壓電式觸覺解決方案：觸，動人心！

壓電式觸覺反饋解決方案的市場前景廣闊，無論是智能手機(jī)、汽車、工業(yè)控制、家用電器還是游戲機(jī)都呈現(xiàn)出利好發(fā)展趨勢。

隨著市場對便捷性和安全性要求的不斷提高，諸如觸摸屏和其他觸控面板等多功能人機(jī)界面 (HMI)幾乎無處不在。偏心馬達(dá)(ERM) 或線性馬達(dá)(LRA) 等現(xiàn)有觸覺反饋解決方案有許多缺點(diǎn)，包括尺寸相對較大、插入高度與顯示控制器高度相關(guān)以及在智能手機(jī)或平板等電池供電設(shè)備上功耗較高等。此外，無論是反饋的頻率還是強(qiáng)度，都只能在非常窄的范圍內(nèi)變化，且不具備任何傳感器功能。

TDK的PowerHap?和PiezoHapt?系列壓電式執(zhí)行器提供了更好的替代解決方案，它們將壓力傳感器和執(zhí)行器集成在一起，能為觸覺反饋應(yīng)用提供各種執(zhí)行器產(chǎn)品。其中，PowerHap的力度更大，PiezoHapt更薄。

典型加速度g與電壓關(guān)系曲線（負(fù)載100克）。此處電壓信號是一 個峰值120 V的半正弦波，脈沖長度5 ms，對應(yīng)頻率為200 Hz

1   纖薄的觸覺反饋執(zhí)行器PiezoHapt L

TDK專為汽車和智能手機(jī)顯示器開發(fā)了L8060和L3015型執(zhí)行器，其插入高度極小，僅為0.35 mm和0.3 mm，面積也只有80 mm×60 mm (L8060) 和30 mm×15 mm (L3015)。PiezoHapt采用單晶結(jié)構(gòu)設(shè)計，基于1個一端連接到振動板的扁平積層壓電元件，能直接安裝到顯示器下面（圖1）。

圖1 超薄TDK PiezoHapt（小于35 mm）適用于智能手機(jī)、平板和車載顯示器。

執(zhí)行器的工作電壓≤24 V (L8060) 或≤12 V (L3015)。根據(jù)施加電壓的幅值和頻率，PiezoHapt能產(chǎn)生豐富的振動型式，在200 Hz正弦頻率下可實(shí)現(xiàn)(40~65) μm的位移。這些型號尤其適合用于OLED顯示器。

圖2 正方形PowerHap執(zhí)行器的設(shè)計。該系列產(chǎn)品包括4種型號，邊緣長度在(9.0~26.0) mm之間，插入高度則在(1.1~2.3) mm之間。憑借積層技術(shù)，其可實(shí)現(xiàn)25 N以上的力和230 μm的位移。

2   PowerHap：優(yōu)異的加速度、力和響應(yīng)時間

PowerHap系列執(zhí)行器基于帶內(nèi)置銅電極的積層壓電板?；驹O(shè)計如圖2所示。

為壓電板施加電壓后，它在z軸的擴(kuò)散的極小，但由于持續(xù)的壓電效應(yīng)，電壓會同時在x和y軸收縮。壓電板上的2個鈦鈸（1邊1個）會將x和y軸的收縮在z軸上放大15倍，從而實(shí)現(xiàn)最大230 μm的位移（2626H023V120型）。施加電壓和位移之間的線性度非常高（對于該型號而言，位移/電壓比是1.8 μm/V），這一點(diǎn)非常實(shí)用。它能同時實(shí)現(xiàn)信號幅值和波形的精確可變控制。

借助積層壓電技術(shù)，PowerHap的響應(yīng)時間和加速度性能都極佳。例如，在僅僅1 ms的上升時間范圍內(nèi)，壓電振子的加速度就能達(dá)到15.0 g；若負(fù)載為100克，則可實(shí)現(xiàn)最大35 g的最大加速度值，從而產(chǎn)生非常大的力（25 N）。傳統(tǒng)解決方案根本無法達(dá)到同等水平的性能。2626H023V120型執(zhí)行器的響應(yīng)時間和加速度如圖3所示。

PowerHap執(zhí)行器適用的觸發(fā)范圍很廣，為1~500 Hz，而且適合各種幅值、周期和信號波形（例如正弦波、三角波或方波等）。根據(jù)具體型號的不同，驅(qū)動電壓可在20~120 V或-10~60 V之間。因此，這些執(zhí)行器能為人體機(jī)械刺激感受器生成定制的觸覺反饋。相應(yīng)地，這些執(zhí)行器使設(shè)計師可為汽車和工業(yè)應(yīng)用中希望實(shí)現(xiàn)先進(jìn)HMI的用戶創(chuàng)造出特定的高清觸覺反饋。不超過2.3 mm厚的小尺寸設(shè)計與強(qiáng)反饋相結(jié)合，使這些執(zhí)行器不僅能集成到顯示器中，而且還能直接置于平面設(shè)備之下。這對于食品工業(yè)或醫(yī)療技術(shù)等同時存在嚴(yán)苛工業(yè)環(huán)境和嚴(yán)格衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，可助力實(shí)現(xiàn)所必需的高密封性水平。

