壓電式傳動(dòng)器帶來不一樣的觸覺體驗(yàn) - 全文

關(guān)鍵詞： 觸覺 , 壓電

作者：德州儀器 (TI) 觸覺技術(shù)產(chǎn)品線經(jīng)理 ShreHarsha Rao

盡管大多數(shù)智能手機(jī)和平板電腦用戶都已經(jīng)體驗(yàn)過觸覺技術(shù)，但是觸覺學(xué)這個(gè)術(shù)語本身卻很少為消費(fèi)者所了解。就其基本定義而言，“觸覺學(xué)”是指觸覺反饋科學(xué)。觸覺技術(shù)最為基本的應(yīng)用形式是，手機(jī)通過振動(dòng)提示用戶來電或者收件箱有一條新的短信。在這些情況下，手機(jī)利用觸覺技術(shù)，引起用戶的請注意。

約有三分之一的智能手機(jī)都使用了觸覺反饋技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)的功能已不僅僅只是振動(dòng)提醒。一個(gè)常見例子是，當(dāng)使用手機(jī)編寫電子郵件或者發(fā)短信時(shí)，用戶會(huì)感受到細(xì)微的振動(dòng)反饋。成功按下某個(gè)按鍵后，手機(jī)就會(huì)振動(dòng)確認(rèn)一次。在使用觸覺反饋的情況下，用戶很少會(huì)出現(xiàn)的輸入錯(cuò)誤，并且操作體驗(yàn)也更滿意。

利用觸覺技術(shù)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)

越來越多的移動(dòng)設(shè)備，例如：手機(jī)和平板電腦等，都在使用觸摸功能。觸摸界面是如此的簡單和直觀，以至于三歲小孩也會(huì)解鎖智能手機(jī)，然后點(diǎn)擊YouTube圖標(biāo)查看視頻播放列表。但是，觸摸屏存在一個(gè)嚴(yán)重的局限性：因?yàn)闆]有物理或者機(jī)械反饋，無法實(shí)現(xiàn)用戶互動(dòng)或者提醒。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的觸覺反饋功能，可以極大增強(qiáng)觸摸式移動(dòng)設(shè)備的整體用戶體驗(yàn)。

觸覺技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止用戶提醒或者按鍵確認(rèn)那么簡單。標(biāo)準(zhǔn)的手勢操作，例如：滑動(dòng)解鎖、手指縮放圖片以及上下拖動(dòng)翻頁等，都可以擁有屬于自己的觸覺/感知特性。當(dāng)用戶將圖片放至最大尺寸觀看時(shí)，觸覺反饋強(qiáng)度也會(huì)增加。快速滾動(dòng)操作時(shí)，觸覺反饋也會(huì)更快。如果這種情景敏感型反饋同聲音反饋相結(jié)合，所得到的用戶體驗(yàn)會(huì)令人高度滿意，也更加直觀。

另外，觸覺反饋還帶來了另一種樂趣。許多人都使用移動(dòng)設(shè)備玩游戲。觸覺反饋技術(shù)可以極大地改善游戲體驗(yàn)。例如，在第一人稱射擊游戲中，游戲主角可以真實(shí)地感受到武器射擊帶來的震撼。用戶可以在賽車游戲中感覺到車載的碰撞和顛簸，在流行的“憤怒的小鳥”游戲中感受釋放彈弓繩時(shí)的彈力，在演奏游戲中真實(shí)感受吉他琴弦或者鋼琴鍵等等，諸如此類。游戲開發(fā)者的想象力將創(chuàng)造出無限的體驗(yàn)可能性！

