一种谐振型压电手机X轴线性马达及振动方法

本发明属于压电手机马达，尤其涉及一种谐振型压电手机x轴线性马达及振动方法。

背景技术：

1、手机中都装有的振动马达，是通过振动给用户反馈信息的装置。线性谐振电磁马达比偏心转子马达具有震感强烈优点，受到用户的青睐。线性谐振电磁马达，由交变电流通过线圈产生交变磁场,由磁场带动含有永磁铁的动子（质量块）来回移动，让质量块来回移动过程中产生惯性冲击力，从而达到振动效果。惯性冲击力公式为f=-ma，其中m为质量块的质量，a为质量块的加速度。

2、手机内部空间寸土寸金，要求手机马达在实现强震感时，手机马达的体积越小越好。线性谐振电磁马达采用了体积小的电磁线圈（电磁线圈的圈数为n时，使用了非常细的漆包线绕成电磁线圈），实现体积小、震感强（输入电信号相同、质量块相同）。目前手机中的线性谐振电磁马达体积约为300—500立方毫米。

3、现有的线性谐振电磁马达具有如下不足：

4、（1）为获得较为强烈的震感，需要线圈产生足够强的磁场，容易产生电磁干扰，严重的甚至会影响到周围用电设备的信号，导致对屏蔽结构以及其他构件抗干扰的要求非常高。

5、（2）谐振型马达的质量块的振幅响应曲线如图1所示，质量块由小振幅逐渐增大，经过十几个周期才能90%的最大振幅，存在启动响应时间（第一次到达90%最大振幅的时间）比较长的问题。这种谐振方式的手机马达优点就是震感强（谐振状态比非谐振状态的震感强太多），缺点是启动响应时间比较长。

6、由于压电元件具有频率响应快、无电磁干扰特点，压电手机马达的研究受到的广泛的关注。压电手机马达的工作原理是压电元件在电信号激励下，带动质量块振动，质量块在振动过程中产生惯性冲击力，从而达到振动效果。压电元件的驱动能力越强，马达的震感也越强。

7、压电元件的驱动能力取决于压电元件的体积和驱动电压的大小。在相同的驱动电信号作用下，压电元件的体积越大，驱动力越强，质量块的加速度a就越大，手机震感就越强。例如使用薄膜型的压电元件（材料参数、厚度相同时），横截面积大的薄膜压电元件产生的力就越大（在相同电磁信号激励下）；使用压电叠堆时（材料参数、长度相同时），横截面积大的压电叠堆产生的力就越大（在相同电磁信号激励下）。当压电元件体积一定时，驱动电压越大，驱动力越强，质量块的加速度a就越大，手机震感就越强。与线性谐振电磁马达相比，压电手机马达工作过程中不会产生电磁干扰，但现有的压电手机马达很难真正得到应用，主要有以下原因：

8、（1）现有的压电马达为实现震感强，采用的是谐振型，启动响应时间（第一次到达90%最大振幅的时间）比较长。虽然压电元件的响应速度非常快，但质量块的振幅响应曲线也会如图1所示，质量块由小振幅逐渐增大，经过十几个周期才能90%的最大振幅，存在启动响应时间比较长的问题。

9、（2）现有的压电手机马达的驱动电压较大，所使用的功率放大器的体积太大，无法封装在手机内部。目前多数压电手机马达的驱动电压均在100伏（峰值）甚至以上，如申请号为202010462788.3的双振子夹芯构型式压电马达及其控制方式，其说明书中描述的驱动电压信号为150伏-300伏（峰值）之间。手机主板上输出端口的电压通常为5伏（峰值），可以通过功率放大器将电压放大到100伏（峰值）及其以上，但会占用手机主板较多资源。驱动电压信号为 30 伏（峰值）电压左右较为适宜。

10、（3）现有的压电手机马达厚度能做到3mm及其以下，可以满足手机厚度薄的要求，但整体体积超过了500立方毫米。随着现在手机功能越来越多，手机内部需要封装的器件也越来越多，导致手机内部空间“寸土寸金”，给手机马达能留的空间很小（约为300—500立方毫米），体积大（超过500立方毫米）的压电手机马达体积无法满足现有手机对马达空间小的要求。

