利用压电元件实现触觉反馈

作者：Jeff Smoot 是 Same Sky 应用工程和运动控制部门副总裁

触觉 (haptic) 一词源于希腊语，意思是“抓住”或“感知”，在工程学中指利用触觉的技术。在电子系统中，触觉通常用来描述集成到设备中的力或触觉反馈机制，以增强人机互动。

从工程学的角度来看，触觉反馈通常通过机械致动器来实现。这些致动器可产生受控振动、运动或力，具体包括偏心旋转质量块 (ERM) 电机、线性谐振致动器 (LRA) 和压电元件，可模拟现实世界中的物理感觉，如压力、重量和表面纹理。通过结合触觉模态，触觉技术补充了视觉和听觉线索，使数字界面更直观、反应更灵敏。这对于需要精确输入验证或沉浸式用户体验（包括虚拟物体操作）的应用来说尤为重要。

对增强型交互需求的不断增长，加速了触觉技术在多个领域的应用。从消费电子产品中的游戏控制器和触摸屏，到汽车仪表盘中的反馈控制器和医疗保健领域的手术仿真，触觉技术正成为用户体验和系统功能的关键组成部分。本文将详细介绍触觉反馈，包括基础技术和在触觉技术中使用压电元件的优势。

常见的触觉致动器技术

触觉致动器是一种机电传感器，通过将电能转化为机械运动来产生振动、位移或压力等触觉感受。这种致动器是触觉反馈系统的功能核心，可在用户界面中实现精确的物理响应。

有多种致动技术可用于触觉系统，每种技术都有其不同的工作原理和性能特点：

• 压电致动器 利用压电元件，在外加电场的作用下产生机械变形和振荡，从而提供高频率、小位移、低延迟的反馈信号。(请参阅 [Same Sky] [压电元件] 系列）。
• 偏心旋转质量块 (ERM) 电机 由安装在直流电机轴上的偏心质量块组成。驱动时，不平衡负载的旋转会产生频率通常较低振动力。这种技术常见于移动设备和低成本应用。
• 电活性聚合物 (EAP) 致动器 使用在电场作用下会膨胀或收缩的介电聚合物。这类材料可以产生平滑、灵活的运动曲线，但通常需要较高的驱动电压。
• 线性谐振致动器 (LRA) 的工作原理是利用交变电磁场沿单条轴线驱动一个磁性块。与 ERM 相比，将 LRA 调谐到共振频率后可提供更高效、响应时间更快的定向反馈。
• 音圈致动器 (VCA) 利用洛伦兹力原理，即悬浮在磁场中的线圈在电流作用下会进行线性移动。VCA 在宽带下工作，可对振幅和频率进行精确控制。

每种致动器类型都需要在频率响应、功率效率、集成复杂度和反馈保真度方面进行权衡。具体选择取决于目标应用——无论是可穿戴设备中的微妙触觉提示、AR/VR 界面中的沉浸式触觉，还是汽车触摸屏中的强烈反馈。

触觉反馈中压电元件的基础知识

压电效应是指某些材料在受到机械应力时会产生电荷。重要的是，这种现象是可逆的：当对这些材料施加电场时，会发生可测量的机械变形。这种可逆特性是触觉反馈系统中所用压电致动器的基本工作原理。

在触觉应用中，压电元件主要由反向效应驱动，以便根据输入电压产生微尺度位移或振动。由于具有双向性，这些元件还可配置为力或压力传感器，从而将双重功能集成到触敏界面或闭环系统中。

压电弯曲器是一种常见的致动器结构，由两个极化相反的压电层粘合而成。当施加电压时，其中的一层会膨胀，而另一层会收缩，从而导致结构弯曲。这种挠曲位移非常适合需要高精度和局部移动的应用。

相比之下，多层压电元件将许多薄压电层并联堆叠在一起，在降低工作电压的同时显著提高了机械输出功率。在需要较大力或位移的情况下，例如在具有较大触觉表面或电压幅度有限的低功耗嵌入式系统中，这些结构具有明显的优势。

压电元件的偏转幅度与输入信号成正比，从而实现对静态定位和动态振动曲线的高分辨率控制。与许多其他类型的致动器不同，压电元件可独立对位置和振幅进行精细调节，因此非常适合对信号细微差别或编码反馈要求极高的应用。

图 1：压电元件的“弯曲”。（图片来源：Same Sky）

压电元件在触觉设计中的优势

触觉反馈系统中使用的压电元件利用反压电效应产生快速、高力机械位移。压电元件固有的材料特性使其响应时间通常低于 1 毫秒，从而以最小的延迟实现实时触觉反馈，这在要求高精度和用户瞬时响应的应用中至关重要。

与质量块驱动致动器（如 ERM 或 LRA）不同，压电装置不依赖于悬挂元件的惯性或共振。因此，压电器件的功耗更低，稳定时间更快。这些特性使压电器件特别适合集成到能效和外形尺寸均受到严格限制的电池供电型或便携式系统中。

压电元件纤细、扁平的几何形状有利于实现紧凑的机械集成。因此，工程师可以在单一设计中嵌入多个压电致动器，从而放大触觉净输出或在用户界面上实现空间分布解析的触觉信号。在触摸板、可穿戴设备和电容式触摸屏等应用中，这些配置可用于模拟运动、方向提示或压力梯度。

压电致动器在驱动信号频率、幅度和波形方面具有很高的可配置性，支持各种反馈质地和效果。此外，该技术还提供多种机械和电气形式，包括定制直径、厚度、额定电压和安装方式，可为汽车、医疗、工业和消费电子市场提供量身定制的解决方案。

压电元件的设计考虑因素

设计基于压电技术的触觉反馈系统需要仔细考虑以下几个关键因素：

• 驱动块： 使推杆力与惯性负载相匹配，以确保有效的振动传递。
• 元件类型： 根据电压、位移和尺寸限制，选择单层或多层元件。
• 机械包络面： 确保执行机构安装在可用空间内。
• 致动轴： 确定运动方向，以选择合适的元件集合形状。
• 电源和驱动器： 将系统电源与压电器件的电容负载相匹配，并选择兼容型驱动器以实现高效激励。
• 频率要求： 确定元件的[谐振频率] )或所需带宽，以获得最佳触觉反馈。
• 热条件： 确认压电元件的工作温度范围满足系统的环境条件。

结束语

将有效且用户体验友好的触觉反馈集成到产品中，需审慎评估致动器的性能参数，包括振动强度、响应灵敏度、位置精度、封装及能效。压电元件非常适合这些要求，可在各种条件下提供精确的低功耗操作。Same Sky 的压电元件产品组合支持各种尺寸和配置，是现代电子系统中触觉反馈和振动传感的多用途解决方案。