100/180振動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)214a和214b在所述軸上產(chǎn)生扭矩，以提高總電機(jī)效率，該效率對(duì)應(yīng)于觸覺致動(dòng)器200的較低輸入功率下的較高旋轉(zhuǎn)速度。圖12中力的布置方式與常規(guī)電磁電機(jī)形成對(duì)比，其中向心力在所述軸的軸襯處產(chǎn)生摩擦，該摩擦導(dǎo)致直接效率損失并且相應(yīng)地導(dǎo)致速度損失且增加輸入功率。
在一個(gè)實(shí)例中，接觸點(diǎn)214a位于振動(dòng)電機(jī)主體100 (或相當(dāng)于振動(dòng)電機(jī)主體180)的中央和圓柱形軸襯106b的底部，并且接觸點(diǎn)214b位于振動(dòng)電機(jī)主體100 (或相當(dāng)于振動(dòng)電機(jī)主體180)的端部和圓柱形軸襯106a的頂部。選擇接觸點(diǎn)214a、214b的這些示例性位置以最佳地使用反作用力Fl和F2以及彎曲模式130/135或192/194(分別如圖4A/4B和10A/10B所示)，但也可采用其它位置，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀本公開后可設(shè)想到的。當(dāng)振動(dòng)電機(jī)主體100 (或相當(dāng)于振動(dòng)電機(jī)主體180)振動(dòng)時(shí)，點(diǎn)214a和214b處產(chǎn)生的扭矩以最小損耗結(jié)合在一起，以提高電機(jī)速度和效率。參照?qǐng)D13A至14，觸覺致動(dòng)器200a與觸覺致動(dòng)器200相同，不同的是增加彈簧觸點(diǎn)218以產(chǎn)生徑向力Fp (如圖14所示)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸219剛開始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，增加徑向力Fp使得以零速度產(chǎn)生一致且較高的摩擦，以產(chǎn)生高起動(dòng)扭矩，并且該點(diǎn)處的向心力F。大致為零或與起動(dòng)扭矩相比可忽略不計(jì)。在該實(shí)例中，彈簧218為具有低摩擦涂層的成形鋼絲，但也可采用彈簧218的其它構(gòu)造。彈簧218的一端固定至圖13B所示的外殼212a，并且經(jīng)彎曲以在接觸點(diǎn)220處接觸旋轉(zhuǎn)軸219。接觸點(diǎn)220處的徑向力為Fp。參照?qǐng)D14，在該實(shí)例中，反作用力Flp和F2p為Fp、L3和LI的函數(shù)，并且由下列等式確定Flp = (1+L3/L1) Fp,F2p = (L3/L1) Fp,Flp+F2p = (l+2L3/Ll)Fp，以及起動(dòng)摩擦力=(l+2L3/Ll)Fpl·!，其中μ為示例性摩擦系數(shù)。如正上方的等式所示，預(yù)負(fù)荷力Fp在點(diǎn)214a和214b處被放大(1+2L3/L1)，這可確保點(diǎn)220處產(chǎn)生的摩擦力遠(yuǎn)小于上述等式中計(jì)算的起動(dòng)摩擦力。這將產(chǎn)生零旋轉(zhuǎn)速度下的較高摩擦起動(dòng)扭矩(當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸219剛開始移動(dòng)時(shí))，產(chǎn)生較高加速度，并且使旋轉(zhuǎn)軸219達(dá)到最大速度所需的時(shí)間最小化。應(yīng)當(dāng)注意，雖然彈簧200如上圖所示于觸覺致動(dòng)器200a的結(jié)構(gòu)中，但根據(jù)本公開中的信息，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可將彈簧218用于本文所公開的其它觸覺致動(dòng)器中，例如上述觸覺致動(dòng)器200或下述觸覺致動(dòng)器300。參照?qǐng)D15A至15C，觸覺致動(dòng)器300為與觸覺致動(dòng)器200相同的替代實(shí)施方案，不同的是單個(gè)不均衡質(zhì)量塊202被連接至旋轉(zhuǎn)軸310的兩端或旋轉(zhuǎn)軸310的相對(duì)端的兩個(gè)大致相同的不均衡質(zhì)量塊302a和302b代替，但在替代實(shí)施方案中，不均衡質(zhì)量塊302a和302b可能并非大致相同或相等。觸覺致動(dòng)器300具有外殼312以及集成振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a和集成驅(qū)動(dòng)器IC 204。旋轉(zhuǎn)軸310裝配在振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a的內(nèi)部，并且旋轉(zhuǎn)不均衡質(zhì)量塊302a和302b裝配至旋轉(zhuǎn)軸310的各相應(yīng)端(或旋轉(zhuǎn)軸310的相對(duì)端)。例如，通過在電機(jī)主體100a/180a的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處使用半剛性彈性體將振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a固定至外殼312，如針對(duì)圖IlA的觸覺致動(dòng)器200所述。旋轉(zhuǎn)軸310在圖15C所示的圓柱形摩擦表面314處接觸振動(dòng)電機(jī)主體IOOa或180a。不均衡質(zhì)量塊302a和302b通過壓配合、粘合劑或本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的其它方式固定至旋轉(zhuǎn)軸310的每端。