觸覺技術大比拼:ERM、LRA、壓電哪個適合你?

觸覺反饋(Haptic feedback)並非新技術。我們回到1960年代，就能發現採用振動反饋向用戶發送信息的首次設備更迭。過去用於產生振動的系統，目前仍然在低成本設備中用於產生基本的觸覺反饋。5n0EETC-電子工程專輯

歷史悠久、低成本的振動反饋方案

偏心旋轉質量(Eccentric rotating mass，ERM)通常稱作振動電機，這種觸覺系統以高頻轉動偏心質量的電機組成。從1960年代至今，相同的概念仍在使用，但此技術已被小型化，以適應更小型的設備。5n0EETC-電子工程專輯

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憑藉低成本優勢，目前偏心旋轉質量致動器仍在許多設備中用於產生觸覺反饋，但是它們開始被效能更好的技術所取代。如今我們生活在一個數位化的世界中，周圍環繞著各種具觸控屏幕的設備。為了提升設備的用戶體驗，全球的公司都在開發新型技術，因此，更好的觸控技術也隨之發展。5n0EETC-電子工程專輯

壓電觸覺致動器(piezoelectric haptic actuator)就是其中一種高效能的技術。基於某些材料的壓電效應，此技術比ERM電機具備更多優勢。壓電解決方案不需要轉動偏心質量，而需要使用壓電驅動器，透過壓電驅動器的致動器材料發送高壓電源，使其變形並產生觸覺反饋。接下來我們將一起了解壓電和ERM觸覺的區別，以及你在應用中應該使用的觸覺技術。5n0EETC-電子工程專輯

壓電觸覺vs. ERM觸覺

觸覺學中的加速度與你感覺到的觸覺反饋強度相關；致動器可達到的加速度越高，其產生的觸覺反饋越強。5n0EETC-電子工程專輯

ERM系統可達到的加速度相當有限，原因很容易理解：電機需要加速質量才能產生振動。因此，它需要打破質量慣性，並將速度提升至最佳頻率。然而，質量的加速度不是瞬時的，這就是ERM電機因不精確而發出隆隆聲響的原因。5n0EETC-電子工程專輯

另一方面，壓電致動器沒有機械限制。由于振動不依靠質量旋轉，一旦高壓到達壓電材料，致動器就會振動，因此壓電致動器可比ERM電機產生更強、更清晰的反饋。此外，以Boréas Technologies的壓電式CapDrive技術為例，ERM解決方案的耗能高出20倍5n0EETC-電子工程專輯

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功耗：ERM vs. CapDrive技術壓電觸覺。資源來源：數據摘自《觸覺能量消耗》，德州儀器（TI）應用報告SLOA194，2014年5月。數據指出，Boréas的數據點是通過TI的DRV8662晶片和 Boréas的驅動器之間的測量比較得出。5n0EETC-電子工程專輯

壓電觸覺技術在其他領域的主要優勢是總功耗。壓電致動器效能非常高，遺憾的是，致動器的低功耗被效能不佳的壓電驅動器抵消。自從CapDrive技術發布後情況產生了變化。首款採用CapDrive技術的壓電觸覺驅動IC (BOS1901)，號稱是市面上效能最高的壓電驅動器，如果你希望整合觸控到功耗受限的設備中(例如行動裝置)，壓電觸覺技術是優於ERM解決方案的選擇。5n0EETC-電子工程專輯

壓電近乎瞬時反應，振動電機反應時間較慢

觸覺反饋需要完美的時機才能產生最佳的反饋，響應時間越快，可轉化為更清晰、更精確的觸覺反饋。振動電機需要更長時間來加速旋轉質量，並達到其峰值頻率(最佳反饋區域)；此外在達到效果後它們要對質量進行降速，ERM通常需要長達50毫秒(ms)才能達到峰值頻率，加速和減速的延遲會在達到峰值的開始和結束時產生輕微的不良振動。5n0EETC-電子工程專輯

壓電致動器的實時反應時間不到2 ms，這代表你幾乎感覺不到加速和減速過程中產生的輕微不良觸覺反饋。壓電觸覺產生更清晰、更精確的反饋，壓電致動器的限制因素實際上是壓電驅動器的響應時間。BOS1901壓電驅動器的響應時間不到6ms。5n0EETC-電子工程專輯

