壓電觸覺致動器的機械原理

接續前文：《觸覺技術大比拼：ERM、LRA、壓電哪個適合你？》rdLEETC-電子工程專輯

壓電觸覺技術不同於我們在前一篇文章中討論到的──偏心旋轉質量(Eccentric rotating mass，ERM)和線性諧振致動器(Linear resonant actuators，LRA)──另外兩種觸覺技術，以下分享一些關於壓電觸覺技術的機械原理，以優化與它們的整合。rdLEETC-電子工程專輯

替換ERM或LRA，可不是只要將壓電致動器黏合在同一個固定位置就好；如果這樣做了，所得到的結果將會讓人大失所望，並將使你的團隊朝錯誤的方向發展。壓電觸覺在不同的機械概念下運作，因此需要採用不同的方法才能成功實現更佳的觸覺效果；讓我們看看壓電觸覺與ERM和LRA之間的區隔，以及它們是如何影響其整合的。rdLEETC-電子工程專輯

想像一下，某些使用LRA的手機──僅放上一個壓電致動器，而帶來只是一些響聲之外，並無其他功能。即使觸覺技術想要創造更先進的效果，它們也無法逃脫物理定律。要了解觸覺致動器的工作原理，我們需要使用經典力學的一些最基本定律，即艾薩克·牛頓(Isaac Newton)的運動定律：rdLEETC-電子工程專輯

第一定律──在慣性定律參考架構下，除非受外力作用，否則物體不是保持靜止，就是繼續以恆定速度運動。rdLEETC-電子工程專輯

第二定律──在慣性定律參考架構下，作用在物體上的力(F)的向量和，等於該物體的質量(m)乘以該物體的加速度(a)，也就是F = ma (這裡假設質量m是恆定的)。rdLEETC-電子工程專輯

第三定律──當一個物體在第二物體上施加力時，第二物體同時在第一物體上施加大小相等且方向相反的力。[1]rdLEETC-電子工程專輯

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器的運動力。為什麼業界要用加速度來比較回饋強度？你在比較表中看到的加速度值是基於每個觸覺致動器在相同質量(Mass)上進行加速度計的測量結果。rdLEETC-電子工程專輯

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由於在測試基礎上，是將每個致動器以相同質量去進行比較的，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器的確會產生最強的回饋，但其效能卻不能以相同的方式精確測量。rdLEETC-電子工程專輯

將ERM或LRA放入一個質量上，可以確實移動它，但放到壓電致動器上，是不能期望會得到相同的結果。量測壓電致動器的加速度值，是測量致動器之上方質量。這可讓我們了解為什麼會有所不同，以及為什麼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品設計中。rdLEETC-電子工程專輯

觸覺致動器組件

我們已經看到，觸覺是由牛頓運動定律定義的。為了產生一個力量，觸覺致動器需要兩個組件：質量（Mass）和產生加速度的振動引擎。比較觸覺技術時，你最終將比較出它們用於產生加速度之振動引擎種類。rdLEETC-電子工程專輯

觸覺致動器=振動引擎+質量（Mass）rdLEETC-電子工程專輯

讓我們看一下每個觸覺致動器後面的組件，並了解為什麼不能用壓電致動器直接替換ERM或LRA。rdLEETC-電子工程專輯

ERM致動器組件

ERM的振動是透過使用直流電機(振動引擎)旋轉偏心質量產生的。此質量運動產生不平衡的力量，因此產生振動。雖然計算旋轉偏心質量的運動軸心很複雜，但我們需要了解的是，不平衡質量的旋轉所產生的力量會傳遞給直流電機。設備上的直流電機基座處，放入ERM致動器，這樣感應到直流電機的振動便會傳遞到設備上。rdLEETC-電子工程專輯

遵循牛頓的運動定律原則：旋轉偏心質量和振動引擎的旋轉產生了一個移動力量，該力量從致動器傳遞到與其相連的設備。rdLEETC-電子工程專輯

LRA組件

LRA的振動是由音圈(振動引擎)驅動的懸浮磁性質量所產生的。音圈上的驅動電流會產生一個磁場，該磁場可以使彈簧在與彈簧對齊的同一軸上下移動。磁性質量需要振蕩固定頻率，以產生諧振並產生最大的力量。諧振頻率取決於質量和懸架彈簧的剛性。rdLEETC-電子工程專輯

再次重申牛頓的運動定律：音圈(a)導致的懸浮磁質量(m)運動產生了一個動力量，該動力通過彈簧傳遞到設備上。rdLEETC-電子工程專輯

壓電致動器組件

在此範例中，我們將使用TDK PowerHap壓電致動器，因為它們都具備相同的設計基礎。這些壓電致動器不像一般壓電彈片那樣運作。反而，PowerHap致動器在受到拉力(高壓)時會機械收縮。壓電材料的收縮迫使金屬組件鈸(cymbal)片膨脹，這就是致動器推壓質量的方式。rdLEETC-電子工程專輯

如果要在致動器的一側推壓質量，則另一側需要靠在一個表面上，該表面會將力量傳遞到一個質量的設備上。同樣，如果你的設備受到一個力量加上一個可推壓質量，則牛頓的第二定律決定了你的設備最終將會振動。rdLEETC-電子工程專輯

壓電致動器之所以不能直接替代傳統技術，是因為它們不是觸覺致動器，而是振動引擎。就像ERM的直流電機和LRA的音圈一樣，壓電致動器沒有內置質量。rdLEETC-電子工程專輯