在該實(shí)例中，集成驅(qū)動(dòng)器IC 204連接至DC電壓源206和I2C串行控制接口 208，如以上針對(duì)圖IlA的觸覺致動(dòng)器200所述。振動(dòng)電機(jī)主體IOOa或180a用于觸覺致動(dòng)器300中，這至少是因?yàn)樽饔糜趫D15C的點(diǎn)314處的反作用力(Fr) 320位于振動(dòng)電機(jī)主體IOOa或180a的相應(yīng)端，并且還位于旋轉(zhuǎn)軸310的同一側(cè)且在大致相同的方向上。對(duì)于該實(shí)例，觸覺致動(dòng)器300'的構(gòu)造的對(duì)稱導(dǎo)致 不均衡質(zhì)量塊302a和302b產(chǎn)生的相應(yīng)向心力(F。) 318相等和對(duì)齊，以使得反作用力320大小相等，但與向心力318的方向相反。不同于圖IlA所示的觸覺致動(dòng)器200，在圖15A-15C所示的示例性實(shí)施方案中，未增加或放大向心力318(F。)。觸覺致動(dòng)器300與觸覺致動(dòng)器200具有大致相同的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)榉醋饔昧?20產(chǎn)生的所有摩擦均是有利的且振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a將其用于在兩個(gè)接觸點(diǎn)314處產(chǎn)生扭矩。觸覺致動(dòng)器300的另一個(gè)示例性優(yōu)點(diǎn)為在觸覺致動(dòng)器300經(jīng)受外部沖擊時(shí)具有較大的強(qiáng)度，這至少部分地因?yàn)椴痪赓|(zhì)量塊302a和302b更均勻地分布作用于旋轉(zhuǎn)軸310上的彎曲應(yīng)力。參照?qǐng)D16A至16D，觸覺致動(dòng)器400為與觸覺致動(dòng)器200相同的替代實(shí)施方案，不同的是單個(gè)不均衡質(zhì)量塊402固定至振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)軸410。觸覺致動(dòng)器400具有外殼412以及集成振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a (例如超聲電機(jī)或超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī))和集成驅(qū)動(dòng)器IC 204。通過在電機(jī)主體100a/180a的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處使用半剛性彈性體將振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a固定至外殼412，如針對(duì)觸覺致動(dòng)器200所述，但也可采用其它固定技術(shù)。旋轉(zhuǎn)軸410在由相應(yīng)的圓柱形軸襯106a和106b形成的圓柱形摩擦表面的接觸點(diǎn)414處接觸振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a。不均衡質(zhì)量塊402通過壓配合、粘合劑或者可采用本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的其它固定方式固定至軸410的中央。在該實(shí)例中，例如，集成驅(qū)動(dòng)器IC 204連接至DC電壓源206和I2C串行控制接口 208，如針對(duì)圖IlA中的觸覺致動(dòng)器200所述。振動(dòng)電機(jī)主體IOOa或180a用于觸覺致動(dòng)器400中，這是因?yàn)樽饔糜诮佑|點(diǎn)414處的反作用力420位于振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a的端部，并且還位于旋轉(zhuǎn)軸410的大致同一側(cè)且在大致相同的方向上。對(duì)于該實(shí)例，觸覺致動(dòng)器400的構(gòu)造的對(duì)稱導(dǎo)致不均衡質(zhì)量塊402產(chǎn)生的向心力418在大小上等于反作用力420的和，但與向心力318和/或反作用力420的方向相反。不同于觸覺致動(dòng)器200，未增加或放大向心力418(F。)。觸覺致動(dòng)器400與觸覺致動(dòng)器200具有大致相同的示例性優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)榉醋饔昧r (元件420)產(chǎn)生的所有摩擦均是有利的且電機(jī)主體100a/180a將其用于在兩個(gè)接觸點(diǎn)414處產(chǎn)生扭矩。與觸覺致動(dòng)器200和300相比，觸覺致動(dòng)器400的另一個(gè)示例性優(yōu)點(diǎn)為在觸覺致動(dòng)器400經(jīng)受外部沖擊時(shí)具有甚至更大的強(qiáng)度，這是因?yàn)椴痪赓|(zhì)量塊402均勻地分布在接觸點(diǎn)414之間，從而使作用于軸410上的彎曲應(yīng)力甚至更低。應(yīng)當(dāng)注意，雖然觸覺致動(dòng)器400僅示出了一個(gè)不均衡質(zhì)量塊302，但也可采用沿旋轉(zhuǎn)軸410分布的多個(gè)不均衡質(zhì)量塊。此外，雖然圖16A-16D中描述了振動(dòng)電機(jī)主體100a/180a，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可改進(jìn)觸覺致動(dòng)器400以與其它振動(dòng)電機(jī)主體(例如振動(dòng)電機(jī)主體100) —起使用。參照?qǐng)D17，將通過再參照?qǐng)D1A-16D并使用流程圖1700來(lái)描述觸覺致動(dòng)器按照制造觸覺致動(dòng)器200、200a、300的方法的操作。