手机用振动电机的技术发展新趋势

摘要：梳理了手机用振动电机发展趋势中新出现的几种电机类型，分别分析了它们的优劣势，并统计了相关的专利信息，以期能够对手机用振动电机的设计提供有益的参考。

关键词：手机;直流无刷振动电机;线性振动电机;多功能振动扬声器

0 引言

随着科技的飞速发展，手机作为沟通、娱乐工具已经成为人手一台的电子产品。人们在使用手机的某些场合中，对消息进行通知和提醒时，需要使用振动这种不会影响他人的方式来提示用户。而如何利用振动电机产生振动对用户进行可靠提示和真实反馈已成为手机行业关注的焦点。早期的手机用振動电机基本上都采用旋转偏心电机结构，该电机在电机转子上增加一个不平衡的配重块或偏心轮，通过电刷驱动转子做旋转运动从而产生振动。根据其外观结构，该种类型的手机用振动电机可以分为柱状和纽扣状两种常见结构。这两种结构的振动电机在小型轻量化、低耗电和耐冲击性能等方面取得了不小的技术进步，例如振动电机的外径尺寸已从？准6 mm减小到了？准4 mm和？准3 mm，重量从1.2 g左右减少到了0.4 g左右;通过高占空比的绕线和优化磁场强度，使振动电机的耗电显著降低;提高电机内部各部件之间连接的牢固程度，优化电机连接部件的机械强度等。然而，该种类型的振动电机鉴于其自身的结构和工作原理，还存在一些缺陷，例如响应时间慢、功耗大、结构稳定性较差、产生噪声、寿命较短等。为了消除这些缺陷，如今相继出现了直流无刷振动电机、线性振动电机、电致伸缩振动器、多功能振动扬声器等。

1 直流无刷振动电机

该类型的电机虽然仍属于旋转偏心电机结构，永久磁铁固定到转子上，定子上布置有柔性电路板、驱动IC、线圈和传感器等，但该种电机采用传感器感应转子磁场变化并使驱动IC对线圈中的电流进行换向。直流无刷振动电机由于不是采用接触式电刷实现电流的换向，从而不需要考虑电刷与线圈接线端之间的接触可靠度、电刷磨损、由于电刷摩擦而产生温升等一系列问题。同时，它由于不需要电刷这个换向部件，因而能进一步减小振动电机的内部空间，降低电机的组装难度等。此外，由于直流无刷振动电机中使用了驱动IC芯片，因此可将电机的运转参数对外输出，方便外部对振动电机的运行状态进行控制和调节[1]。

2 线性振动电机

线性振动电机由于具有振感可调节、成本较低、体积小等优势，渐渐成了替代旋转偏心电机的市场主流电机。线性振动电机由弹簧、质量块、永久磁铁和线圈等组成，工作原理是在线圈上通入交流电或脉冲电流，使线圈产生的磁场不断变化，从而与包含质量块和永久磁铁的振动单元产生的磁场相互作用，使振动单元做往复直线运动而产生振动。

我国针对线性振动电机进行大量研究的企业主要有两个，分别是歌尔股份有限公司和瑞声科技有限公司。经统计，歌尔股份有限公司从2010年以来在中国就手机用线性振动电机领域进行的发明和实用新型专利申请已有200多件，其中授权的发明专利有53件，授权的实用新型专利有151件，由此看出，歌尔股份有限公司已经在线性振动电机领域形成了一定的技术壁垒。同时，瑞声科技有限公司作为全球精密制造的龙头企业，也在手机用线性振动电机领域做出了不小的技术贡献。截至目前，瑞声科技在中国就该领域进行的发明和实用新型专利申请有100多件，其中授权的发明专利有24件，授权的实用新型专利有84件。除了上述两个企业，在中国专利申请方面活跃的企业还有三星电机株式会社、金龙机电股份有限公司、日本电产科宝株式会社以及四川安和精密电子电器有限公司等。

目前在线性振动电机领域的研究主要集中在：弹簧的结构和性能，防止弹簧因损耗、材料、温度波动或其他环境因素变化而发生改变;空间结构的布局，以减小线性振动电机的尺寸;磁路的设计，以增大电机的振动量;线性振动器驱动频率与谐振频率的调节，以防止效率和性能的降低[2]等方面。

