驱动包括线圈和移动块的便携式物体用振动器件的方法

专利名称：驱动包括线圈和移动块的便携式物体用振动器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动便携式物体所用的振动器件的方法。振动器件包括移动质量块和环形线圈，该环形线圈电-磁耦合到该移动质量块上由此使其振荡。该振动器件特别可以用做无声警报或用于表示电话呼叫。
背景技术：
目前已经存在振动器件的若干实施方式能够实现特别是无声警报的功能，以便装配到小尺寸的便携式物体中，如手提电话、常规的个人数字助理、寻呼机或手表。这些振动器件中的至少一个线圈可以被电激励，从而激励质量块，以便产生可以被携带该物体的人员感觉到的低频振动。
一般情况下，调节施加于该线圈的电信号的频率以便对应该振动器件的移动质量块的固有机械振荡频率。通过这种方式，供应最小的电能就能获得最大的振动幅度。可以通过对便携式物体进行特殊编程来控制该器件的振动，以便警告其用户有特殊事件例如报警定时、电话呼叫或类似事件的发生。
关于这一点可以引证专利文献WO 02/46847，其公开了用于驱动这种振动器件的方法。振动器件包括带有永磁体的移动质量块和线圈，该线圈电-磁耦合到移动质量块上以使其振荡。为了使移动质量块振荡，驱动电路必须在该振动器件的起动阶段之后向振动器件线圈输送矩形驱动电压脉冲，所述矩形驱动电压脉冲具有交变极性和确定长度。驱动脉冲的幅度大致对应给驱动电路供电的电池电压。
在每个驱动电压脉冲当中，线圈断开，即，使其处于高阻抗状态。在这个状态下，由于振动质量块的永磁体的运动而使线圈输送感应电压。为了调节输送给该线圈的矩形驱动脉冲的周期，在驱动电路的感应电压的每个零交叉点处进行谐振频率的测量。
这种驱动方法的一个缺陷是在处于高阻抗状态的线圈的每个断开处都可以观察到过电压，该过电压的时间常数取决于线圈的特征。这些过电压能损害电子驱动或供电电路。而且，由于这些过电压，在频率测量之前必须观察到显著的空闲周期，该空闲周期可以是几百微秒数量级的，以便不会不慎检测到零交叉点。必须观察到的这个空闲周期将振荡频率限制到低值。因此必须通过合适的装置在电路的放大比较器的输入端或者在该比较器的输出端滤除该过电压。这涉及提供具有附加电子元件的驱动电路，所述附加电子元件具有驱动移动质量块进行振荡的功能，这使所述电路的制造复杂化。
WO 02/46847的驱动方法的另一缺陷是驱动电压脉冲由基频f0和谐频f1、f2构成，这产生了功率损失以及与振荡质量块的有效驱动力相反的杂散力。因而，观察到较高的电消耗。在确定的电池电压的情况下，相对于矩形驱动脉冲的基频信号幅度处于不足电池电压三分之一的电压水平上，因此不适于较高值。

发明内容
因此本发明的主要目的是通过使用施加于振动器件的线圈的电信号而提供用于驱动振动器件的方法来克服上述缺陷，该电信号适合于防止在驱动该器件的移动质量块振荡的阶段中的过电压。而且，从该电信号除去了基频的谐波，特别是低次的谐波，这是因为只有输送给线圈的电信号的基频分量提供了有用的力。
因此本发明涉及用于驱动上述振动器件的方法，其特征在于在移动质量块周期性振荡的驱动阶段，该方法包括使用连接到振动器件线圈的端子上的驱动电路向线圈提供交变极性的连续矩形电压脉冲，在每个脉冲之间都没有中断，在每个连续振荡周期期间都按照基本相同的方式调制所述连续脉冲的宽度，以便限定出确定幅度的基本为正弦的电压波，所述电压波的基频适合于移动质量块的谐振频率。