在步驟1702中，提供超聲振動(dòng)電機(jī)主體(例如振動(dòng)電機(jī)主體100)。在一個(gè)實(shí)例中，在步驟1702中，提供超聲振動(dòng)電機(jī)主體還包括提供管狀體(例如管104的管狀體)，所述管狀體被構(gòu)造成以位于與超聲振動(dòng)電機(jī)主體的軸線平行的兩個(gè)正交平面的每一者 中的第一彎曲模式(例如彎曲模式130)進(jìn)行超聲振動(dòng)，并且其中旋轉(zhuǎn)軸210進(jìn)一步使不均衡質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)且產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)的向心力F。。在另一個(gè)實(shí)例中，在步驟1702中，將管狀體連接至位于管狀體的外表面上的至少一個(gè)壓電板(例如壓電陶瓷板110)，并且該壓電板的平面平行于管狀體的軸線105，所述壓電板被構(gòu)造成在通電時(shí)通過以位于與管104的管狀體的軸線105平行的兩個(gè)正交平面中的諧振彎曲模式(例如彎曲模式130和135)產(chǎn)生超聲振動(dòng)來(lái)使管狀體彎曲，所述超聲振動(dòng)使軸210在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)例中，如上所述，超聲振動(dòng)以諧振彎曲模式130和135中每一個(gè)的平均頻率來(lái)發(fā)生，諧振彎曲模式130和135例如根據(jù)如圖IC所示的管狀體的橫截面形狀而具有大致90度的相移和大致相同的振幅。在一個(gè)實(shí)例中，所述方法包括在步驟1702中提供管狀體，所述管狀體連接至位于管狀體的外表面上的至少兩個(gè)壓電板，并且所述板的相應(yīng)平面平行于管狀體的軸線。至少兩個(gè)壓電板IlOa和IlOb通過兩個(gè)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)波形(例如圖9所示的波形)來(lái)通電，從而在兩個(gè)相應(yīng)正交平面中以第一和第二正交彎曲模式192和194的平均頻率在管狀體中引起振動(dòng)，并且第一和第二正交彎曲模式192和194根據(jù)管狀體的橫截面形狀(例如圖SC所示的橫截面形狀)而具有大致相同的振幅和90度的相移。在步驟1704中，將軸(例如旋轉(zhuǎn)軸310)連接至振動(dòng)電機(jī)主體100，所述軸被布置成響應(yīng)于振動(dòng)電機(jī)主體在至少一個(gè)方向上(例如順時(shí)針或反時(shí)針方向)旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)例中，在步驟1704中，流程圖1700描述的方法包括在位于超聲振動(dòng)電機(jī)主體180a的內(nèi)表面的內(nèi)徑上的兩個(gè)圓柱形軸襯(例如圓柱形軸襯106a和106b)處將管狀體摩擦地連接至所述軸。所述兩個(gè)圓柱形軸襯中的第一個(gè)大致位于管狀體的一端，并且所述兩個(gè)圓柱形軸襯中的第二個(gè)大致位于管狀體的中部，如圖8B所示?；蛘撸龇椒砂ㄟB接位于管狀體的各相應(yīng)端的兩個(gè)圓柱形軸襯106a'和106b'，如圖8E所示。在步驟1706中，將至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊(例如不均衡質(zhì)量塊202)連接至旋轉(zhuǎn)軸。在步驟1708中，將不均衡質(zhì)量塊與所述軸一起移動(dòng)，以響應(yīng)于所述軸的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)例中，在步驟1706中，所述方法包括將至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊(例如不均衡質(zhì)量塊202)作為固定至軸210的一端的單個(gè)質(zhì)量塊來(lái)連接?；蛘?，所述方法可包括以分別固定至軸310的相對(duì)端的兩個(gè)質(zhì)量塊(例如不均衡質(zhì)量塊302a和302b)的形式存在的至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊。此外，在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，流程圖1700描述的方法可包括將至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊(例如不均衡質(zhì)量塊402)作為固定至位于超聲振動(dòng)電機(jī)主體的管狀體內(nèi)部的軸410的單個(gè)質(zhì)量塊來(lái)連接在位于管狀體每端的兩個(gè)圓柱形軸襯之間。
在一個(gè)實(shí)例中，流程圖1700描述的方法還包括在步驟1706中提供具有低摩擦接觸表面的彈簧218，將彈簧218連接至軸219，并且被構(gòu)造成向軸219施加徑向力，以增加超聲振動(dòng)電機(jī)主體200a與軸219之間的一個(gè)或多個(gè)接觸點(diǎn)處的摩擦，且用于以所述軸的零速度來(lái)增加與超聲振動(dòng)電機(jī)主體相關(guān)的電機(jī)扭矩。在步驟1708中，將不均衡質(zhì)量塊(例如不均衡質(zhì)量塊402)與旋轉(zhuǎn)軸一起移動(dòng)，以響應(yīng)于所述軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，流程圖1700描述的方法還包括提供在超聲振動(dòng)電機(jī)主體的外殼412的內(nèi)部的集成驅(qū)動(dòng)電路204，集成驅(qū)動(dòng)電路204被構(gòu)造成提供用于使超聲振動(dòng)電機(jī)主體通電的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。