如果我們看一下牛頓的運動定律原理，壓電致動器就是振動引擎，它會產生加速度(a)，但是我們缺少質量(m)來產生有影響力的運動力。rdLEETC-電子工程專輯

這是否意味著不可能用壓電觸覺代替LRA和ERM來振動整個設備？不，這代表你需要找到一個與壓電致動器一起移動的質量，我們相信這是這項技術的一項優勢。它提供了更大的靈活性來調整壓電觸覺，進而根據你的目標獲得最佳的觸覺效果。rdLEETC-電子工程專輯

將壓電致動器與小質量結合起來，非常適合於局部回饋並取代機械按鈕。將壓電致動器與較大質量結合，可以產生足夠的力來振動與其連結的整個設備；該設備也可以是質量本身，例如汽車顯示器，傳統的觸覺技術沒有這種靈活性。rdLEETC-電子工程專輯

選擇最適合的壓電觸覺驅動IC

藉由壓電觸覺等性能更好的技術，觸覺技術正進入一個新時代(參考前文)。雖然這些並不新鮮，但是隨著壓電驅動IC的發展，現在壓電觸覺技術的性能比以前更好。不過我們將探討的是：並非所有壓電驅動器效能都是一樣的。rdLEETC-電子工程專輯

在觸覺技術領域，壓電觸覺驅動器的作用是放大電源電壓，並將波形發送到壓電致動器，來產生移動和觸覺回饋。由於壓電驅動IC的高功耗，壓電觸覺的採用率受到限制，然而隨著Boréas Technologies採用CapDrive技術的壓電驅動IC (BOS1901)問世後，情況又發生了變化。rdLEETC-電子工程專輯

當你要為應用選擇最佳的壓電驅動器時，首先要知道的就是壓電致動器所需要的電壓。一般情況下，較大的壓電致動器需要較高的電壓才能產生觸覺回饋。你的應用或設備可能對電源和空間具備特殊的觸覺需求，因此你要選擇最佳致動器來需要滿足這些要求。rdLEETC-電子工程專輯

舉例來說，重量輕、空間較小、電源受限的行動裝置不需要最強大的壓電致動器來產生觸覺回饋。但是對於空間和動力不是主要限制的汽車則恰好相反，觸覺回饋必須足夠強大，才能克服道路顛簸為車輛帶來的影響。rdLEETC-電子工程專輯

一旦選定了壓電致動器，你就可以開始尋找匹配的壓電觸覺驅動器了。rdLEETC-電子工程專輯

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功耗更低，電池壽命更長。rdLEETC-電子工程專輯

多年來高功耗問題一直困擾著壓電觸控技術領域。因為需要放大電源電壓，並為壓電致動器產生波形，所以對用於音訊產業的放大器設計來說，壓電驅動器就是其微型版本。雖然這種設計可以產生高質量的波形，但是它們的功耗和產生的熱能都很高。rdLEETC-電子工程專輯

因此，作為成長最快的市場之一、也是主流應用之一的觸覺技術，壓電驅動器對於行動裝置來說並不是很好的配備。rdLEETC-電子工程專輯

CapDrive技術是一種壓電觸控驅動器架構，其功耗號稱比競爭產品低10倍。該技術由Simon Chaput在哈佛大學攻讀電機工程博士學位期間所研發的。如果希望將壓電觸覺器整合到一個功耗受限的設備(例如電池供電的行動裝置)，BOS1901壓電驅動器是一個理想選擇。rdLEETC-電子工程專輯

更快的響應時間與更佳觸覺效果

觸覺回饋需要完美的時機才能產生最佳的回饋。由於帶寬範圍非常寬，壓電觸覺技術具備產生無限多種不同效果的優勢，需要高效能的壓電觸覺驅動器儘快作出反應，來創建最佳的觸覺回饋模式。rdLEETC-電子工程專輯

壓電致動器的響應時間通常接近瞬時，例如TDK PowerHap壓電執行器產品系列的響應時間不到2毫秒(ms)。如果需要最快的響應時間，壓電驅動器可能是一個限制因素；而BOS1901壓電驅動IC可提供低於6ms的響應時間。rdLEETC-電子工程專輯

設備中的可用空間會影響觸覺驅動器的選擇，BOS1901號稱具備業界最小組件尺寸，僅需7個離散組件，採用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，將為你節省寶貴的電路板空間。rdLEETC-電子工程專輯

CapDrive技術的優勢不只是低功耗，也是一種可以將波形發送到致動器，又可以感測來自同一致動器壓力的低功耗壓電驅動器IC結構。這意味著，如果你需要一個在施加壓力時的觸發解決方案，例如以觸控按鈕代替機械按鈕，則可以省下感測硬體，只依靠一個壓電驅動器和一個壓電致動器。rdLEETC-電子工程專輯

壓電致動器的工作原理類似於音源信號放大器，為了獲得最清晰的音質，需要放大器提供最清晰的輸出；為了產生最佳的觸控回饋，需要壓電驅動器提供最清晰的輸出。用戶本身能感受到的回饋質量，會因振動所產生不必要的噪聲輸出，而帶來不好的感受，並且還會感受到不好的振動體驗質量。rdLEETC-電子工程專輯

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CapDrive技術壓電IC vs. 競爭對手壓電ICrdLEETC-電子工程專輯

 [1] 牛頓運動定律。 （2020年2月14日）。取自https://en.wikipedia.org/wiki/Newton's_laws_of_motionrdLEETC-電子工程專輯

本文由Boréas Technologies提供，Judith Cheng 編輯整理rdLEETC-電子工程專輯

參考原文：rdLEETC-電子工程專輯

壓電觸覺致動器的機械原理rdLEETC-電子工程專輯

Boréas的壓電驅動器IC vs. 競爭對手的壓電IC-觸覺技術較量-第3部分rdLEETC-電子工程專輯

責編：Luffy LiurdLEETC-電子工程專輯