11、现有的压电谐振型手机马达在实现强震感时，无法兼顾体积小、驱动电压低、响应速度快的要求。

技术实现思路

1、本发明目的在于解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种谐振型压电手机x轴线性马达及振动方法，能够实现强震感的同时兼顾体积小、驱动电压低、响应速度快的要求。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种谐振型压电手机x轴线性马达，其特征在于：包括壳体、第一压电元件、第二压电元件和弹性件，壳体内部形成有容纳腔以容纳第一压电元件、第二压电元件和弹性件，弹性件的一侧固定于壳体上，弹性件的另一侧与第一压电元件相连接，第二压电元件设于弹性件的侧部。

4、进一步地，第一压电元件设有质量块，第一压电元件的一端与弹性件固定连接，第一压电元件的另一端与质量块固定连接。

5、进一步地，第一压电元件包括若干个压电陶瓷片，若干个压电陶瓷片以压电叠堆的方式逐层叠设以在驱动信号的激励作用下产生振动。

6、进一步地，驱动信号的频率等于弹性件的谐振频率时，第一压电元件在驱动信号的激励作用下产生振动，质量块与第一压电元件组成总质量块在弹性件上产生谐振。

7、进一步地，弹性件和第一压电元件之间设有连接块以连接弹性件和第一压电元件。

8、进一步地，连接块呈“l”型，连接块的窄端与弹性件固定连接，连接块的宽端与第一压电元件固定连接。

9、进一步地，第二压电元件的数量至少为两个且分别设于弹性件的两侧。

10、进一步地，壳体包括多块侧板，侧板之间相互卡合连接。

11、本发明还公开了一种谐振型压电手机x轴线性马达的振动方法，其特征在于包括如下步骤：

12、s1、第一压电元件的正极与弹性件一侧的第二压电元件的正极相连，第一压电元件的负极与弹性件一侧的第二压电元件的负极相连接，驱动信号的一端连接至第一压电元件的正极，另一端连接至第一压电元件的负极，弹性件一侧的第二压电元件与另一侧的压电元件采用传统压电双晶片接线方式；

13、s2、第一压电元件和第二压电元件同时通电，产生耦合振动，当交变电场信号的频率等于弹性件的谐振频率时，第一压电元件与质量块组成的总质量块在弹性件的上端部产生谐振，同时第二压电元件的振动与总质量块的谐振耦合。

14、进一步地，步骤s1中，作为一种替代方式，驱动信号的一端连接至弹性件一侧的第二压电元件的正极，另一端连接至弹性件一侧的第二压电元件的负极。

15、本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

16、（1）第一压电元件是主要驱动元件，其体积约为压电手机马达体积60%，可以在低压的驱动电场信号下，产生大的驱动力。因此本发明的驱动电场的电压低，所需的功率放大器体积小，能够封装到手机内部。

17、（2）第一压电元件是手机马达的总质量块的主要部分，与质量块一起组成手机马达的总质量块。质量块体积约为压电手机马达体积20%，则总质量块体积（第一压电元件的体积+质量块的体积）约为压电手机马达体积80%。第一压电元件的材料为压电陶瓷（压电陶瓷的密度约为7.5 g/cm3），质量块5的材料为钢材（钢材的密度约为7.8 g/cm3）。压电陶瓷的密度与钢材的密度大小相差很小，压电手机马达其余部件材料的密度与钢材的密度大小相差很小，则总质量块的质量m很大，约为压电手机马达质量80%。

18、（3）当驱动电场信号频率等于弹性件的谐振频率时，总质量块（第一压电元件和质量块）在弹性件上谐振，总质量块的振幅大，总质量块的加速度a大。总质量的质量m很大（约为压电手机马达质量80%），加速度a又大（谐振的加速度大），产生的惯性冲击力（f=-ma）大，手机震感强烈。

19、（4）体积大的第一压电元件既是主要驱动元件，又是手机马达的总质量块的主要部分。本发明在实现强烈震感，减少了约60%体积（与第一压电元件仅作为驱动元件/总质量的一部分，相当于减少了一个第一压电元件的体积）。本发明实现了体积小，能满足智能手机对马达体积小的要求。

20、（5）启动时，第二压电元件在低压电场信号（与第一压电元件共用同一个驱动电场信号）作用下，产生弯曲振动变形，与第一压电元件的振动耦合，可以提高启动响应速度，减小启动响应时间。