壓電觸覺技術比ERM系統節省大量空間

與壓電觸覺解決方案相比，ERM振動電機觸覺系統更大且佔用更多空間。雖然ERM驅動器確實比壓電驅動器更小，但是最大的區別在於致動器的尺寸。壓電致動器比ERM小，並且提供更大的觸覺反饋。5n0EETC-電子工程專輯

如果你需要外觀小巧的解決方案，壓電觸控是比振動電機更好的選擇。5n0EETC-電子工程專輯

壓電效應的優勢

壓電效應是可逆的，你可以對壓電材料施加高電壓使其移動，但是當壓電材料變形後會產生電荷。當你按下壓電致動器時，壓電材料會稍微變形，致動器產生電流。採用CapDrive技術的壓電驅動器可以檢測到電流，而且它們可以檢測壓力並觸發來自同一致動器的反饋。5n0EETC-電子工程專輯

偏心旋轉質量觸覺方案只能觸發觸覺反饋，因此如果需要檢測壓力，除了觸覺系統，還需要一個完整的壓力感測硬體系統。5n0EETC-電子工程專輯

這意味著如果你需要在施加壓力時觸發的觸覺方案(例如替換機械按鈕)，就可以取消感測硬體，只依靠一個壓電致動器和一個CapDrive壓電驅動器。這可大幅節省空間；一款SmartClik無按鈕電話原型機就是這麼做的。5n0EETC-電子工程專輯

高解析觸覺技術vs.基礎型技術方案

壓電致動器可以產生更先進的觸覺效果。像揚聲器一樣，它們使用來自放大器(壓電驅動器)的電波形訊號，可以在廣泛的頻率和幅度範圍內運作，產生各種觸覺效果。你可以根據應用定製觸覺反饋，來創建豐富、細緻的反饋。這就是我們所說的高清觸覺反饋。5n0EETC-電子工程專輯

另一方面，ERM解決方案的頻率範圍相當有限，無法創建最佳的反饋效果。這意味著你的觸覺效果範圍相當有限，ERM電機受限於低質量應用。5n0EETC-電子工程專輯

壓電觸覺技術為ERM無法複製的更高級效果帶來了可能性。壓電觸覺技術非常適合需要不同觸覺效果的各種應用，例如：AR/VR、車用安全警報、按鈕更換等。5n0EETC-電子工程專輯

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CapDrive壓電觸覺技術vs. ERM技術。（*質量為100克；加速度與反饋強度有關；更高的數字=更強的反饋）5n0EETC-電子工程專輯

高端電子設備新寵：LRA觸覺技術

從前面的討論我們已經看到，如果你需要低成本的解決方案，振動電機是很好的選擇，但是它們在反饋質量方面相當有限，並且會產生低端的隆隆聲，並非乾淨和清晰的觸覺效果。因此，高階電子設備製造商近年來將注意力轉向另一種觸覺技術──線性諧振致動器(Linear resonant actuators ，LRA)。5n0EETC-電子工程專輯

LRA目前用於許多設備中，可實現比ERM方案更佳的觸覺反饋；與ERM相比，它們具備更高的加速度、更快的響應時間和更清晰的觸覺反饋。LRA與ERM電機一樣，也以質量運動做為基礎。區別在於，質量懸掛在彈簧上並在磁場作用上下移動。5n0EETC-電子工程專輯

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LRA外形尺寸各異，有些是矩形、有些則是圓形；部份製造商甚至開發自有的LRA版本，以獲得更好的效果(例如Apple的觸覺引擎)，但是它們與壓電觸覺相比呢？讓我們來看看！5n0EETC-電子工程專輯

ERM、LRA、壓電觸覺比一比

LRA觸覺解決方案比ERM電機明顯提升了效能，它們可以達到更高的加速度；因此LRA可以創建比ERM解決方案更強的觸覺反饋(加速度數值越大=觸覺反饋越強)。但LRA加速度雖高於ERM電機，與成本較低的替代品相比仍然存在同樣的問題──它們需要移動質量才能產生振動。5n0EETC-電子工程專輯

雖然LRA能夠比ERM電機更快速達到其最佳頻率峰值(這裡我們所說的是25ms而非50ms)，但它們仍然需要一些時間才能加速或減速到最佳頻率峰值。壓電致動器則能在2ms內達到最佳峰值，幾乎瞬間的加速度使其在反饋強度方面比LRA更佳、效能更高。在行動裝置中使用的LRA可以達到1到1.7G的加速度，類似尺寸的壓電致動器則能達到2.5到5G的加速度。5n0EETC-電子工程專輯

