摘要：梳理了手機(jī)用振動(dòng)電機(jī)發(fā)展趨勢中新出現(xiàn)的幾種電機(jī)類型，分別分析了它們的優(yōu)劣勢，并統(tǒng)計(jì)了相關(guān)的專利信息，以期能夠?qū)κ謾C(jī)用振動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：手機(jī);直流無刷振動(dòng)電機(jī);線性振動(dòng)電機(jī);多功能振動(dòng)揚(yáng)聲器

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，手機(jī)作為溝通、娛樂工具已經(jīng)成為人手一臺(tái)的電子產(chǎn)品。人們在使用手機(jī)的某些場合中，對消息進(jìn)行通知和提醒時(shí)，需要使用振動(dòng)這種不會(huì)影響他人的方式來提示用戶。而如何利用振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)對用戶進(jìn)行可靠提示和真實(shí)反饋已成為手機(jī)行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。早期的手機(jī)用振動(dòng)電機(jī)基本上都采用旋轉(zhuǎn)偏心電機(jī)結(jié)構(gòu)，該電機(jī)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上增加一個(gè)不平衡的配重塊或偏心輪，通過電刷驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生振動(dòng)。根據(jù)其外觀結(jié)構(gòu)，該種類型的手機(jī)用振動(dòng)電機(jī)可以分為柱狀和紐扣狀兩種常見結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)的振動(dòng)電機(jī)在小型輕量化、低耗電和耐沖擊性能等方面取得了不小的技術(shù)進(jìn)步，例如振動(dòng)電機(jī)的外徑尺寸已從？準(zhǔn)6 mm減小到了？準(zhǔn)4 mm和？準(zhǔn)3 mm，重量從1.2 g左右減少到了0.4 g左右;通過高占空比的繞線和優(yōu)化磁場強(qiáng)度，使振動(dòng)電機(jī)的耗電顯著降低;提高電機(jī)內(nèi)部各部件之間連接的牢固程度，優(yōu)化電機(jī)連接部件的機(jī)械強(qiáng)度等。然而，該種類型的振動(dòng)電機(jī)鑒于其自身的結(jié)構(gòu)和工作原理，還存在一些缺陷，例如響應(yīng)時(shí)間慢、功耗大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差、產(chǎn)生噪聲、壽命較短等。為了消除這些缺陷，如今相繼出現(xiàn)了直流無刷振動(dòng)電機(jī)、線性振動(dòng)電機(jī)、電致伸縮振動(dòng)器、多功能振動(dòng)揚(yáng)聲器等。

1 直流無刷振動(dòng)電機(jī)

該類型的電機(jī)雖然仍屬于旋轉(zhuǎn)偏心電機(jī)結(jié)構(gòu)，永久磁鐵固定到轉(zhuǎn)子上，定子上布置有柔性電路板、驅(qū)動(dòng)IC、線圈和傳感器等，但該種電機(jī)采用傳感器感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場變化并使驅(qū)動(dòng)IC對線圈中的電流進(jìn)行換向。直流無刷振動(dòng)電機(jī)由于不是采用接觸式電刷實(shí)現(xiàn)電流的換向，從而不需要考慮電刷與線圈接線端之間的接觸可靠度、電刷磨損、由于電刷摩擦而產(chǎn)生溫升等一系列問題。同時(shí)，它由于不需要電刷這個(gè)換向部件，因而能進(jìn)一步減小振動(dòng)電機(jī)的內(nèi)部空間，降低電機(jī)的組裝難度等。此外，由于直流無刷振動(dòng)電機(jī)中使用了驅(qū)動(dòng)IC芯片，因此可將電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對外輸出，方便外部對振動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)[1]。

2 線性振動(dòng)電機(jī)

線性振動(dòng)電機(jī)由于具有振感可調(diào)節(jié)、成本較低、體積小等優(yōu)勢，漸漸成了替代旋轉(zhuǎn)偏心電機(jī)的市場主流電機(jī)。線性振動(dòng)電機(jī)由彈簧、質(zhì)量塊、永久磁鐵和線圈等組成，工作原理是在線圈上通入交流電或脈沖電流，使線圈產(chǎn)生的磁場不斷變化，從而與包含質(zhì)量塊和永久磁鐵的振動(dòng)單元產(chǎn)生的磁場相互作用，使振動(dòng)單元做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)。

