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触觉技术大比拼:ERM、LRA、压电哪个适合你?

时间:2020-07-02 作者:Boréas Technologies 阅读:
触觉反馈(Haptic feedback)并非新技术。我们回到1960年代,就能发现采用振动反馈向用户发送信息的首次设备更迭。过去用于产生振动的系统,目前仍然在低成本设备中用于产生基本的触觉反馈。那么当前几种主流触觉反馈技术,偏心旋转质量(ERM)、线性谐振致动器(LRA)、压电触觉致动器,各有什么优势劣势?分别适合什么应用呢?
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触觉反馈(Haptic feedback)并非新技术。我们回到1960年代,就能发现采用振动反馈向用户发送信息的首次设备更迭。过去用于产生振动的系统,目前仍然在低成本设备中用于产生基本的触觉反馈。ypEEETC-电子工程专辑

历史悠久、低成本的振动反馈方案

偏心旋转质量(Eccentric rotating mass,ERM)通常称作振动电机,这种触觉系统以高频转动偏心质量的电机组成。从1960年代至今,相同的概念仍在使用,但此技术已被小型化,以适应更小型的设备。ypEEETC-电子工程专辑

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凭借低成本优势,目前偏心旋转质量致动器仍在许多设备中用于产生触觉反馈,但是它们开始被效能更好的技术所取代。如今我们生活在一个数字化的世界中,周围环绕着各种具触控屏幕的设备。为了提升设备的用户体验,全球的公司都在开发新型技术,因此,更好的触控技术也随之发展。ypEEETC-电子工程专辑

压电触觉致动器(piezoelectric haptic actuator)就是其中一种高效能的技术。基于某些材料的压电效应,此技术比ERM电机具备更多优势。压电解决方案不需要转动偏心质量,而需要使用压电驱动器,透过压电驱动器的致动器材料发送高压电源,使其变形并产生触觉反馈。接下来我们将一起了解压电和ERM触觉的区别,以及你在应用中应该使用的触觉技术。ypEEETC-电子工程专辑

压电触觉vs. ERM触觉

触觉学中的加速度与你感觉到的触觉反馈强度相关;致动器可达到的加速度越高,其产生的触觉反馈越强。ypEEETC-电子工程专辑

ERM系统可达到的加速度相当有限,原因很容易理解:电机需要加速质量才能产生振动。因此,它需要打破质量惯性,并将速度提升至最佳频率。然而,质量的加速度不是瞬时的,这就是ERM电机因不精确而发出隆隆声响的原因。ypEEETC-电子工程专辑

另一方面,压电致动器没有机械限制。由于振动不依靠质量旋转,一旦高压到达压电材料,致动器就会振动,因此压电致动器可比ERM电机产生更强、更清晰的反馈。此外,以Boréas Technologies的压电式CapDrive技术为例,ERM解决方案的耗能高出20倍ypEEETC-电子工程专辑

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功耗:ERM vs. CapDrive技术压电触觉。资源来源:数据摘自《触觉能量消耗》,德州仪器(TI)应用报告SLOA194,2014年5月。数据指出,Boréas的数据点是通过TI的DRV8662芯片和 Boréas的驱动器之间的测量比较得出。ypEEETC-电子工程专辑

压电触觉技术在其他领域的主要优势是总功耗。压电致动器效能非常高,遗憾的是,致动器的低功耗被效能不佳的压电驱动器抵消。自从CapDrive技术发布后情况产生了变化。首款采用CapDrive技术的压电触觉驱动IC (BOS1901),号称是市面上效能最高的压电驱动器,如果你希望整合触控到功耗受限的设备中(例如移动设备),压电触觉技术是优于ERM解决方案的选择。ypEEETC-电子工程专辑

压电近乎瞬时反应,振动电机反应时间较慢

触觉反馈需要完美的时机才能产生最佳的反馈,响应时间越快,可转化为更清晰、更精确的触觉反馈。振动电机需要更长时间来加速旋转质量,并达到其峰值频率(最佳反馈区域);此外在达到效果后它们要对质量进行降速,ERM通常需要长达50毫秒(ms)才能达到峰值频率,加速和减速的延迟会在达到峰值的开始和结束时产生轻微的不良振动。ypEEETC-电子工程专辑

