詳解壓電觸覺技術(shù)：從致動(dòng)原理到驅(qū)動(dòng)

壓電觸覺技術(shù)不同于我們?cè)谇耙黄恼轮杏懻摰降末ぉて男D(zhuǎn)質(zhì)量（Eccentric rotating mass，ERM）和線性諧振致動(dòng)器（Linear resonant actuators，LRA）──另外兩種觸覺技術(shù)，以下分享一些關(guān)于壓電觸覺技術(shù)的機(jī)械原理，以優(yōu)化與它們的整合。

替換ERM或LRA，可不是只要將壓電致動(dòng)器黏合在同一個(gè)固定位置就好；如果這樣做了，所得到的結(jié)果將會(huì)讓人大失所望，并將使你的團(tuán)隊(duì)朝錯(cuò)誤的方向發(fā)展。壓電觸覺在不同的機(jī)械概念下運(yùn)作，因此需要采用不同的方法才能成功實(shí)現(xiàn)更佳的觸覺效果；讓我們看看壓電觸覺與ERM和LRA之間的區(qū)隔，以及它們是如何影響其整合的。

想象一下，某些使用LRA的手機(jī)──僅放上一個(gè)壓電致動(dòng)器，而帶來只是一些響聲之外，并無其他功能。即使觸覺技術(shù)想要?jiǎng)?chuàng)造更先進(jìn)的效果，它們也無法逃脫物理定律。要了解觸覺致動(dòng)器的工作原理，我們需要使用經(jīng)典力學(xué)的一些最基本定律，即艾薩克·牛頓（Isaac Newton）的運(yùn)動(dòng)定律：

第一定律──在慣性定律參考架構(gòu)下，除非受外力作用，否則物體不是保持靜止，就是繼續(xù)以恒定速度運(yùn)動(dòng)。

第二定律──在慣性定律參考架構(gòu)下，作用在物體上的力（F）的向量和，等于該物體的質(zhì)量（m）乘以該物體的加速度（a），也就是F = ma （這里假設(shè)質(zhì)量m是恒定的）。

第三定律──當(dāng)一個(gè)物體在第二物體上施加力時(shí)，第二物體同時(shí)在第一物體上施加大小相等且方向相反的力。［1］

觸覺比較表中有些小瑕疵。我們感受到的回饋力是來自致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)力。為什么業(yè)界要用加速度來比較回饋強(qiáng)度？你在比較表中看到的加速度值是基于每個(gè)觸覺致動(dòng)器在相同質(zhì)量（Mass）上進(jìn)行加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果。

由于在測(cè)試基礎(chǔ)上，是將每個(gè)致動(dòng)器以相同質(zhì)量去進(jìn)行比較的，所以我們可以分別找出加速度值。因此加速度值最高的致動(dòng)器的確會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)的回饋，但其效能卻不能以相同的方式精確測(cè)量。

將ERM或LRA放入一個(gè)質(zhì)量上，可以確實(shí)移動(dòng)它，但放到壓電致動(dòng)器上，是不能期望會(huì)得到相同的結(jié)果。量測(cè)壓電致動(dòng)器的加速度值，是測(cè)量致動(dòng)器之上方質(zhì)量。這可讓我們了解為什么會(huì)有所不同，以及為什么需要使用不同的方法，才能成功的將壓電觸覺功能整合到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

觸覺致動(dòng)器組件

我們已經(jīng)看到，觸覺是由牛頓運(yùn)動(dòng)定律定義的。為了產(chǎn)生一個(gè)力量，觸覺致動(dòng)器需要兩個(gè)組件：質(zhì)量（Mass）和產(chǎn)生加速度的振動(dòng)引擎。比較觸覺技術(shù)時(shí)，你最終將比較出它們用于產(chǎn)生加速度之振動(dòng)引擎種類。

觸覺致動(dòng)器=振動(dòng)引擎+質(zhì)量（Mass）

讓我們看一下每個(gè)觸覺致動(dòng)器后面的組件，并了解為什么不能用壓電致動(dòng)器直接替換ERM或LRA。

ERM致動(dòng)器組件

ERM的振動(dòng)是透過使用直流電機(jī)（振動(dòng)引擎）旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量產(chǎn)生的。此質(zhì)量運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不平衡的力量，因此產(chǎn)生振動(dòng)。雖然計(jì)算旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)軸心很復(fù)雜，但我們需要了解的是，不平衡質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的力量會(huì)傳遞給直流電機(jī)。設(shè)備上的直流電機(jī)基座處，放入ERM致動(dòng)器，這樣感應(yīng)到直流電機(jī)的振動(dòng)便會(huì)傳遞到設(shè)備上。