我國針對線性振動(dòng)電機(jī)進(jìn)行大量研究的企業(yè)主要有兩個(gè)，分別是歌爾股份有限公司和瑞聲科技有限公司。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，歌爾股份有限公司從2010年以來在中國就手機(jī)用線性振動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行的發(fā)明和實(shí)用新型專利申請已有200多件，其中授權(quán)的發(fā)明專利有53件，授權(quán)的實(shí)用新型專利有151件，由此看出，歌爾股份有限公司已經(jīng)在線性振動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域形成了一定的技術(shù)壁壘。同時(shí)，瑞聲科技有限公司作為全球精密制造的龍頭企業(yè)，也在手機(jī)用線性振動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域做出了不小的技術(shù)貢獻(xiàn)。截至目前，瑞聲科技在中國就該領(lǐng)域進(jìn)行的發(fā)明和實(shí)用新型專利申請有100多件，其中授權(quán)的發(fā)明專利有24件，授權(quán)的實(shí)用新型專利有84件。除了上述兩個(gè)企業(yè)，在中國專利申請方面活躍的企業(yè)還有三星電機(jī)株式會(huì)社、金龍機(jī)電股份有限公司、日本電產(chǎn)科寶株式會(huì)社以及四川安和精密電子電器有限公司等。

目前在線性振動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域的研究主要集中在：彈簧的結(jié)構(gòu)和性能，防止彈簧因損耗、材料、溫度波動(dòng)或其他環(huán)境因素變化而發(fā)生改變;空間結(jié)構(gòu)的布局，以減小線性振動(dòng)電機(jī)的尺寸;磁路的設(shè)計(jì)，以增大電機(jī)的振動(dòng)量;線性振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)頻率與諧振頻率的調(diào)節(jié)，以防止效率和性能的降低[2]等方面。

3 壓電振動(dòng)電機(jī)

將壓電技術(shù)應(yīng)用到手機(jī)振動(dòng)器領(lǐng)域，是近幾年才發(fā)展起來的。壓電振動(dòng)電機(jī)一般采用長條形的薄片或薄的圓盤壓電材料，在薄片或薄盤上安裝重錘，利用壓電材料在通電后收縮或膨脹的特性驅(qū)動(dòng)重錘進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)偏心振動(dòng)電機(jī)和常見的線性振動(dòng)電機(jī)相比，壓電振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)速度較快。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)偏心振動(dòng)電機(jī)和線性振動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為30～60 ms，而壓電振動(dòng)電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間可以縮短至10 ms以內(nèi)[3]。響應(yīng)時(shí)間的縮短，使手機(jī)用戶可以體驗(yàn)到更快速、振動(dòng)類型更豐富的觸覺。

壓電振動(dòng)電機(jī)由于具備響應(yīng)優(yōu)勢，國內(nèi)外一些手機(jī)部件的制造商紛紛投入了研究。三星電機(jī)株式會(huì)社在2012開始在壓電振動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域開始申請了一系列相關(guān)專利[4];日本知名電子品牌TDK集團(tuán)于2016年推出了壓電振動(dòng)執(zhí)行器[5];瑞聲科技有限公司從2009年開始也加大了對手機(jī)壓電振動(dòng)電機(jī)的研究[6]，申請了40多件相關(guān)專利。

目前，壓電振動(dòng)電機(jī)還有一些技術(shù)難點(diǎn)沒有攻克，距離市場應(yīng)用還存在一段距離。例如，壓電振動(dòng)電機(jī)的電壓等級要求比較高，壓電振動(dòng)電機(jī)很難在低電壓狀態(tài)下產(chǎn)生足夠的振感和反饋效果;壓電振動(dòng)電機(jī)的工藝精度要求比較高;壓電材料的選擇比較有限等。

