觸覺技術大車拼:你對它們了解多少?

作者 : Boréas Technologies

觸覺回饋並非新技術,從1960年代開始發展的振動回饋馬達到最新一代的壓電觸覺技術...各有不同的性能表現與優勢--你對它們了解多少?

觸覺回饋(Haptic feedback)並非新技術。我們回到1960年代,就能發現採用振動回饋向使用者發送訊息的首次裝置更迭。過去用於產生振動的系統,目前仍然在低成本設備中用於產生基本的觸覺回饋。

歷史悠久、低成本的振動回饋方案

偏軸轉動慣量(Eccentric rotating mass,ERM)通常稱作振動馬達,這種觸覺系統以高頻轉動偏心質量的馬達組成。從1960年代至今,相同的概念仍在使用,但此技術已被小型化,以適應更小型的裝置。

 

 

藉其低成本優勢,目前偏軸轉動慣量致動器仍在許多裝置中用於產生觸覺回饋,但是它們開始被效能更好的技術所取代。如今我們生活在一個數位化的世界中,周圍環繞著各種具觸控螢幕的裝置。為了提升裝置的使用者體驗,全球的公司都在開發新型技術,因此,更好的觸控技術也隨之發展。

壓電觸覺致動器(piezoelectric haptic actuator)就是其中一種高效能的技術。基於某些材料的壓電效應,此技術比ERM馬達具備更多優勢。壓電解決方案不需要轉動偏心質量,而需要使用壓電驅動器,透過壓電驅動器的致動器材料發送高壓電源,使其變形並產生觸覺回饋。接下來我們將一起了解壓電和ERM觸覺的區別,以及你在應用中應該使用的觸覺技術。

壓電觸覺vs. ERM觸覺

觸覺學中的加速度與你感覺到的觸覺回饋強度相關;致動器可達到的加速度越高,其產生的觸覺回饋越強。ERM系統可達到的加速度相當有限,原因很容易理解:馬達需要加速質量才能產生振動。因此,它需要打破質量慣性,並將速度提升至最佳頻率。然而,質量的加速度不是暫態的,這就是ERM馬達因不精確而發出隆隆聲響的原因。

另一方面,壓電致動器沒有機械限制。由於振動不依靠質量旋轉,一旦高壓到達壓電材料,致動器就會振動,因此壓電致動器可比ERM馬達產生更強、更清晰的回饋。此外,以Boréas Technologies的壓電式CapDrive技術為例,ERM解決方案的耗能高出20倍

 

功耗:ERM vs. CapDrive技術壓電觸覺。

 

壓電觸覺技術在其他領域的主要優勢是總功耗。壓電致動器效能非常高,遺憾的是,致動器的低功耗被效能不佳的壓電驅動器抵消。自從CapDrive技術發佈後情況產生了變化。首款採用CapDrive技術的壓電觸覺驅動IC (BOS1901),號稱是市面上效能最高的壓電驅動器,如果你希望整合觸控到功耗受限的裝置中(例如行動裝置),壓電觸覺技術是優於ERM解決方案的選擇。

觸覺回饋需要完美的時機才能產生最佳的回饋,回應時間越快,可轉化為更清晰、更精確的觸覺回饋。振動馬達需要更長時間來加速旋轉質量,並達到其峰值頻率(最佳回饋區域);此外在達到效果後它們要對質量進行降速,ERM通常需要長達50毫秒(ms)才能達到峰值頻率,加速和減速的延遲會在達到峰值的開始和結束時產生輕微的不良振動。

壓電致動器的即時反應時間不到2 ms,這代表你幾乎感覺不到加速和減速過程中產生的輕微不良觸覺回饋。壓電觸覺產生更清晰、更精確的回饋,壓電致動器的限制因素實際上是壓電驅動器的回應時間。BOS1901壓電驅動器的回應時間不到6ms。

與壓電觸覺解決方案相比,ERM振動馬達觸覺系統更大且佔用更多空間。雖然ERM驅動器確實比壓電驅動器更小,但是最大的區別在於致動器的尺寸。壓電致動器比ERM小,並且提供更大的觸覺回饋。如果你需要外觀小巧的解決方案,壓電觸控是比振動馬達更好的選擇。

壓電效應是可逆的,你可以對壓電材料施加高電壓使其移動,但是當壓電材料變形後會產生電荷。當你按下壓電致動器時,壓電材料會稍微變形,致動器產生電流。採用CapDrive技術的壓電驅動器可以檢測到電流,而且它們可以檢測壓力並觸發來自同一致動器的回饋。

偏軸轉動慣量觸覺方案只能觸發觸覺回饋,因此如果需要檢測壓力,除了觸覺系統,還需要一個完整的壓力感測硬體系統。這意味著如果你需要在施加壓力時觸發的觸覺方案(例如替換機械按鈕),就可以取消感測硬體,只依靠一個壓電致動器和一個CapDrive壓電驅動器。這可大幅節省空間;一款SmartClik無按鈕電話原型機就是這麼做的。

高解析觸覺技術vs.基礎型技術方案

壓電致動器可以產生更先進的觸覺效果。像揚聲器一樣,它們使用來自放大器(壓電驅動器)的電波形訊號,可以在廣泛的頻率和幅度範圍內運作,產生各種觸覺效果。你可以根據應用訂製觸覺回饋,來創建豐富、細緻的回饋。這就是我們所說的高解析觸覺回饋。