遵循牛頓的運(yùn)動(dòng)定律原則：旋轉(zhuǎn)偏心質(zhì)量和振動(dòng)引擎的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一個(gè)移動(dòng)力量，該力量從致動(dòng)器傳遞到與其相連的設(shè)備。

LRA組件

LRA的振動(dòng)是由音圈（振動(dòng)引擎）驅(qū)動(dòng)的懸浮磁性質(zhì)量所產(chǎn)生的。音圈上的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以使彈簧在與彈簧對(duì)齊的同一軸上下移動(dòng)。磁性質(zhì)量需要振蕩固定頻率，以產(chǎn)生諧振并產(chǎn)生最大的力量。諧振頻率取決于質(zhì)量和懸架彈簧的剛性。

再次重申牛頓的運(yùn)動(dòng)定律：音圈（a）導(dǎo)致的懸浮磁質(zhì)量（m）運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)動(dòng)力量，該動(dòng)力通過彈簧傳遞到設(shè)備上。

壓電致動(dòng)器組件

在此范例中，我們將使用TDK PowerHap壓電致動(dòng)器，因?yàn)樗鼈兌季邆湎嗤脑O(shè)計(jì)基礎(chǔ)。這些壓電致動(dòng)器不像一般壓電彈片那樣運(yùn)作。反而，PowerHap致動(dòng)器在受到拉力（高壓）時(shí)會(huì)機(jī)械收縮。壓電材料的收縮迫使金屬組件鈸（cymbal）片膨脹，這就是致動(dòng)器推壓質(zhì)量的方式。

如果要在致動(dòng)器的一側(cè)推壓質(zhì)量，則另一側(cè)需要靠在一個(gè)表面上，該表面會(huì)將力量傳遞到一個(gè)質(zhì)量的設(shè)備上。同樣，如果你的設(shè)備受到一個(gè)力量加上一個(gè)可推壓質(zhì)量，則牛頓的第二定律決定了你的設(shè)備最終將會(huì)振動(dòng)。

壓電致動(dòng)器之所以不能直接替代傳統(tǒng)技術(shù)，是因?yàn)樗鼈儾皇怯|覺致動(dòng)器，而是振動(dòng)引擎。就像ERM的直流電機(jī)和LRA的音圈一樣，壓電致動(dòng)器沒有內(nèi)置質(zhì)量。

如果我們看一下牛頓的運(yùn)動(dòng)定律原理，壓電致動(dòng)器就是振動(dòng)引擎，它會(huì)產(chǎn)生加速度（a），但是我們?nèi)鄙儋|(zhì)量（m）來產(chǎn)生有影響力的運(yùn)動(dòng)力。

這是否意味著不可能用壓電觸覺代替LRA和ERM來振動(dòng)整個(gè)設(shè)備？不，這代表你需要找到一個(gè)與壓電致動(dòng)器一起移動(dòng)的質(zhì)量，我們相信這是這項(xiàng)技術(shù)的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。它提供了更大的靈活性來調(diào)整壓電觸覺，進(jìn)而根據(jù)你的目標(biāo)獲得最佳的觸覺效果。

將壓電致動(dòng)器與小質(zhì)量結(jié)合起來，非常適合于局部回饋并取代機(jī)械按鈕。將壓電致動(dòng)器與較大質(zhì)量結(jié)合，可以產(chǎn)生足夠的力來振動(dòng)與其鏈接的整個(gè)設(shè)備；該設(shè)備也可以是質(zhì)量本身，例如汽車顯示器，傳統(tǒng)的觸覺技術(shù)沒有這種靈活性。

選擇最適合的壓電觸覺驅(qū)動(dòng)IC

藉由壓電觸覺等性能更好的技術(shù)，觸覺技術(shù)正進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代（參考前文）。雖然這些并不新鮮，但是隨著壓電驅(qū)動(dòng)IC的發(fā)展，現(xiàn)在壓電觸覺技術(shù)的性能比以前更好。不過我們將探討的是：并非所有壓電驅(qū)動(dòng)器效能都是一樣的。

在觸覺技術(shù)領(lǐng)域，壓電觸覺驅(qū)動(dòng)器的作用是放大電源電壓，并將波形發(fā)送到壓電致動(dòng)器，來產(chǎn)生移動(dòng)和觸覺回饋。由于壓電驅(qū)動(dòng)IC的高功耗，壓電觸覺的采用率受到限制，然而隨著Boréas Technologies采用CapDrive技術(shù)的壓電驅(qū)動(dòng)IC （BOS1901）問世后，情況又發(fā)生了變化。

