压电触觉致动器的机械原理

接续前文：《触觉技术大比拼：ERM、LRA、压电哪个适合你？》

压电触觉技术不同于我们在前一篇文章中讨论到的──偏心旋转质量(Eccentric rotating mass，ERM)和线性谐振致动器(Linear resonant actuators，LRA)──另外两种触觉技术，以下分享一些关于压电触觉技术的机械原理，以优化与它们的整合。

替换ERM或LRA，可不是只要将压电致动器黏合在同一个固定位置就好；如果这样做了，所得到的结果将会让人大失所望，并将使你的团队朝错误的方向发展。压电触觉在不同的机械概念下运作，因此需要采用不同的方法才能成功实现更佳的触觉效果；让我们看看压电触觉与ERM和LRA之间的区隔，以及它们是如何影响其整合的。

想象一下，某些使用LRA的手机──仅放上一个压电致动器，而带来只是一些响声之外，并无其他功能。即使触觉技术想要创造更先进的效果，它们也无法逃脱物理定律。要了解触觉致动器的工作原理，我们需要使用经典力学的一些最基本定律，即艾萨克·牛顿(Isaac Newton)的运动定律：

第一定律──在惯性定律参考架构下，除非受外力作用，否则物体不是保持静止，就是继续以恒定速度运动。

第二定律──在惯性定律参考架构下，作用在物体上的力(F)的向量和，等于该物体的质量(m)乘以该物体的加速度(a)，也就是F = ma (这里假设质量m是恒定的)。

第三定律──当一个物体在第二物体上施加力时，第二物体同时在第一物体上施加大小相等且方向相反的力。[1]

触觉比较表中有些小瑕疵。我们感受到的回馈力是来自致动器的运动力。为什么业界要用加速度来比较回馈强度？你在比较表中看到的加速度值是基于每个触觉致动器在相同质量(Mass)上进行加速度计的测量结果。

由于在测试基础上，是将每个致动器以相同质量去进行比较的，所以我们可以分别找出加速度值。因此加速度值最高的致动器的确会产生最强的回馈，但其效能却不能以相同的方式精确测量。

将ERM或LRA放入一个质量上，可以确实移动它，但放到压电致动器上，是不能期望会得到相同的结果。量测压电致动器的加速度值，是测量致动器之上方质量。这可让我们了解为什么会有所不同，以及为什么需要使用不同的方法，才能成功的将压电触觉功能整合到产品设计中。

触觉致动器组件

我们已经看到，触觉是由牛顿运动定律定义的。为了产生一个力量，触觉致动器需要两个组件：质量（Mass）和产生加速度的振动引擎。比较触觉技术时，你最终将比较出它们用于产生加速度之振动引擎种类。

触觉致动器=振动引擎+质量（Mass）

让我们看一下每个触觉致动器后面的组件，并了解为什么不能用压电致动器直接替换ERM或LRA。

ERM致动器组件

ERM的振动是透过使用直流电机(振动引擎)旋转偏心质量产生的。此质量运动产生不平衡的力量，因此产生振动。虽然计算旋转偏心质量的运动轴心很复杂，但我们需要了解的是，不平衡质量的旋转所产生的力量会传递给直流电机。设备上的直流电机基座处，放入ERM致动器，这样感应到直流电机的振动便会传递到设备上。

遵循牛顿的运动定律原则：旋转偏心质量和振动引擎的旋转产生了一个移动力量，该力量从致动器传递到与其相连的设备。

LRA组件

LRA的振动是由音圈(振动引擎)驱动的悬浮磁性质量所产生的。音圈上的驱动电流会产生一个磁场，该磁场可以使弹簧在与弹簧对齐的同一轴上下移动。磁性质量需要振荡固定频率，以产生谐振并产生最大的力量。谐振频率取决于质量和悬架弹簧的刚性。

再次重申牛顿的运动定律：音圈(a)导致的悬浮磁质量(m)运动产生了一个动力量，该动力通过弹簧传递到设备上。

压电致动器组件

在此范例中，我们将使用TDK PowerHap压电致动器，因为它们都具备相同的设计基础。这些压电致动器不像一般压电弹片那样运作。反而，PowerHap致动器在受到拉力(高压)时会机械收缩。压电材料的收缩迫使金属组件钹(cymbal)片膨胀，这就是致动器推压质量的方式。

如果要在致动器的一侧推压质量，则另一侧需要靠在一个表面上，该表面会将力量传递到一个质量的设备上。同样，如果你的设备受到一个力量加上一个可推压质量，则牛顿的第二定律决定了你的设备最终将会振动。