例如，集成驅(qū)動(dòng)電路204包括圖9所示的一個(gè)或多個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路120a和120b以及數(shù)字控制邏輯。雖然已通過觸覺致動(dòng)器200的實(shí)例大致描述了流程圖1700的步驟，但流程圖1700中的步驟同樣適用于觸覺致動(dòng)器200a或300，或者本文所公開的其它觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)和模塊。此外，流程圖1700中的步驟可以適于實(shí)施示例性方面的任何其它順序來(lái)進(jìn)行，并且流程圖1700中所示的步驟順序僅為示例性的，而非進(jìn)行限制。 此技術(shù)的各個(gè)示例性實(shí)施方案提供了許多優(yōu)點(diǎn)。例如，超聲振動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了單向軸旋轉(zhuǎn)、高于常規(guī)電機(jī)的效率和旋轉(zhuǎn)速度，而同時(shí)其制造也更便宜和更簡(jiǎn)單。另外，該超聲電機(jī)的示例性實(shí)施方案采用了具有圓柱形軸襯觸點(diǎn)的駐波管設(shè)計(jì)，其中不均衡質(zhì)量塊產(chǎn)生的向心力在軸襯觸點(diǎn)處產(chǎn)生摩擦力。振動(dòng)管與旋轉(zhuǎn)軸之間的接觸提高了效率，并且單相電子電路產(chǎn)生了產(chǎn)生軸旋轉(zhuǎn)的駐波振動(dòng)。通過如此描述了本發(fā)明的基本概念，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，將相當(dāng)顯而易見的是，上述詳細(xì)公開旨在僅以舉例的方式呈現(xiàn)，而非進(jìn)行限制。雖然本文中未明確地指出，但將進(jìn)行各種變更、改進(jìn)和修改，并且其旨在通過本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行。這些變更、改進(jìn)和修改旨在據(jù)此提出，并且在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。例如，在上述觸覺致動(dòng)器的各個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)各種設(shè)計(jì)參數(shù)和機(jī)電參數(shù)，不均衡質(zhì)量塊302a和302b、彈簧218以及圓柱形軸襯106a和106b可位于其它位置。觸覺致動(dòng)器200、200a和/或300的兩個(gè)或更多個(gè)部件可被集成，或者可成為集成電路芯片的一部分。此外，在不脫離如上所述的本發(fā)明的各個(gè)示例性方面的范圍的情況下，在適當(dāng)時(shí)，電氣和機(jī)械部件的改變可通過對(duì)機(jī)械連接件或部件互換和/或添加電氣連接件和部件(反之亦然)來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，因此所提及的處理元件或序列的順序，或者數(shù)字、字母或其它標(biāo)號(hào)的使用并非旨在使要求保護(hù)的方法受限于除可在權(quán)利要求中規(guī)定的順序之外的任何順序。因此，本發(fā)明可僅受下列權(quán)利要求及其等同形式的限制。
權(quán)利要求
1.一種觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其包括 超聲振動(dòng)電機(jī)主體； 連接至所述振動(dòng)電機(jī)主體的軸，所述軸被布置成響應(yīng)于所述振動(dòng)電機(jī)主體在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)；以及 至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊，其連接至所述軸且可與所述軸一起移動(dòng)以響應(yīng)于所述軸的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng),其中所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體還包括管狀體，所述管狀體被構(gòu)造成在位于與所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的軸線平行的兩個(gè)正交平面的每一個(gè)中以第一彎曲模式進(jìn)行超聲振動(dòng)，并且其中所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)一步使所述不均衡質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生所述人可檢測(cè)的振動(dòng)的向心力。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述管狀體連接至位于所述管狀體的外表面上的至少一個(gè)壓電板，并且所述至少一個(gè)壓電板的平面平行于所述振動(dòng)電機(jī)主體的所述軸線，所述至少一個(gè)壓電板被構(gòu)造成在通電時(shí)通過產(chǎn)生在與所述振動(dòng)電機(jī)主體的所述軸線平行的兩個(gè)正交平面中的處于諧振彎曲模式的超聲振動(dòng)來(lái)使所述管狀體彎曲，所述超聲振動(dòng)使所述軸在所述至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述超聲振動(dòng)以所述諧振彎曲模式中每一個(gè)的平均頻率來(lái)發(fā)生，所述諧振彎曲模式根據(jù)所述管狀體的橫截面形狀而具有大致90度的相移和大致相同的振幅。