另一方面,ERM解決方案的頻率範圍相當有限,無法創建最佳的回饋效果。這意味著你的觸覺效果範圍相當有限,ERM馬達受限於低品質應用。壓電觸覺技術為ERM無法複製的更高級效果帶來了可能性。壓電觸覺技術非常適合需要不同觸覺效果的各種應用,例如:AR/VR、車用安全警報、按鈕更換等。

 

CapDrive壓電觸覺技術vs. ERM技術。

 

高階電子裝置新寵:LRA觸覺技術

從前面的討論我們已經看到,如果你需要低成本的解決方案,振動馬達是很好的選擇,但是它們在回饋品質方面相當有限,並且會產生低端的隆隆聲,並非乾淨和清晰的觸覺效果。因此,高階電子裝置製造商近年來將注意力轉向另一種觸覺技術──線性諧振致動器(Linear resonant actuators ,LRA)。

LRA目前用於許多裝置中,可實現比ERM方案更佳的觸覺回饋;與ERM相比,它們具備更高的加速度、更快的回應時間和更清晰的觸覺回饋。LRA與ERM馬達一樣,也以質量運動做為基礎。區別在於,質量懸掛在彈簧上並在磁場作用上下移動。

 

 

LRA外形尺寸各異,有些是矩形、有些則是圓形;部份製造商甚至開發自有的LRA版本,以獲得更好的效果(例如Apple的觸覺引擎),但是它們與壓電觸覺相比呢?讓我們來看看!

ERM、LRA、壓電觸覺比一比

LRA觸覺解決方案比ERM馬達明顯提升了效能,它們可以達到更高的加速度;因此LRA可以創建比ERM解決方案更強的觸覺回饋(加速度數值越大=觸覺回饋越強)。但LRA加速度雖高於ERM馬達,與成本較低的替代品相比仍然存在同樣的問題──它們需要移動質量才能產生振動。

雖然LRA能夠比ERM馬達更快速達到其最佳頻率峰值(這裡我們所說的是25ms而非50ms),但它們仍然需要一些時間才能加速或減速到最佳頻率峰值。壓電致動器則能在2ms內達到最佳峰值,幾乎瞬間的加速度使其在回饋強度方面比LRA更佳、效能更高。在行動裝置中使用的LRA可以達到1到1.7G的加速度,類似尺寸的壓電致動器則能達到2.5到5G的加速度。

 

LRA功耗比壓電致動器加上CapDrive壓電驅動器一起消耗的還多。

 

與ERM馬達相比,LRA的另一個優勢是功耗更低,後者更適合電池供電的行動裝置。實際上,多年來LRA一直是最有效的觸覺解決方案,在CapDrive技術發表之前,LRA甚至比壓電觸覺更有效率。然而,與整合了CapDrive壓電驅動器的壓電致動器IC相比,LRA消耗的功率高出4至10倍;現在該重新考慮將在電池供電的裝置中使用哪種觸覺技術了。

ERM馬達會產生不精確的隆隆聲,另一方面LRA可以產生更清晰的觸覺回饋;這主要是因為後者具備更好的加速性。LRA比ERM產生更清晰的觸覺回饋,主要歸功於它們的諧振頻率;諧振頻率是指在狹窄的頻率範圍,你可以在其中獲得最佳振動,來放大致動器之質量的加速度和位移。

雖然LRA產生的回饋比ERM更加清晰,但諧振頻率範圍非常窄。由於LRA頻率範圍相當有限,因此它們的頻寬不大,很難創建不同的觸覺效果。不過儘管LRA的效能優於ERM馬達,卻無法實現壓電致動器的無限頻率範圍,你使用的仍然是受限的LRA。另一方面,壓電致動器為各種觸覺效果提供了無限的可能性。

LRA提供比ERM馬達更好觸覺效能,背後的第二個因素是其回應時間更快。就像ERM致動器一樣,LRA需要移動質量來產生觸覺回饋。雖然它們確實比其低成本替代產品縮短了回應時間,LRA仍需25ms時間才能達到其最佳頻率範圍,觸覺效應後的減速期間也是如此。壓電致動器能在2ms內開始發揮其觸覺效果,提供創建更清晰、精確觸覺回饋的可能性。

利用壓電整合的壓力感測節省硬體

CapDrive壓電觸覺驅動器架構另一項優勢是整合的壓電壓力感測。BOS1901壓電驅動器IC可以從同一個壓電致動器感測壓力並產生觸覺回饋;這代表當你的應用需要壓力感測(例如按鈕替換)時,你可以從設計中移除之前所用的壓力感測硬體。

LRA的尺寸比壓電驅動器更小巧,通常被認為它們更適用於小型裝置,但是當考量到致動器的尺寸時,就完全不同了。如同ERM致動器,LRA尺寸大於具有類似加速度(回饋強度)的壓電致動器,壓電驅動器可以節省的空間,將遠超過整合壓電驅動器所能損失的空間。舉例來說,BOS1901僅需7個被動元件即可運作。

 

CapDrive壓電IC vs. LRA

 

藉由壓電觸覺等性能更好的技術,觸覺技術正進入一個新時代…隨著壓電驅動IC的演進,現在壓電觸覺技術的性能也比以前更好。但當然並非所有壓電驅動器效能都是一樣的…接下來的文章將有更進一步的探討,敬請期待!

 

本文由Boréas Technologies提供,Judith Cheng 編輯整理

參考原文:

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