當(dāng)你要為應(yīng)用選擇最佳的壓電驅(qū)動(dòng)器時(shí)，首先要知道的就是壓電致動(dòng)器所需要的電壓。一般情況下，較大的壓電致動(dòng)器需要較高的電壓才能產(chǎn)生觸覺回饋。你的應(yīng)用或設(shè)備可能對(duì)電源和空間具備特殊的觸覺需求，因此你要選擇最佳致動(dòng)器來需要滿足這些要求。

舉例來說，重量輕、空間較小、電源受限的移動(dòng)設(shè)備不需要最強(qiáng)大的壓電致動(dòng)器來產(chǎn)生觸覺回饋。但是對(duì)于空間和動(dòng)力不是主要限制的汽車則恰好相反，觸覺回饋必須足夠強(qiáng)大，才能克服道路顛簸為車輛帶來的影響。

一旦選定了壓電致動(dòng)器，你就可以開始尋找匹配的壓電觸覺驅(qū)動(dòng)器了。

功耗更低，電池壽命更長(zhǎng)。

多年來高功耗問題一直困擾著壓電觸控技術(shù)領(lǐng)域。因?yàn)樾枰糯箅娫措妷海閴弘娭聞?dòng)器產(chǎn)生波形，所以對(duì)用于音訊產(chǎn)業(yè)的放大器設(shè)計(jì)來說，壓電驅(qū)動(dòng)器就是其微型版本。雖然這種設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生高質(zhì)量的波形，但是它們的功耗和產(chǎn)生的熱能都很高。

因此，作為成長(zhǎng)最快的市場(chǎng)之一、也是主流應(yīng)用之一的觸覺技術(shù)，壓電驅(qū)動(dòng)器對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來說并不是很好的配備。

CapDrive技術(shù)是一種壓電觸控驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)，其功耗號(hào)稱比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品低10倍。該技術(shù)由Simon Chaput在哈佛大學(xué)攻讀電機(jī)工程博士學(xué)位期間所研發(fā)的。如果希望將壓電觸覺器整合到一個(gè)功耗受限的設(shè)備（例如電池供電的移動(dòng)設(shè)備），BOS1901壓電驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)理想選擇。

更快的響應(yīng)時(shí)間與更佳觸覺效果

觸覺回饋需要完美的時(shí)機(jī)才能產(chǎn)生最佳的回饋。由于帶寬范圍非常寬，壓電觸覺技術(shù)具備產(chǎn)生無限多種不同效果的優(yōu)勢(shì)，需要高效能的壓電觸覺驅(qū)動(dòng)器盡快作出反應(yīng)，來創(chuàng)建最佳的觸覺回饋模式。

壓電致動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間通常接近瞬時(shí)，例如TDK PowerHap壓電執(zhí)行器產(chǎn)品系列的響應(yīng)時(shí)間不到2毫秒（ms）。如果需要最快的響應(yīng)時(shí)間，壓電驅(qū)動(dòng)器可能是一個(gè)限制因素；而BOS1901壓電驅(qū)動(dòng)IC可提供低于6ms的響應(yīng)時(shí)間。

設(shè)備中的可用空間會(huì)影響觸覺驅(qū)動(dòng)器的選擇，BOS1901號(hào)稱具備業(yè)界最小組件尺寸，僅需7個(gè)離散組件，采用4×4 mm QFN封裝。QFN封裝的整體解決方案大小為115 mm2。如果你增加壓電致動(dòng)器，我們的解決方案不僅是最小的壓電解決方案，還是市面上最緊湊的觸覺解決方案，將為你節(jié)省寶貴的電路板空間。

CapDrive技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不只是低功耗，也是一種可以將波形發(fā)送到致動(dòng)器，又可以感測(cè)來自同一致動(dòng)器壓力的低功耗壓電驅(qū)動(dòng)器IC結(jié)構(gòu)。這意味著，如果你需要一個(gè)在施加壓力時(shí)的觸發(fā)解決方案，例如以觸控按鈕代替機(jī)械按鈕，則可以省下感測(cè)硬件，只依靠一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)壓電致動(dòng)器。

壓電致動(dòng)器的工作原理類似于音源信號(hào)放大器，為了獲得最清晰的音質(zhì)，需要放大器提供最清晰的輸出；為了產(chǎn)生最佳的觸控回饋，需要壓電驅(qū)動(dòng)器提供最清晰的輸出。用戶本身能感受到的回饋質(zhì)量，會(huì)因振動(dòng)所產(chǎn)生不必要的噪聲輸出，而帶來不好的感受，并且還會(huì)感受到不好的振動(dòng)體驗(yàn)質(zhì)量。

CapDrive技術(shù)壓電IC vs. 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手壓電IC