慣性觸覺傳動(dòng)器（ERM/LRA）

手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)觸覺反饋功能，通過一個(gè)被稱作偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量傳動(dòng)器(ERM)的小型馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。該馬達(dá)受到電壓驅(qū)動(dòng)開始旋轉(zhuǎn)，用戶便可感覺到振動(dòng)。觸覺反饋驅(qū)動(dòng)器芯片以差動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，因此馬達(dá)在正電壓起作用時(shí)旋轉(zhuǎn)，而在反極性即負(fù)電壓起作用時(shí)停止。用于振動(dòng)提醒時(shí)，這種方法十分有效。但是，當(dāng)把ERM用于其他觸覺反饋應(yīng)用時(shí)，例如：游戲等，設(shè)備電池電量迅速下降。

ERM存在慣性，需要過驅(qū)動(dòng)才能更快速地旋轉(zhuǎn)。啟動(dòng)時(shí)間是指馬達(dá)達(dá)到90%額定加速度所需的時(shí)間，其范圍通常為50到100 ms。馬達(dá)制動(dòng)或者停止的時(shí)間范圍類似。觸發(fā)一個(gè)非常簡單的觸覺反饋事件（例如：點(diǎn)擊），耗時(shí)約100到200 ms。如果應(yīng)用要求重復(fù)觸覺反饋事件，則馬達(dá)型觸覺反饋的延遲便不那么理想。

ERM的另一個(gè)方面是旋轉(zhuǎn)馬達(dá)產(chǎn)生的嗡嗡聲，即人耳可以聽見的噪聲。如果觸覺反饋與聲音反饋結(jié)合使用，可以部分緩解這個(gè)問題。但是，在安靜的會(huì)議室里，如果有人在發(fā)短信，則所有人都能聽到這種噪聲。另外，ERM的觸覺反饋效果會(huì)因用戶操作而變得不明顯。振動(dòng)頻率和振幅，與單控制電壓有關(guān)。

另一種慣性傳動(dòng)器即線性共振傳動(dòng)器（LRA），用于一些智能手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)觸覺反饋和振動(dòng)提醒。相比ERM，LRA的機(jī)械結(jié)構(gòu)不同。它包含一個(gè)安裝在彈簧上的質(zhì)量塊，以線性運(yùn)動(dòng)方式振動(dòng)。LRA必須在窄共振頻率下受到驅(qū)動(dòng)。另外，它的啟動(dòng)時(shí)間稍好于ERM。

根據(jù)不同的制造廠商，啟動(dòng)時(shí)間范圍為40到60 ms（圖1），相比ERM的啟動(dòng)時(shí)間（50到100ms）要好一些。通過對共振載波振幅進(jìn)行調(diào)制，可以產(chǎn)生各種不同的觸覺反饋效果。

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圖1:LRA的典型啟動(dòng)時(shí)間為40到60ms

高分辨率觸覺反饋

高清(HD)電視比標(biāo)清電視的分辨率更高，因此能夠提供更加銳麗和清晰的畫面。同樣，相比慣性傳動(dòng)器的嗡嗡振動(dòng)，高分辨率觸覺反饋也可以讓用戶感受到更明顯的振動(dòng)效果。壓電(piezo)或者陶瓷式觸覺反饋傳動(dòng)器用于實(shí)現(xiàn)HD觸覺反饋，提供與ERM/LRA不一樣的美好體驗(yàn)。

壓電式傳動(dòng)器

當(dāng)在壓電式傳動(dòng)器兩端施加差動(dòng)電壓時(shí)，它會(huì)彎曲變形，從而產(chǎn)生振動(dòng)。壓電式傳動(dòng)器需要高壓才能變形。根據(jù)不同的制造廠商，電壓可以為50到150VPP。電壓更高時(shí)，要求壓電層數(shù)減少；因此，電壓為150VPP時(shí)，壓電式傳動(dòng)器約有4層，而電壓為50VPP時(shí)，則可能有16到24層。更高電壓時(shí)，由于層數(shù)減少，壓電式傳動(dòng)器的電容更小。換句話說，驅(qū)動(dòng)低電容觸覺反饋傳動(dòng)器所需的電流更小。