根据本发明的方法的一个优点在于以下事实每个振荡周期内的交变极性的电压脉冲的宽度调制接近于伪正弦基频信号。因而，通过在每个振荡周期中使用这种设置的电压脉冲来限定出基本上为正弦的波，就有可能除去基频谐波。主要是除去了低次谐波(3，5，7，9)，因为它们会导致产生不希望的力。
由于移动质量块相对于振动器件的固定线圈作正弦运动，因此用由这种设置的矩形调制宽度电压脉冲限定的的基本上为正弦的波给所述线圈供电是有利的。这个正弦波的基频适合于移动质量块的谐振频率。因此这还消除了不希望的力谐振和功率损失。
应该注意的是，制成能用正弦电压波直接给振动器件的线圈供电的驱动电路是很困难的，用这种设置的连续矩形电压脉冲来限定它更容易一些。
通过用矩形电压脉冲给线圈供电而在每个脉冲当中都没有任何中断，另一优点是在周期性移动质量块振荡驱动阶段中没有过电压出现。所限定的正弦波幅度可以在每个振荡周期中作为脉冲宽度调制和质量块的函数而在接近于驱动电路的供给电压的值当中进行调节。通过这种方式，可以用交变极性的连续电压脉冲来调节移动质量块的振荡幅度。因此相对于参考WO 02/46847所公开的方法来说，可以利用这种线圈供给电信号在电功率消耗中获得增益。
优选地，为了除去谐波，交变极性的连续矩形电压脉冲设置成具有在每个振荡半周期中关于该半周期的中点的偶对称性，并且具有关于振荡周期的中点的奇对称性。有利地，可以向振动器件线圈输送每个振荡周期的14个电压脉冲，从而至少除去3和5次的谐波。


在下面参照附图对本发明的至少一个实施例的说明中更清楚地体现了用于驱动便携式物体振动器件的方法的目的、优点和特征，其中图1示出了用于实施本发明的驱动方法的振动器件的驱动电路；图2示出了为了实施本发明的驱动方法，在振动器件的移动质量块的振动设定的不同阶段中，线圈端子处的电压随时间的变化曲线；图3示出了为了实施本发明的驱动方法，在一个移动质量块振荡周期中输送给线圈的电压脉冲的宽度调制曲线；和图4a和4b示出了用于实施本发明的驱动方法的振动器件的实施例的三维图和侧视图。
具体实施例方式
在下面的说明中，构成驱动电路和振动器件的本领域技术人员所公知的所有元件将以简要方式介绍。优选地，该振动器件和驱动电路可以装配到小尺寸的便携式物体如手表上，以便通过振动器件的移动质量块的振动来提供无声警报。
在图1中示出了驱动电路1，其用于实施驱动振动器件的方法，该振动器件包括具有至少一个永磁体和一环形线圈的移动质量块。这个线圈用参考标记L表示，并在图1中示意性地示出。在驱动电路1中，该线圈经由其两个端子B1和B2连接到形成H形桥的开关元件N1、N2、P1、P2上，该H形桥将在下文中解释。
对于其电源，驱动电路1经其两个端子VBAT和VSS连接到未示出的电压源，并且所述电压源优选是能输送例如3V连续电压的电池。当使振动器件振动时，线圈L的第一端子B1和第二端子B2能为零电压(地VSS)或为电压VBAT，这取决于开关元件N1、N2、P1、P2的状态。
这些开关元件优选由四个MOS型晶体管N1、N2、P1、P2构成，它们形成H桥，以便能以双极模式控制振动器件。因此H桥包括第一支路和第二支路，它们分别包括晶体管N1和P1以及晶体管N2和P2，它们串联地安装在电压VBAT和VSS之间。更具体地说，晶体管P1和P2是P型MOS晶体管，晶体管N1和N2是N型MOS晶体管。如从图1所看到的，线圈L的第一端子B1连接到晶体管N1和P1的连接节点上，第二端子B2连接到晶体管N2和P2的连接节点。
晶体管P1、N1、P2、N2的栅极分别由信号A、B、C、D控制，所述信号A、B、C、D由逻辑电路3产生并在下文说明。
