压电式传动器带来不一样的触觉体验

关键词： 触觉 , 压电

作者：德州仪器 (TI) 触觉技术产品线经理 ShreHarsha Rao

尽管大多数智能手机和平板电脑用户都已经体验过触觉技术，但是触觉学这个术语本身却很少为消费者所了解。就其基本定义而言，“触觉学”是指触觉反馈科学。触觉技术最为基本的应用形式是，手机通过振动提示用户来电或者收件箱有一条新的短信。在这些情况下，手机利用触觉技术，引起用户的请注意。

约有三分之一的智能手机都使用了触觉反馈技术，其实现的功能已不仅仅只是振动提醒。一个常见例子是，当使用手机编写电子邮件或者发短信时，用户会感受到细微的振动反馈。成功按下某个按键后，手机就会振动确认一次。在使用触觉反馈的情况下，用户很少会出现的输入错误，并且操作体验也更满意。

利用触觉技术增强用户体验

越来越多的移动设备，例如：手机和平板电脑等，都在使用触摸功能。触摸界面是如此的简单和直观，以至于三岁小孩也会解锁智能手机，然后点击YouTube图标查看视频播放列表。但是，触摸屏存在一个严重的局限性：因为没有物理或者机械反馈，无法实现用户互动或者提醒。设计优秀的触觉反馈功能，可以极大增强触摸式移动设备的整体用户体验。

触觉技术的应用远不止用户提醒或者按键确认那么简单。标准的手势操作，例如：滑动解锁、手指缩放图片以及上下拖动翻页等，都可以拥有属于自己的触觉/感知特性。当用户将图片放至最大尺寸观看时，触觉反馈强度也会增加。快速滚动操作时，触觉反馈也会更快。如果这种情景敏感型反馈同声音反馈相结合，所得到的用户体验会令人高度满意，也更加直观。

另外，触觉反馈还带来了另一种乐趣。许多人都使用移动设备玩游戏。触觉反馈技术可以极大地改善游戏体验。例如，在第一人称射击游戏中，游戏主角可以真实地感受到武器射击带来的震撼。用户可以在赛车游戏中感觉到车载的碰撞和颠簸，在流行的“愤怒的小鸟”游戏中感受释放弹弓绳时的弹力，在演奏游戏中真实感受吉他琴弦或者钢琴键等等，诸如此类。游戏开发者的想象力将创造出无限的体验可能性！

惯性触觉传动器（ERM/LRA）

手机中的标准触觉反馈功能，通过一个被称作偏心旋转质量传动器(ERM)的小型马达来实现。该马达受到电压驱动开始旋转，用户便可感觉到振动。触觉反馈驱动器芯片以差动方式驱动马达，因此马达在正电压起作用时旋转，而在反极性即负电压起作用时停止。用于振动提醒时，这种方法十分有效。但是，当把ERM用于其他触觉反馈应用时，例如：游戏等，设备电池电量迅速下降。

ERM存在惯性，需要过驱动才能更快速地旋转。启动时间是指马达达到90%额定加速度所需的时间，其范围通常为50到100 ms。马达制动或者停止的时间范围类似。触发一个非常简单的触觉反馈事件（例如：点击），耗时约100到200 ms。如果应用要求重复触觉反馈事件，则马达型触觉反馈的延迟便不那么理想。

ERM的另一个方面是旋转马达产生的嗡嗡声，即人耳可以听见的噪声。如果触觉反馈与声音反馈结合使用，可以部分缓解这个问题。但是，在安静的会议室里，如果有人在发短信，则所有人都能听到这种噪声。另外，ERM的触觉反馈效果会因用户操作而变得不明显。振动频率和振幅，与单控制电压有关。

另一种惯性传动器即线性共振传动器（LRA），用于一些智能手机中，实现触觉反馈和振动提醒。相比ERM，LRA的机械结构不同。它包含一个安装在弹簧上的质量块，以线性运动方式振动。LRA必须在窄共振频率下受到驱动。另外，它的启动时间稍好于ERM。