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LRA功耗比壓電致動器加上CapDrive壓電驅動器一起消耗的還多。5n0EETC-電子工程專輯

與ERM電機相比，LRA的另一個優勢是功耗更低，後者更適合電池供電的行動裝置。實際上，多年來LRA一直是最有效的觸覺解決方案，在CapDrive技術發表之前，LRA甚至比壓電觸覺更有效率。5n0EETC-電子工程專輯

然而，與整合了CapDrive壓電驅動器的壓電致動器IC相比，LRA消耗的功率高出4至10倍；現在該重新考慮將在電池供電的設備中使用哪種觸覺技術了。5n0EETC-電子工程專輯

LRA提供比ERM電機更好的觸覺反饋，但沒有高清觸覺技術

ERM電機會產生不精確的隆隆聲，另一方面LRA可以產生更清晰的觸覺反饋；這主要是因為後者具備更好的加速性。5n0EETC-電子工程專輯

LRA比ERM產生更清晰的觸覺反饋，主要歸功於它們的諧振頻率；諧振頻率是指在狹窄的頻率範圍，你可以在其中獲得最佳振動，來放大致動器之質量的加速度和位移。5n0EETC-電子工程專輯

雖然LRA產生的反饋比ERM更加清晰，但諧振頻率範圍非常窄。由於LRA頻率範圍相當有限，因此它們的帶寬不大，很難創建不同的觸覺效果。不過儘管LRA的效能優於ERM電機，卻無法實現壓電致動器的無限頻率範圍，你使用的仍然是受限的LRA。另一方面，壓電致動器為各種觸覺效果提供了無限的可能性。5n0EETC-電子工程專輯

LRA響應時間比ERM電機快，但比壓電致動器慢

LRA提供比ERM電機更好觸覺效能，背後的第二個因素是其響應時間更快。就像ERM致動器一樣，LRA需要移動質量來產生觸覺反饋。雖然它們確實比其低成本替代產品縮短了響應時間，LRA仍需25ms時間才能達到其最佳頻率範圍，觸覺效應後的減速期間也是如此。5n0EETC-電子工程專輯

壓電致動器能在2ms內開始發揮其觸覺效果，提供創建更清晰、精確觸覺反饋的可能性。5n0EETC-電子工程專輯

利用壓電集成的壓力感應節省硬體

CapDrive壓電觸覺驅動器架構另一項優勢是整合的壓電壓力感測。BOS1901壓電驅動器IC可以從同一個壓電致動器感應壓力並產生觸覺反饋；這代表當你的應用需要壓力感應(例如按鈕替換)時，你可以從設計中移除之前所用的壓力感應硬體。5n0EETC-電子工程專輯

LRA比壓電致動器佔用更多空間

LRA的尺寸比壓電驅動器更小巧，通常被認為它們更適用於小型設備，但是當考慮到致動器的尺寸時，就完全不同了。5n0EETC-電子工程專輯

如同ERM致動器，LRA尺寸大於具有類似加速度(反饋強度)的壓電致動器，壓電驅動器可以節省的空間，將遠超過整合壓電驅動器所能損失的空間。舉例來說，BOS1901僅需7個被動組件即可運作。5n0EETC-電子工程專輯

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CapDrive壓電IC vs. LRA（*質量為100克。加速度與反饋強度有關。更高的數字 = 更強的反饋）5n0EETC-電子工程專輯

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…隨著壓電驅動IC的演進，現在壓電觸覺技術的性能也比以前更好。但當然並非所有壓電驅動器效能都是一樣的…接下來的文章將有更進一步的探討，敬請期待！5n0EETC-電子工程專輯

本文由Boréas Technologies提供，Judith Cheng 編輯整理5n0EETC-電子工程專輯

參考原文：5n0EETC-電子工程專輯

觸覺技術的較量-第1部分：Boréas Technologies的 CapDrive壓電 IC vs. 偏心旋轉質量 (ERM)5n0EETC-電子工程專輯

觸覺技術的較量- 第2部分：Boréas Technologies的 CapDrive壓電 IC vs. 線性諧振致動器(LRA)5n0EETC-電子工程專輯

責編：Luffy Liu5n0EETC-電子工程專輯

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