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述管狀體連接至位于所述管狀體的外表面上的至少兩個(gè)壓電板，并且所述至少兩個(gè)壓電板的相應(yīng)平面平行于所述振動(dòng)電機(jī)主體的所述軸線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的觸覺致動(dòng)器，其中所述至少兩個(gè)壓電板通過兩個(gè)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)波形來(lái)通電，從而在兩個(gè)相應(yīng)正交平面中以第一和第二正交彎曲模式的平均頻率在所述管狀體中引起振動(dòng)，并且所述第一和第二正交彎曲模式根據(jù)所述管狀體的橫截面形狀而具有大致相同的振幅和90度的相移，所述引起的振動(dòng)使所述軸在所述至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng),其中所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體包括管狀體，所述管狀體在位于所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的內(nèi)表面的內(nèi)徑上的兩個(gè)圓柱形軸襯處摩擦地連接至所述軸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述兩個(gè)圓柱形軸襯中的第一個(gè)大致位于所述管狀體的一端，并且所述兩個(gè)圓柱形軸襯中的第二個(gè)大致位于所述管狀體的中部。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述兩個(gè)圓柱形軸襯位于所述管狀體的各相應(yīng)端。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊為固定至所述軸的一端的單個(gè)質(zhì)量塊。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊包括分別固定至所述軸的相對(duì)端的兩個(gè)質(zhì)量塊。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊為固定至位于所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的管狀體內(nèi)部的所述軸的單個(gè)質(zhì)量塊，其介于位于所述管狀體每端的兩個(gè)圓柱形軸襯之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其還包括具有低摩擦接觸表面的彈簧，所述彈簧連接至所述軸，并且被構(gòu)造成向所述軸施加徑向力，以增加所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體與所述軸之間的一個(gè)或多個(gè)接觸點(diǎn)處的摩擦，且用于以所述軸的大致零速度來(lái)增加與所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體相關(guān)的電機(jī)扭矩。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng),其還包括位于所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的外殼內(nèi)部的集成驅(qū)動(dòng)電路,所述集成驅(qū)動(dòng)電路被構(gòu)造成提供用于使所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體通電的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)，其中所述集成驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)或多個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字控制邏輯。
16.一種制造觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)的方法，包括 提供超聲振動(dòng)電機(jī)主體； 將軸連接至所述振動(dòng)電機(jī)主體，所述軸被布置成響應(yīng)于所述振動(dòng)電機(jī)主體在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)；并且 將至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊連接至所述軸且將所述不均衡質(zhì)量塊與所述軸一起移動(dòng)以響應(yīng)于所述軸的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體還包括管狀體，所述管狀體被構(gòu)造成在與所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的軸線平行的兩個(gè)正交平面的每一個(gè)中以第一彎曲模式進(jìn)行超聲振動(dòng)，并且其中所述旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)一步使所述不均衡質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)且產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生所述人可檢測(cè)的振動(dòng)的向心力。