在作為傳感器使用時，PowerHap的輸出電壓能在大范圍內(nèi)保持與施加壓力的比例關(guān)系。

3   傳感器特性

除了優(yōu)秀的性能，借助于積層壓電技術(shù)，PowerHap元器件還具備優(yōu)異的傳感器功能。眾所周知，傳統(tǒng)開關(guān)或按鈕只能提供導(dǎo)通和關(guān)斷2種開關(guān)狀態(tài)，而PowerHap則可提供與所施加壓力成比例的輸出電壓，相應(yīng)的特性曲線如圖4所示。

與傳統(tǒng)機(jī)械按鈕不同，使用PowerHap甚至能實(shí)現(xiàn)根據(jù)所施加壓力的大小，觸發(fā)不同的動作和觸覺反饋的獨(dú)特解決方案。

圖3 長方形PowerHap產(chǎn)品適合顯示器的橫向控制。典型應(yīng)用包括車載顯示器等。

4   超薄設(shè)計，能橫向安裝于纖薄設(shè)備中

除了適合安裝于平面下方的正方形PowerHap產(chǎn)品之外，TDK還開發(fā)了4種型號的超薄長方形PowerHap產(chǎn)品，可同時提供垂直和橫向觸覺反饋。2種最小的型號長度僅為9 mm和12 mm，特別適合智能手機(jī)、平板電腦、家用電器、游戲機(jī)、VR/AR設(shè)備、智能手表、數(shù)字記錄儀和手持醫(yī)療設(shè)備等。另外2種較大的型號側(cè)面長度為60 mm，是目前功能最強(qiáng)大的PowerHap產(chǎn)品，可產(chǎn)生高達(dá)50 N的力，可移動重達(dá)1 kg的物體。例如，這些強(qiáng)大的套件能安裝到顯示器側(cè)面，以實(shí)現(xiàn)水平方向上的觸覺反饋，如圖5所示。

為讓用戶了解PowerHap執(zhí)行器的多種觸覺反饋性能，TDK提供了2款評估套件。BOS1901Kit開發(fā)板基于60 V執(zhí)行器（0909H011V060,0904H014V060和1204H018V060）設(shè)計，觸覺執(zhí)行器架構(gòu)來自Boréas Technologies。該款開發(fā)板具有尺寸緊湊、電流消耗小和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。除此之外，還提供了對電壓幅值、頻率、脈沖重復(fù)頻率、信號波形和傳感器功能進(jìn)行調(diào)節(jié)的選項。

第2款評估套件適用于60 V和120 V PowerHap產(chǎn)品，并提供了2種型號：一種針對單個執(zhí)行器(Z63000Z2910Z 1Z 1)，另一種則適用于多達(dá)5個執(zhí)行器(Z63000Z2910Z 1Z 7)。這些套件包含了0909H011V060、1313H018V120和2626H023V120型號的PowerHap執(zhí)行器。

圖4 評估套件可以給用戶提供關(guān)于PowerHap執(zhí)行器觸覺反饋性能的初步印象，并幫助他們對各種設(shè)計因素進(jìn)行評估

5   強(qiáng)大的合作廠商，一流的設(shè)計支持

采用觸覺反饋的系統(tǒng)是一種相對較新的技術(shù)。因此，尚無可供借鑒的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。為使不同行業(yè)的客戶都能實(shí)現(xiàn)快速和高性價比的觸覺解決方案設(shè)計，TDK攜手3家領(lǐng)先的觸控企業(yè)，并組成合資聯(lián)盟。

Aito 主要提供基于HapticTouch硬件和軟件的控制器解決方案，能把壓電執(zhí)行器轉(zhuǎn)換成帶觸覺反饋的精密觸摸傳感器。這樣就可以在平滑表面上模擬觸控開關(guān)或按鈕。綜合應(yīng)用TDK和Aito的觸覺反饋技術(shù)能在智能手機(jī)觸摸屏上實(shí)現(xiàn)觸控解決方案，或者替換掉汽車上的傳統(tǒng)開關(guān)和按鈕。Aito專注于使用TDK小型PiezoHapt S系列執(zhí)行器的解決方案。

Boréas Technologies已經(jīng)開發(fā)出了基于其CapDrive?專利技術(shù)的BOS1901驅(qū)動集成芯片。該芯片能效特別高，而且提供了傳感器功能，特別適合用于控制工作電壓在60 V以下的TDK PowerHap執(zhí)行器。接下來，Boréas將會為最高驅(qū)動電壓120 V的大型TDK PowerHap產(chǎn)品開發(fā)首款低功耗壓電驅(qū)動集成芯片。

Immersion是領(lǐng)先的觸覺反饋技術(shù)開發(fā)商和授權(quán)商。該公司與TDK簽署了PowerHap和PiezoHapt執(zhí)行器的合作推廣協(xié)議。Immersion授權(quán)這些執(zhí)行器與其軟件產(chǎn)品配合使用，并將這些執(zhí)行器納入了他們的參考設(shè)計之中。這樣可幫助客戶利用世界上最纖薄和最強(qiáng)大的執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的觸控解決方案。

未來，越來越多的設(shè)備和系統(tǒng)都會配備觸覺反饋裝置，以提高便捷性、安全性和操作可靠性。憑借獨(dú)特的產(chǎn)品系列以及與合資聯(lián)盟的密切協(xié)作，TDK能為各種觸摸應(yīng)用提供最佳解決方案。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）