壓電傳動(dòng)器使用圓盤或者矩形條的形式，也被稱作彎曲器。壓電盤垂直變形，可用于Z軸振動(dòng)。壓電彎曲器可直接安裝在一塊“漂浮”式觸摸屏上，以實(shí)現(xiàn)屏幕振動(dòng)（圖2a）。壓電彎曲器還可以貼裝到一個(gè)小型模塊中，而該模塊又可以安裝到設(shè)備的外殼或者PCB上，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備振動(dòng)（圖2b）。壓電模塊之所以流行，是因?yàn)樗臋C(jī)械集成很簡單。

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圖2:壓電式傳動(dòng)器的形狀系數(shù)

是什么讓壓電式傳動(dòng)器擁有高分辨率？

四大因素讓壓電式傳動(dòng)器區(qū)別于慣性傳動(dòng)器：

1、 啟動(dòng)更快：由于其固有機(jī)械屬性，壓電式傳動(dòng)器的啟動(dòng)時(shí)間非常短—一般小于15ms，比ERM快3到4倍。相比ERM，總體觸覺反饋事件持續(xù)時(shí)間縮短70ms。圖3對此進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

2、 帶寬更高：壓電式傳動(dòng)器的更高帶寬（參見圖4），可提供更細(xì)膩的觸覺反饋組合，實(shí)現(xiàn)更多的效果。

3、 噪聲更低：與ERM不同，壓電式傳動(dòng)器沒有旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)械噪聲。

4、 振動(dòng)更強(qiáng)：壓電式模塊可產(chǎn)生更高的振動(dòng)強(qiáng)度。圖5顯示了一個(gè)市售壓電式模塊的加速特性，而圖6顯示了一個(gè)市售LRA的加速特性。我們可以看到，相比LRA低于1.5 GPP的峰值到峰值加速度，壓電式傳動(dòng)器產(chǎn)生了3 GPP的峰值到峰值加速度。這種更高的振動(dòng)強(qiáng)度意味著，壓電式模塊是大屏幕智能手機(jī)和平板電腦的理想選擇。

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圖3:壓電式模塊的典型啟動(dòng)時(shí)間為~14 ms

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圖4:壓電式傳動(dòng)器（理想模塊）的帶寬更高

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圖5:壓電式模塊的加速特性

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圖6:LRA的加速特性

壓電式傳動(dòng)器的電流消耗

盡管壓電式傳動(dòng)器所需電壓高于標(biāo)準(zhǔn)慣性傳動(dòng)器，但是實(shí)際電流消耗卻低于ERM，大小與LRA一樣（參見表1）。

表1：觸覺反饋傳動(dòng)器的功耗

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結(jié)論

相比慣性傳動(dòng)器，壓電式傳動(dòng)器擁有較大的性能和成本優(yōu)勢。它具有更短的啟動(dòng)時(shí)間，幫助鍵盤應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)烈而輕快的點(diǎn)擊確認(rèn)。它的高帶寬優(yōu)點(diǎn)，可幫助實(shí)現(xiàn)用戶更易感知的觸覺效果，這一點(diǎn)對游戲應(yīng)用至關(guān)重要。壓電式傳動(dòng)器具有更強(qiáng)的振動(dòng)，可以為一些大尺寸消費(fèi)類設(shè)備（例如：平板電腦和電子閱讀器等）帶來觸覺反饋功能。總之，壓電式觸覺反饋技術(shù)擁有許多引人注目的特性，可以增強(qiáng)觸覺反饋體驗(yàn)，幫助提高移動(dòng)設(shè)備的整體用戶體驗(yàn)。

TI同時(shí)供應(yīng)模擬輸入（DRV8662）和數(shù)字輸入（DRV2665）壓電式觸覺反饋驅(qū)動(dòng)器，其可以與市場上的各種壓電式傳動(dòng)器一起使用。另外，TI還提供一些讓廣大設(shè)計(jì)人員“耳目一新”的演示。

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2012-10-17 11:34:47 上傳

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