为了测量移动质量块运动时的振荡或谐振频率，该驱动电路包括由差分放大器形成的比较器2。这个频率可以在132Hz和138Hz之间。为此，线圈L的第一和第二端子B1、B2分别连接到比较器2的同相端子(正端子)和反相端子(负端子)上。当线圈设置为高阻抗状态时，这个比较器2用于在输出端放大和返回在线圈L的端子B1、B2之间测得的来自移动质量块的运动感应电压。
这个运动感应电压可靠地施加于逻辑电路3的输入端，一方面，用于产生H桥的晶体管N1、N2、P1、P2所需的控制信号A、B、C、D。这些控制信号要在线圈L处产生至少一个矩形起动电压脉冲，以及在移动质量块的周期性振荡驱动阶段产生具有交变极性和调制宽度的连续矩形电压脉冲。另一方面，逻辑电路3用于测量来自比较器2的感应电压频率。
我们不再详述逻辑电路3。本领域技术人员可以参照在这里引作参考得欧洲专利申请No.EP 0 938 034，从而获得必要的信息以允许他们在下面提供的指示的基础上具体地制成具有逻辑电路3的驱动电路1。
如图1所示，驱动电路1还有利地包括可切换分压器，其用于在比较器2的反相输入端(负输入端)施加确定电压。这个分压器在这里是电阻分压器的形式，并且当移动质量块的运动感应电压只在谐振频率测量阶段被观察到时，这个分压器形成为将比较器2的负输入端固定在确定电位上的装置。这个测量频率只有在线圈L处于高阻抗状态时才能实现，即此时晶体管N1、N2、P1和P2处于非导电状态。这个电阻分压器在其它阶段是导通的。
更具体地说，电阻分压器包括在电压VBAT和VSS之间串联设置的第一P-MOS晶体管P3、第一和第二电阻器R1和R2、以及第二N-MOS晶体管N3。电阻器R1和R2之间的连接节点连接到比较器2的反相输入端，并且晶体管P3和N3的栅极连接到逻辑电路3上。
在本实施例中，例如可以选择将比较器2反相端子的电位固定到等于VBAT/2的电压上。为此而使用了基本上等值的电阻器R1和R2。当线圈L处于高阻抗状态时，即当H桥的晶体管N1、N2、P1和P2都处于非导电状态时，通过激励晶体管P3和N3而使电阻分压器导通，并且基本上等于VBAT/2的电压施加于比较器2的反相输入端。因而，感应电压的平均值固定在这个值VBAT/2上。
通过相对于电平VBAT/2来参照移动质量块的运动感应电压，可以保证运动感应电压总是正的，其峰间幅度小于电压VBAT。在本申请所述的实施例中，应该明白，是在确定频率下采样该运动感应电压的。通过将运动感应电压的平均值固定在VBAT/2，从而所有的信号样本都是正的。
很容易理解，电阻分压器的使用不是严格必须的。还可以理解，可以用电阻分压器来固定不同于VBAT/2的平均值。这里所示的例子在希望对比较器2的输出端所产生的信号进行数字处理时是特别有利的。
在振荡频率测量阶段，可以采用与先前所述不同的测量技术。当前的测量操作可以通过扫描来进行，以获得最小电流值。
图2示意性地示出了起动振动器件来实施本发明的驱动方法的各个阶段。更具体地说，示出了振动器件线圈的端子上的电压VB12随时间的变化。在称为起动阶段的第一阶段，向线圈输送矩形起动电压脉冲。
第一起动阶段用于设置移动质量块的运动，之后是称为频率测量阶段的第二阶段，器件的移动质量块在这个阶段保持自由振荡。在这个第二阶段期间，该器件将趋于根据其固有振荡频率而振荡，以下将上述固有振荡频率称为振荡或谐振频率f0。例如可以通过这样的方法来测量该谐振频率f0，即基于穿过平均运动感应电压值的交叉点来测定由移动质量块的运动所产生的感应电压的振荡周期T0。或者，可以简单地测量信号的振荡半周期。