3 压电振动电机

将压电技术应用到手机振动器领域，是近几年才发展起来的。压电振动电机一般采用长条形的薄片或薄的圆盘压电材料，在薄片或薄盘上安装重锤，利用压电材料在通电后收缩或膨胀的特性驱动重锤进行往复运动，从而产生振动。

与传统的旋转偏心振动电机和常见的线性振动电机相比，压电振动电机的振动响应速度较快。传统的旋转偏心振动电机和线性振动电机的响应时间为30～60 ms，而压电振动电机的响应时间可以缩短至10 ms以内[3]。响应时间的缩短，使手机用户可以体验到更快速、振动类型更丰富的触觉。

压电振动电机由于具备响应优势，国内外一些手机部件的制造商纷纷投入了研究。三星电机株式会社在2012开始在压电振动电机领域开始申请了一系列相关专利[4];日本知名电子品牌TDK集团于2016年推出了压电振动执行器[5];瑞声科技有限公司从2009年开始也加大了对手机压电振动电机的研究[6]，申请了40多件相关专利。

目前，压电振动电机还有一些技术难点没有攻克，距离市场应用还存在一段距离。例如，压电振动电机的电压等级要求比较高，压电振动电机很难在低电压状态下产生足够的振感和反馈效果;压电振动电机的工艺精度要求比较高;压电材料的选择比较有限等。

4 多功能振动扬声器

在21世纪初期，手机内一般都具备微型扬声器和振动器这两个电子部件，微型扬声器是将电信号转换为声音信号，而振动器主要用于将电信号转换为振动信号，在某些场合为用户提供消息提醒和使用反馈功能。然而，随着电子产品向小型轻量化方向发展，对手机的空间利用率要求越来越高，有一些企业[7-9]提出，将手机中的微型扬声器和振动器集为一体，形成多功能振动扬声器，使其兼有扬声器和振动电机的功能。该种多功能振动扬声器一般将传统扬声器的磁路系统通过弹簧等弹性部件悬挂起来，使得整个磁路系统能够振动。当音频驱动信号施加到扬声器振膜上的线圈时，线圈与磁路系统中的磁体相互作用使振膜振动而产生声音;当低频的振动信号施加到振膜上的线圈时，线圈与磁路系统中磁体的相对位置发生变化，使得由弹簧支撑的整个磁路系统产生弹性振动，从而将振动信号传递到外壳，使用户能接收到振动信号的提醒。

虽然将振动器和扬声器合二为一，能节省手机的内部空间，减少组装工序，节约生产成本等，但是由于磁路系统是被弹簧悬挂起来的，内部磁场的稳定性稍差、振膜的灵敏度低、声音质量差等，且振感也相对于独立的振动器要弱一些。目前多功能振动扬声器的研究主要集中在：使振动部分和扬声部分合理布局，改进悬挂弹簧的性能，改变信号的控制方法，使得高低频信号能分别产生精准的音频或振动信号等。

5 结语

随着科技的进步，手机用振动电机除了追求小型轻量化、低耗电和耐冲击外，多元化振动方式、自适应调节振动以及较快的响应速度，也渐渐纳入到人们对手机振动电机的要求中。以上是手机用振动电机发展新趋势中几种比较常见的类型，作为重要的信息提示和反馈方式，手机用振动电机领域将会迎来更进一步的发展。

[参考文献]

[1] 黄江城.DC无刷微马达创新思维——微型无刷振动马达趋势发展[C]//第十一届中国小电机技术研讨会论文集，2006：41-46.

[2] 杨化新.新型手机振动器[C]//第二十六屆中国（天津）2012IT、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议论文集，2012：199-202.

[3] 李洪洋.压电振动马达优化设计及实验研究[D].长春：吉林大学，2018.

[4] 三星电机株式会社.用于产生振动的装置：CN103856100A[P].2014-06-11.

[5] TDK株式会社.画像表示デバイス：JP2012108402A[P].2012-06-07.

[6] 瑞声声学科技（常州）有限公司.压电振动器：CN201200971Y[P].2009-03-04.

[7] 株式会社西铁城电子.多功能扬声器：CN1658708A[P].2005-08-24.

[8] 歌尔声学股份有限公司.振动扬声器：CN203193879U[P].2013-09-11.

[9] 共达电声股份有限公司.振动扬声器：CN209448890U[P].2019-09-27.

收稿日期：2020-06-05

作者简介：韦晓娟（1982—），女，广西人，助理研究员，从事专利审查工作。