根据不同的制造厂商，启动时间范围为40到60 ms（图1），相比ERM的启动时间（50到100ms）要好一些。通过对共振载波振幅进行调制，可以产生各种不同的触觉反馈效果。

2012-10-17 11:03:58 上传

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图1:LRA的典型启动时间为40到60ms

高分辨率触觉反馈

高清(HD)电视比标清电视的分辨率更高，因此能够提供更加锐丽和清晰的画面。同样，相比惯性传动器的嗡嗡振动，高分辨率触觉反馈也可以让用户感受到更明显的振动效果。压电(piezo)或者陶瓷式触觉反馈传动器用于实现HD触觉反馈，提供与ERM/LRA不一样的美好体验。

压电式传动器

当在压电式传动器两端施加差动电压时，它会弯曲变形，从而产生振动。压电式传动器需要高压才能变形。根据不同的制造厂商，电压可以为50到150VPP。电压更高时，要求压电层数减少；因此，电压为150VPP时，压电式传动器约有4层，而电压为50VPP时，则可能有16到24层。更高电压时，由于层数减少，压电式传动器的电容更小。换句话说，驱动低电容触觉反馈传动器所需的电流更小。

压电传动器使用圆盘或者矩形条的形式，也被称作弯曲器。压电盘垂直变形，可用于Z轴振动。压电弯曲器可直接安装在一块“漂浮”式触摸屏上，以实现屏幕振动（图2a）。压电弯曲器还可以贴装到一个小型模块中，而该模块又可以安装到设备的外壳或者PCB上，从而实现整个设备振动（图2b）。压电模块之所以流行，是因为它的机械集成很简单。

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图2:压电式传动器的形状系数

是什么让压电式传动器拥有高分辨率？

四大因素让压电式传动器区别于惯性传动器：

1、 启动更快：由于其固有机械属性，压电式传动器的启动时间非常短—一般小于15ms，比ERM快3到4倍。相比ERM，总体触觉反馈事件持续时间缩短70ms。图3对此进行了详细的描述。

2、 带宽更高：压电式传动器的更高带宽（参见图4），可提供更细腻的触觉反馈组合，实现更多的效果。

3、 噪声更低：与ERM不同，压电式传动器没有旋转质量产生的机械噪声。

4、 振动更强：压电式模块可产生更高的振动强度。图5显示了一个市售压电式模块的加速特性，而图6显示了一个市售LRA的加速特性。我们可以看到，相比LRA低于1.5 GPP的峰值到峰值加速度，压电式传动器产生了3 GPP的峰值到峰值加速度。这种更高的振动强度意味着，压电式模块是大屏幕智能手机和平板电脑的理想选择。

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图3:压电式模块的典型启动时间为~14 ms

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图4:压电式传动器（理想模块）的带宽更高

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图5:压电式模块的加速特性

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图6:LRA的加速特性

压电式传动器的电流消耗

尽管压电式传动器所需电压高于标准惯性传动器，但是实际电流消耗却低于ERM，大小与LRA一样（参见表1）。

表1：触觉反馈传动器的功耗

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结论

相比惯性传动器，压电式传动器拥有较大的性能和成本优势。它具有更短的启动时间，帮助键盘应用程序实现强烈而轻快的点击确认。它的高带宽优点，可帮助实现用户更易感知的触觉效果，这一点对游戏应用至关重要。压电式传动器具有更强的振动，可以为一些大尺寸消费类设备（例如：平板电脑和电子阅读器等）带来触觉反馈功能。总之，压电式触觉反馈技术拥有许多引人注目的特性，可以增强触觉反馈体验，帮助提高移动设备的整体用户体验。

TI同时供应模拟输入（DRV8662）和数字输入（DRV2665）压电式触觉反馈驱动器，其可以与市场上的各种压电式传动器一起使用。另外，TI还提供一些让广大设计人员“耳目一新”的演示。

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2012-10-17 11:34:47 上传

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