这个第二测量阶段不是严格必须的，这是因为如果需要的话，可以预先固定额定周期T0。然而，由于谐振频率也取决于便携式物体如手表的携带条件以及粘滞摩擦系数，因此优选使用驱动电路测量它。这个测量使得能够对输送给线圈的一组矩形电压脉冲的振荡周期进行调节。
一旦已经确定或固定了振荡周期T0，则振动器件进入称为移动质量块周期性振荡驱动阶段的第三阶段，这个阶段一直持续到该器件不再振动为止。在这个第三阶段期间，交变极性的连续矩形电压脉冲输送给线圈。脉冲的宽度是变化的或者是由振荡周期调制的，以便限定出伪正弦基频电压波。这个基频认为是对应振动器件的移动质量块的谐振频率。
图3示出了交变极性的电压脉冲的宽度调制的曲线，所述电压脉冲是为了实施根据本发明的驱动方法而在移动质量块的每个振荡周期中输送给线圈的。这种脉冲宽度调制优选在所有振荡周期中都是相同的，直到振动器件不再进行振动为止。因此这个曲线示出了按照从0到360°的角度形式限定的振荡周期T0。每个脉冲的极性反向优选由0和360°之间的特殊角度来确定，并已知被测量的谐振频率可以作为便携式物体的携带条件的函数而变化。然而，在第二阶段频率测量之后，谐振频率理论上是由振动器件的整个振动长度确定。
为了驱动根据本发明的振动器件，使用了一种方法来除去高于1次的谐波并且来监视基频幅度。实际上，如前所述，3、5、7以及更高次的谐波是在线圈中和在振动器件的铁部件中产生损耗的原因。通过除去这些谐波和监控如此限定的基频电压波，可以使其接近于具有所希望的幅度的正弦电压。
在一种简单的方式中，在以从0到360°的角度形式限定的限定振荡时间周期内，通过如图2所示的脉冲宽度调制或伪调制可以除去特别是3次和5次谐波。振荡周期在每个振荡半周期T0/2或180°中具有关于半周期T0/4或90°的中点的偶对称性。这个振荡周期具有关于振荡周期的中点即关于T0/2或180°的奇脉冲对称性。在第一个半周期期间内，对于连续矩形脉冲，在角度值α1、α2和α3以及(180°-α3)、(180°-α2)和(180°-α1)处出现极性反向。第二个半周期是在第一个半周期的角度基础上限定的但是具有相反极性的脉冲。这种波形去除了离散数量的谐波，同时实现了确定的基频波幅度。
在以下的表中，作为由曲线SF表示限定的基频正弦波的所期望幅度的函数而示出了各个角度值。基频幅度可以在电池电压的1.06和0.5倍之间变化，这取决于选择的角度值


通过选择基频幅度，即选择由交变极性的矩形电压脉冲的宽度调制所限定的正弦波的幅度，还可以调整振动器件的移动质量块的振荡幅度。这在某些结构的便携式物体中是希望的，如在小体积的手表中。利用作为所希望的基频幅度的函数来确定的角度表，很容易作为振荡频率值的函数使用三参数规则来计算每个脉冲的宽度时间值。这个振荡频率可以在125到140Hz范围内，优选例如在135Hz数量级。
图4a和4b示出了用于实施根据本发明的驱动方法的振动器件10的实施例。所示的振动器件是半音圈型(half Voice Coil type)。振动器件10首先包括环形平面线圈L，它在边缘处固定到非磁性结构5上，在非磁性结构5的下面露出两个线圈连接端子B1和B2。该器件还包括由磁性结构构成的移动质量块13a、13b、6和15，该移动质量块使用弹簧元件14连接到非磁性结构上同时与线圈没有任何机械接触。