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述管狀體連接至位于所述管狀體的外表面上的至少一個(gè)壓電板，并且所述至少一個(gè)壓電板的平面平行于所述振動(dòng)電機(jī)主體的所述軸線，所述至少一個(gè)壓電板被構(gòu)造成在通電時(shí)通過產(chǎn)生在與所述管狀體的所述軸線平行的兩個(gè)正交平面中的處于諧振彎曲模式的超聲振動(dòng)來(lái)使所述振動(dòng)電機(jī)主體彎曲,所述超聲振動(dòng)使所述軸在所述至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述超聲振動(dòng)以所述諧振彎曲模式中每一個(gè)的平均頻率來(lái)發(fā)生，所述諧振彎曲模式根據(jù)所述管狀體的橫截面形狀而具有大致90度的相移和大致相同的振幅。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述管狀體連接至位于所述管狀體的外表面上的至少兩個(gè)壓電板，并且所述至少兩個(gè)壓電板的相應(yīng)平面平行于所述振動(dòng)電機(jī)主體的所述軸線。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述至少兩個(gè)壓電板通過兩個(gè)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)波形來(lái)通電，從而在兩個(gè)相應(yīng)正交平面中以第一和第二正交彎曲模式的平均頻率在所述管狀體中引起振動(dòng)，并且所述第一和第二正交彎曲模式根據(jù)所述管狀體的橫截面形狀而具有大致相同的振幅和90度的相移，所述引起的振動(dòng)使所述軸在所述至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體包括管狀體，所述管狀體在位于所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的內(nèi)表面的內(nèi)徑上的兩個(gè)圓柱形軸襯處摩擦地連接至所述軸。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述兩個(gè)圓柱形軸襯中的第一個(gè)大致位于所述管狀體的一端，并且所述兩個(gè)圓柱形軸襯中的第二個(gè)大致位于所述管狀體的中部。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述兩個(gè)圓柱形軸襯位于所述管狀體的各相應(yīng)端。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊為固定至所述軸的一端的單個(gè)質(zhì)量塊。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊包括分別固定至所述軸的相對(duì)端的兩個(gè)質(zhì)量塊。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊為固定至位于所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的管狀體內(nèi)部的所述軸的單個(gè)質(zhì)量塊，其介于位于所述管狀體每端的兩個(gè)圓柱形軸襯之間。
28.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其還包括 提供具有低摩擦接觸表面的彈簧，所述彈簧連接至所述軸，并且被構(gòu)造成向所述軸施加徑向力，以增加所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體與所述軸之間的一個(gè)或多個(gè)接觸點(diǎn)處的摩擦，且用于以所述軸的大致零速度來(lái)增加與所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體相關(guān)的電機(jī)扭矩。
29.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其還包括 提供位于所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體的外殼內(nèi)部的集成驅(qū)動(dòng)電路，所述集成驅(qū)動(dòng)電路被構(gòu)造成提供用于使所述超聲振動(dòng)電機(jī)主體通電的一個(gè)或多個(gè)信號(hào)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述集成驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)或多個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字控制邏輯。
全文摘要
一種觸覺致動(dòng)器系統(tǒng)及其制造方法包括超聲振動(dòng)電機(jī)主體。軸連接至所述振動(dòng)電機(jī)主體，所述軸被布置成響應(yīng)于所述振動(dòng)電機(jī)主體在至少一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。至少一個(gè)不均衡質(zhì)量塊連接至所述軸且可與所述軸一起移動(dòng)以響應(yīng)于所述軸的移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生人可檢測(cè)的振動(dòng)。
文檔編號(hào)H02N2/00GK102792578SQ201180012965
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
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