4 多功能振動(dòng)揚(yáng)聲器

在21世紀(jì)初期，手機(jī)內(nèi)一般都具備微型揚(yáng)聲器和振動(dòng)器這兩個(gè)電子部件，微型揚(yáng)聲器是將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號，而振動(dòng)器主要用于將電信號轉(zhuǎn)換為振動(dòng)信號，在某些場合為用戶提供消息提醒和使用反饋功能。然而，隨著電子產(chǎn)品向小型輕量化方向發(fā)展，對手機(jī)的空間利用率要求越來越高，有一些企業(yè)[7-9]提出，將手機(jī)中的微型揚(yáng)聲器和振動(dòng)器集為一體，形成多功能振動(dòng)揚(yáng)聲器，使其兼有揚(yáng)聲器和振動(dòng)電機(jī)的功能。該種多功能振動(dòng)揚(yáng)聲器一般將傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的磁路系統(tǒng)通過彈簧等彈性部件懸掛起來，使得整個(gè)磁路系統(tǒng)能夠振動(dòng)。當(dāng)音頻驅(qū)動(dòng)信號施加到揚(yáng)聲器振膜上的線圈時(shí)，線圈與磁路系統(tǒng)中的磁體相互作用使振膜振動(dòng)而產(chǎn)生聲音;當(dāng)?shù)皖l的振動(dòng)信號施加到振膜上的線圈時(shí)，線圈與磁路系統(tǒng)中磁體的相對位置發(fā)生變化，使得由彈簧支撐的整個(gè)磁路系統(tǒng)產(chǎn)生彈性振動(dòng)，從而將振動(dòng)信號傳遞到外殼，使用戶能接收到振動(dòng)信號的提醒。

雖然將振動(dòng)器和揚(yáng)聲器合二為一，能節(jié)省手機(jī)的內(nèi)部空間，減少組裝工序，節(jié)約生產(chǎn)成本等，但是由于磁路系統(tǒng)是被彈簧懸掛起來的，內(nèi)部磁場的穩(wěn)定性稍差、振膜的靈敏度低、聲音質(zhì)量差等，且振感也相對于獨(dú)立的振動(dòng)器要弱一些。目前多功能振動(dòng)揚(yáng)聲器的研究主要集中在：使振動(dòng)部分和揚(yáng)聲部分合理布局，改進(jìn)懸掛彈簧的性能，改變信號的控制方法，使得高低頻信號能分別產(chǎn)生精準(zhǔn)的音頻或振動(dòng)信號等。

5 結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步，手機(jī)用振動(dòng)電機(jī)除了追求小型輕量化、低耗電和耐沖擊外，多元化振動(dòng)方式、自適應(yīng)調(diào)節(jié)振動(dòng)以及較快的響應(yīng)速度，也漸漸納入到人們對手機(jī)振動(dòng)電機(jī)的要求中。以上是手機(jī)用振動(dòng)電機(jī)發(fā)展新趨勢中幾種比較常見的類型，作為重要的信息提示和反饋方式，手機(jī)用振動(dòng)電機(jī)領(lǐng)域?qū)?huì)迎來更進(jìn)一步的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 黃江城.DC無刷微馬達(dá)創(chuàng)新思維——微型無刷振動(dòng)馬達(dá)趨勢發(fā)展[C]//第十一屆中國小電機(jī)技術(shù)研討會(huì)論文集，2006：41-46.

[2] 楊化新.新型手機(jī)振動(dòng)器[C]//第二十六屆中國（天津）2012IT、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)、電子、儀器儀表創(chuàng)新學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2012：199-202.

[3] 李洪洋.壓電振動(dòng)馬達(dá)優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2018.

[4] 三星電機(jī)株式會(huì)社.用于產(chǎn)生振動(dòng)的裝置：CN103856100A[P].2014-06-11.

[5] TDK株式會(huì)社.畫像表示デバイス：JP2012108402A[P].2012-06-07.

[6] 瑞聲聲學(xué)科技（常州）有限公司.壓電振動(dòng)器：CN201200971Y[P].2009-03-04.

[7] 株式會(huì)社西鐵城電子.多功能揚(yáng)聲器：CN1658708A[P].2005-08-24.

[8] 歌爾聲學(xué)股份有限公司.振動(dòng)揚(yáng)聲器：CN203193879U[P].2013-09-11.

[9] 共達(dá)電聲股份有限公司.振動(dòng)揚(yáng)聲器：CN209448890U[P].2019-09-27.

收稿日期：2020-06-05

作者簡介：韋曉娟（1982—），女，廣西人，助理研究員，從事專利審查工作。