移动质量块的磁性结构包括铁磁板6，在铁磁板6上固定两个相邻的永磁体13a和13b，这两个磁体13a和13b具有相反的磁化方向并且分别面向线圈直径方向上的两个相反部分。该磁体产生磁场B，该磁场在沿着Y轴的方向上进入铁磁板6。当用连续矩形电压脉冲向线圈通电时，在线圈部分中流经的电流在Z轴的方向上基本上垂直于磁场B。因而，在沿着轴X的方向上产生拉普拉斯力，以便使得移动质量块在基本上垂直于线圈L的轴线的平面内、在0+和0-所示的方向上进行振动。
为了获得较大的质量，可以将补充质量板15设置在铁磁板6上。这个补充板15可以由如黄铜或钨材料制成。
用来保持移动质量块的弹簧元件14包括基条14c以及与该基条成一体并设置在基条的相反两侧上的两个条状弹簧14a和14b，用两个螺栓17经由非磁性板5’将该基条14c固定在非磁性结构5上。条状弹簧14a和14b相对于基条14c垂直设置，使得横截面形成U形。未示出的端部条在基条的对面将条状弹簧14a和14b的端部连接起来。这个端部条上固定了铁磁条6的一部分，并且处于与基条基本上平行的平面中。
铁磁板6和补充板15设置在条状弹簧14a和14b之间，它们与每个条状弹簧可以有或没有任何直接接触。优选地，铁磁板6和补充板15的高度小于每个条状弹簧14a和14b的高度。条状弹簧14a和14b每一个都可以各包括两个纵向横槽8，横槽8的尺寸选择成可以调节振动器件的理论谐振频率。由于这个频率调节，该振动器件驱动电路可以是相对简单设计的电路。
利用在图4a和4b中所示的振动器件，该线圈的电感远小于如在文献EP0625738中所述在将线圈安装在铁磁支撑组件上的情况下的线圈电感。该电感值可以为1到1.5mH数量级，而在将线圈安装在铁磁支撑组件上的情况下，这个电感值可以为50mH数量级。由于该低电感，主要与互感磁线圈通量相联系的感应电压也更低了，并且在振荡频率测量阶段中线圈的任何过电压都非常低，而不会损坏驱动电路。特别是用于装配到手表上的这种振动器件的尺寸可以是10mm长、4mm宽和2mm高。
当然，该驱动方法还可以适用于如在EP0625738中所述的振动器件。利用这种振动器件驱动方法，可以不必为驱动电路装配任何过滤元件，这简化了所述电路的制造并可以减少电功耗。
从前面给出的说明来说，在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以设想出该振动器件驱动方法的多个修改方案。为了重新调振荡频率，在振荡驱动阶段过程中，线圈可以设置在高阻抗状态。在基频正弦波的每个周期中，为了除去较高次的谐波，可以提供较高数量的调制脉冲。在将线圈设置在高阻抗状态之前，可以在起动阶段设置两个或几个不同极性的连续矩形脉冲。
权利要求
1.一种用于驱动便携式物体的振动器件(10)的方法，该器件包括移动质量块(6、13a、13b、15)和线圈(L)，所述线圈电磁耦合到移动质量块上，以使所述质量块振动，其特征在于在驱动移动质量块作周期性振荡的阶段，该方法包括使用连接到振动器件线圈的端子(B1、B2)上的驱动电路(1)向线圈提供交变极性的连续矩形电压脉冲，在每个脉冲之间都没有中断，在每个连续振荡周期期间都按照基本相同的方式调制所述连续脉冲的宽度，以便限定出确定幅度的基本上为正弦的电压波(SP)，所述电压波(SP)的基频适合于移动质量块的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的驱动方法，其中，所述驱动电路包括在第一支路中串联安装在电压源的第一和第二供给端子(VBAT、VSS)之间的第一和第二开关元件(P1、N1)、以及在第二支路中串联安装在所述两个电源供给端子之间的第三和第四开关元件(P2、N2