压电致动器之所以不能直接替代传统技术，是因为它们不是触觉致动器，而是振动引擎。就像ERM的直流电机和LRA的音圈一样，压电致动器没有内置质量。

如果我们看一下牛顿的运动定律原理，压电致动器就是振动引擎，它会产生加速度(a)，但是我们缺少质量(m)来产生有影响力的运动力。

这是否意味着不可能用压电触觉代替LRA和ERM来振动整个设备？不，这代表你需要找到一个与压电致动器一起移动的质量，我们相信这是这项技术的一项优势。它提供了更大的灵活性来调整压电触觉，进而根据你的目标获得最佳的触觉效果。

将压电致动器与小质量结合起来，非常适合于局部回馈并取代机械按钮。将压电致动器与较大质量结合，可以产生足够的力来振动与其链接的整个设备；该设备也可以是质量本身，例如汽车显示器，传统的触觉技术没有这种灵活性。

选择最适合的压电触觉驱动IC

藉由压电触觉等性能更好的技术，触觉技术正进入一个新时代(参考前文)。虽然这些并不新鲜，但是随着压电驱动IC的发展，现在压电触觉技术的性能比以前更好。不过我们将探讨的是：并非所有压电驱动器效能都是一样的。

在触觉技术领域，压电触觉驱动器的作用是放大电源电压，并将波形发送到压电致动器，来产生移动和触觉回馈。由于压电驱动IC的高功耗，压电触觉的采用率受到限制，然而随着Boréas Technologies采用CapDrive技术的压电驱动IC (BOS1901)问世后，情况又发生了变化。

当你要为应用选择最佳的压电驱动器时，首先要知道的就是压电致动器所需要的电压。一般情况下，较大的压电致动器需要较高的电压才能产生触觉回馈。你的应用或设备可能对电源和空间具备特殊的触觉需求，因此你要选择最佳致动器来需要满足这些要求。

举例来说，重量轻、空间较小、电源受限的移动设备不需要最强大的压电致动器来产生触觉回馈。但是对于空间和动力不是主要限制的汽车则恰好相反，触觉回馈必须足够强大，才能克服道路颠簸为车辆带来的影响。

一旦选定了压电致动器，你就可以开始寻找匹配的压电触觉驱动器了。

功耗更低，电池寿命更长。

多年来高功耗问题一直困扰着压电触控技术领域。因为需要放大电源电压，并为压电致动器产生波形，所以对用于音讯产业的放大器设计来说，压电驱动器就是其微型版本。虽然这种设计可以产生高质量的波形，但是它们的功耗和产生的热能都很高。

因此，作为成长最快的市场之一、也是主流应用之一的触觉技术，压电驱动器对于移动设备来说并不是很好的配备。

CapDrive技术是一种压电触控驱动器架构，其功耗号称比竞争产品低10倍。该技术由Simon Chaput在哈佛大学攻读电机工程博士学位期间所研发的。如果希望将压电触觉器整合到一个功耗受限的设备(例如电池供电的移动设备)，BOS1901压电驱动器是一个理想选择。

更快的响应时间与更佳触觉效果

触觉回馈需要完美的时机才能产生最佳的回馈。由于带宽范围非常宽，压电触觉技术具备产生无限多种不同效果的优势，需要高效能的压电触觉驱动器尽快作出反应，来创建最佳的触觉回馈模式。

压电致动器的响应时间通常接近瞬时，例如TDK PowerHap压电执行器产品系列的响应时间不到2毫秒(ms)。如果需要最快的响应时间，压电驱动器可能是一个限制因素；而BOS1901压电驱动IC可提供低于6ms的响应时间。

设备中的可用空间会影响触觉驱动器的选择，BOS1901号称具备业界最小组件尺寸，仅需7个离散组件，采用4×4 mm QFN封装。QFN封装的整体解决方案大小为115 mm2。如果你增加压电致动器，我们的解决方案不仅是最小的压电解决方案，还是市面上最紧凑的触觉解决方案，将为你节省宝贵的电路板空间。

CapDrive技术的优势不只是低功耗，也是一种可以将波形发送到致动器，又可以感测来自同一致动器压力的低功耗压电驱动器IC结构。这意味着，如果你需要一个在施加压力时的触发解决方案，例如以触控按钮代替机械按钮，则可以省下感测硬件，只依靠一个压电驱动器和一个压电致动器。

压电致动器的工作原理类似于音源信号放大器，为了获得最清晰的音质，需要放大器提供最清晰的输出；为了产生最佳的触控回馈，需要压电驱动器提供最清晰的输出。用户本身能感受到的回馈质量，会因振动所产生不必要的噪声输出，而带来不好的感受，并且还会感受到不好的振动体验质量。

CapDrive技术压电IC vs. 竞争对手压电IC

 [1] 牛顿运动定律。 （2020年2月14日）。取自https://en.wikipedia.org/wiki/Newton's_laws_of_motion

本文由Boréas Technologies提供，Judith Cheng 编辑整理

参考原文：

压电触觉致动器的机械原理

Boréas的压电驱动器IC vs. 竞争对手的压电IC-触觉技术较量-第3部分

责编：Luffy Liu