压电致动器的实时反应时间不到2 ms,这代表你几乎感觉不到加速和减速过程中产生的轻微不良触觉反馈。压电触觉产生更清晰、更精确的反馈,压电致动器的限制因素实际上是压电驱动器的响应时间。BOS1901压电驱动器的响应时间不到6ms。ypEEETC-电子工程专辑

压电触觉技术比ERM系统节省大量空间

与压电触觉解决方案相比,ERM振动电机触觉系统更大且占用更多空间。虽然ERM驱动器确实比压电驱动器更小,但是最大的区别在于致动器的尺寸。压电致动器比ERM小,并且提供更大的触觉反馈。ypEEETC-电子工程专辑

如果你需要外观小巧的解决方案,压电触控是比振动电机更好的选择。ypEEETC-电子工程专辑

压电效应的优势

压电效应是可逆的,你可以对压电材料施加高电压使其移动,但是当压电材料变形后会产生电荷。当你按下压电致动器时,压电材料会稍微变形,致动器产生电流。采用CapDrive技术的压电驱动器可以检测到电流,而且它们可以检测压力并触发来自同一致动器的反馈。ypEEETC-电子工程专辑

偏心旋转质量触觉方案只能触发触觉反馈,因此如果需要检测压力,除了触觉系统,还需要一个完整的压力感测硬件系统。ypEEETC-电子工程专辑

这意味着如果你需要在施加压力时触发的触觉方案(例如替换机械按钮),就可以取消感测硬件,只依靠一个压电致动器和一个CapDrive压电驱动器。这可大幅节省空间;一款SmartClik无按钮电话原型机就是这么做的。ypEEETC-电子工程专辑

高解析触觉技术vs.基础型技术方案

压电致动器可以产生更先进的触觉效果。像扬声器一样,它们使用来自放大器(压电驱动器)的电波形讯号,可以在广泛的频率和幅度范围内运作,产生各种触觉效果。你可以根据应用定制触觉反馈,来创建丰富、细致的反馈。这就是我们所说的高清触觉反馈。ypEEETC-电子工程专辑

另一方面,ERM解决方案的频率范围相当有限,无法创建最佳的反馈效果。这意味着你的触觉效果范围相当有限,ERM电机受限于低质量应用。ypEEETC-电子工程专辑

压电触觉技术为ERM无法复制的更高级效果带来了可能性。压电触觉技术非常适合需要不同触觉效果的各种应用,例如:AR/VR、车用安全警报、按钮更换等。ypEEETC-电子工程专辑

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CapDrive压电触觉技术vs. ERM技术。(*质量为100克;加速度与反馈强度有关;更高的数字=更强的反馈)ypEEETC-电子工程专辑

高端电子设备新宠:LRA触觉技术

从前面的讨论我们已经看到,如果你需要低成本的解决方案,振动电机是很好的选择,但是它们在反馈质量方面相当有限,并且会产生低端的隆隆声,并非干净和清晰的触觉效果。因此,高阶电子设备制造商近年来将注意力转向另一种触觉技术──线性谐振致动器(Linear resonant actuators ,LRA)。ypEEETC-电子工程专辑

LRA目前用于许多设备中,可实现比ERM方案更佳的触觉反馈;与ERM相比,它们具备更高的加速度、更快的响应时间和更清晰的触觉反馈。LRA与ERM电机一样,也以质量运动做为基础。区别在于,质量悬挂在弹簧上并在磁场作用上下移动。ypEEETC-电子工程专辑

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LRA外形尺寸各异,有些是矩形、有些则是圆形;部份制造商甚至开发自有的LRA版本,以获得更好的效果(例如Apple的触觉引擎),但是它们与压电触觉相比呢?让我们来看看!ypEEETC-电子工程专辑

ERM、LRA、压电触觉比一比

LRA触觉解决方案比ERM电机明显提升了效能,它们可以达到更高的加速度;因此LRA可以创建比ERM解决方案更强的触觉反馈(加速度数值越大=触觉反馈越强)。但LRA加速度虽高于ERM电机,与成本较低的替代品相比仍然存在同样的问题──它们需要移动质量才能产生振动。ypEEETC-电子工程专辑