)，以便形成具有所述线圈的H桥；所述线圈的第一端子连接到第一和第二开关元件的连接节点上，所述线圈的第二端子连接到第三和第四开关元件的连接节点上；所述驱动电路还包括向开关元件输送控制信号(A、B、C、D)的逻辑电路(3)，以便交替地打开第一和第四开关元件(N1、P2)与第二和第三开关元件(N2、P1)，从而向线圈提供交变极性的连续矩形电压脉冲，其特征在于所述交变极性的连续电压脉冲的幅度基本上等于由电压源提供的连续电压值，并且在每个振荡周期期间利用相同的方式调制所述交变极性的连续电压脉冲的宽度，以便作为基频正弦电压波的幅度的函数来调整移动质量块的振荡幅度，所述基频限定成使其幅度适合于便携式物体的携带条件，以便在粘滞摩擦系数增加或减小时增加或减小基频波幅度。
3.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，所述交变极性的连续矩形电压脉冲设置成在每个振荡半周期中具有关于所述半周期的中点的偶对称性、以及在每个振荡周期中具有关于振荡周期的中点的奇对称性。
4.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，该方法包括在初始静止的移动质量块的起动阶段提供矩形电压脉冲，并且在所述矩形起动脉冲结束时，通过驱动电路(1)将线圈(L)设置在高阻抗状态，以便借助由移动质量块相对于线圈的运动而在线圈中产生的感应电压来测量移动质量块(6、13a、13b、15)的振荡频率，所述移动质量块包括至少一个永磁体(13a、13b)。
5.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征在于，在驱动移动质量块作周期性振荡的阶段，该方法包括对于每个振荡周期，向振动器件(10)的线圈(L)提供N个交变极性的连续脉冲，N是高于6的偶数。
6.根据权利要求5所述的驱动方法，其特征在于，在从0到360°限定的振荡周期内，给线圈提供14个交变极性的连续矩形电压脉冲，从该周期开始在时刻或角度α1处出现第一和第二脉冲之间的第一极性反向，在大于α1的时刻或角度α2处出现第二和第三脉冲之间的第二极性反向，在大于α2而小于90°的时刻或角度α3处出现第三和第四脉冲之间的第三极性反向，在等于180°-α3的时刻或角度处出现第四和第五脉冲之间的第四极性反向，在等于180°-α2的时刻或角度处出现第五和第六脉冲之间的第五极性反向，在等于180°-α1的时刻或角度处出现第六和第七脉冲之间的第六极性反向，从180°到360°限定的第二半周期中的第八到第十四脉冲是通过第一半周期脉冲关于180°的奇对称性获得的。
全文摘要
该驱动方法包括使用提供给振动器件的线圈的一系列电压脉冲对便携式物体的振动器件的移动质量块的运动进行设置，所述线圈电磁耦合到移动质量块上。在振动器件的起动阶段以及后面的谐振频率测量阶段之后的驱动移动质量块的振荡的阶段，通过驱动电路向线圈提供交变极性的连续矩形电压脉冲。在每个连续振荡周期期间利用基本相同的方式调制连续脉冲的宽度，这允许限定确定幅度的基本上为正弦的电压波(SF)，其基频适合于移动质量块的谐振频率。通过修改振荡周期，可以作用于移动质量块振荡的幅度，这取决于由矩形脉冲宽度调制所限定的正弦波幅度。
文档编号B06B1/02GK1787347SQ20051012945
公开日2006年6月14日 申请日期2005年12月8日 优先权日2004年12月9日
发明者D·塔赫佐特 申请人:伊塔瑞士钟表制造股份有限公司