虽然LRA能够比ERM电机更快速达到其最佳频率峰值(这里我们所说的是25ms而非50ms),但它们仍然需要一些时间才能加速或减速到最佳频率峰值。压电致动器则能在2ms内达到最佳峰值,几乎瞬间的加速度使其在反馈强度方面比LRA更佳、效能更高。在移动设备中使用的LRA可以达到1到1.7G的加速度,类似尺寸的压电致动器则能达到2.5到5G的加速度。ypEEETC-电子工程专辑

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LRA功耗比压电致动器加上CapDrive压电驱动器一起消耗的还多。ypEEETC-电子工程专辑

与ERM电机相比,LRA的另一个优势是功耗更低,后者更适合电池供电的移动设备。实际上,多年来LRA一直是最有效的触觉解决方案,在CapDrive技术发表之前,LRA甚至比压电触觉更有效率。ypEEETC-电子工程专辑

然而,与整合了CapDrive压电驱动器的压电致动器IC相比,LRA消耗的功率高出4至10倍;现在该重新考虑将在电池供电的设备中使用哪种触觉技术了。ypEEETC-电子工程专辑

LRA提供比ERM电机更好的触觉反馈,但没有高清触觉技术

ERM电机会产生不精确的隆隆声,另一方面LRA可以产生更清晰的触觉反馈;这主要是因为后者具备更好的加速性。ypEEETC-电子工程专辑

LRA比ERM产生更清晰的触觉反馈,主要归功于它们的谐振频率;谐振频率是指在狭窄的频率范围,你可以在其中获得最佳振动,来放大致动器之质量的加速度和位移。ypEEETC-电子工程专辑

虽然LRA产生的反馈比ERM更加清晰,但谐振频率范围非常窄。由于LRA频率范围相当有限,因此它们的带宽不大,很难创建不同的触觉效果。不过尽管LRA的效能优于ERM电机,却无法实现压电致动器的无限频率范围,你使用的仍然是受限的LRA。另一方面,压电致动器为各种触觉效果提供了无限的可能性。ypEEETC-电子工程专辑

LRA响应时间比ERM电机快,但比压电致动器慢

LRA提供比ERM电机更好触觉效能,背后的第二个因素是其响应时间更快。就像ERM致动器一样,LRA需要移动质量来产生触觉反馈。虽然它们确实比其低成本替代产品缩短了响应时间,LRA仍需25ms时间才能达到其最佳频率范围,触觉效应后的减速期间也是如此。ypEEETC-电子工程专辑

压电致动器能在2ms内开始发挥其触觉效果,提供创建更清晰、精确触觉反馈的可能性。ypEEETC-电子工程专辑

利用压电集成的压力感应节省硬件

CapDrive压电触觉驱动器架构另一项优势是整合的压电压力感测。BOS1901压电驱动器IC可以从同一个压电致动器感应压力并产生触觉反馈;这代表当你的应用需要压力感应(例如按钮替换)时,你可以从设计中移除之前所用的压力感应硬件。ypEEETC-电子工程专辑

LRA比压电致动器占用更多空间

LRA的尺寸比压电驱动器更小巧,通常被认为它们更适用于小型设备,但是当考虑到致动器的尺寸时,就完全不同了。ypEEETC-电子工程专辑

如同ERM致动器,LRA尺寸大于具有类似加速度(反馈强度)的压电致动器,压电驱动器可以节省的空间,将远超过整合压电驱动器所能损失的空间。举例来说,BOS1901仅需7个被动组件即可运作。ypEEETC-电子工程专辑

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CapDrive压电IC vs. LRA(*质量为100克。加速度与反馈强度有关。更高的数字 = 更强的反馈)ypEEETC-电子工程专辑

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…随着压电驱动IC的演进,现在压电触觉技术的性能也比以前更好。但当然并非所有压电驱动器效能都是一样的…接下来的文章将有更进一步的探讨,敬请期待!ypEEETC-电子工程专辑

本文由Boréas Technologies提供,Judith Cheng 编辑整理ypEEETC-电子工程专辑

参考原文:ypEEETC-电子工程专辑

触觉技术的较量-第1部分:Boréas Technologies的 CapDrive压电 IC vs. 偏心旋转质量 (ERM)ypEEETC-电子工程专辑

触觉技术的较量- 第2部分:Boréas Technologies的 CapDrive压电 IC vs. 线性谐振致动器(LRA)ypEEETC-电子工程专辑

责编:Luffy LiuypEEETC-电子工程专辑

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