從轉動方向盤到踩下油門踏板,這些駕駛體驗都充滿觸感。觸覺回饋技術(Haptic technologies)藉由對駕駛員施加力道、震動或某些動作來模擬觸覺,特別是在汽車產業越來越常被用以提供更安全、更明智和更直覺的使用者體驗。

總部位於加拿大Bromont的一家新創公司Boréas Technologies正在開發號稱首款可以在汽車人機介面中實現高靈敏度觸覺回饋的低功耗、高電壓壓電驅動器IC;這款IC (BOS1211)採用了Boréas的CapDrive專利技術,該技術利用壓電材料的特性設計出一種可伸縮的高電壓壓電驅動器架構,性能媲美較傳統的觸覺回饋致動器,如偏軸轉動慣量(eccentric rotating mass,ERM)馬達和線性諧振致動器(linear resonant actuator,LRA)。

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Boréas Technologies開發的低功耗、高電壓壓電驅動器IC。
(來源:Boréas)

「當你試圖在消費性或汽車應用中產生高電壓,如果沒有好的電子元件,基本上會耗盡所有的能量來提高電壓,就算致動器本身的效率很高,也會導致整體系統效率不彰;」Boréas創辦人暨執行長Simon Chaput 接受《EE Times》訪問時表示:「我們解決了這個問題,研發出能以低電壓產生所需高電壓的驅動器IC。」該款IC是專為支援TDK的120V壓電致動器PowerHap系列所設計。

防止駕駛員分散注意力

根據市場研究機構IHS Markit的車載中控台顯示器生產預測(Center Stack Display Production Forecast)報告,到2020年市場上將有5,280萬片車用觸控面板,而且會以每年4.6%的速度增加;安全性是該市場的關鍵成長動力之一。

Chaput表示,在車內,對於需要快速執行的任務,觸控螢幕能比語音控制更有效率;然而觸控螢幕的主要問題是:「因為我們需要等待確認,所以查看螢幕的時間太長;」觸覺回饋技術讓使用者能像接觸傳統按鈕介面一樣觸控螢幕,也就是說:「你可以在螢幕上滑動手指,感受不同的紋理,直到觸碰到按鈕,然後按壓按鈕區並感受到機械的點擊聲,讓你知道已經按下按鈕並送出指令,想要啟動的功能會在接下來幾秒內執行。」整體概念就是盡可能讓駕駛人的視線集中在前方道路,並讓雙手保持在方向盤上。

「隨著車室內的使用者體驗不斷演進,車載觸覺回饋技術變得越來越熱門;」IHS Markit技術研究和資料分析師Kyle Davis認為:「不過觸覺回饋不僅限於使用者體驗,還能幫助駕駛人將視線維持在道路上,減少駕駛分心的情況。」

在車輛座艙內,觸覺回饋技術可用以向駕駛人發出不同警示,又不增加視覺和聽覺負擔。Chaput表示,觸控螢幕是其應用之一,方向盤則是另一種:「你可以想像方向盤上的控制按鈕,如果駕駛偏離車道,方向盤會震動提醒你需要恢復對車輛的控制;」油門踏板也可以觸發超速警告,提醒駕駛人已經超速,還有在座椅和安全帶上配備致動器,也能幫助駕駛人提高對周遭狀況的警覺。

不同於視聽技術,觸覺回饋技術對時間敏感,需要持續性的雙向資料共享。「重要的是,觸覺回饋能在正確的時間到達;」 Chaput解釋:「如果延遲了10或20毫秒(millseconds)以上,從人類的角度來看就會感覺不對勁,」而Boréas最新開發的IC號稱在觸控感應方面具有良好的時間解析度(time resolution)。

「我們把壓電致動器當成致動器也當成感測器用,我們的晶片既有感測又有驅動功能,可以自行做決定;」 Chaput表示,一旦感受到壓力,觸覺回饋就會自動送出、毫不延遲,觸覺回饋會在正確的時間到達。

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Boréas創辦人暨執行長Simon Chaput
(來源:Boréas)

實現全新的車內人機介面

在去年的國際消費性電子展(CES 2019)上,Boréas展示了一款沒有按鍵的智慧型手機,將機身側邊的音量鍵和電源鍵用兩顆壓電致動器取代;不過消費者或許會更喜歡沒有按鍵的智慧型手機和平板電腦,但在車輛座艙內部時的期望可能會有所不同。IHS的Davis評論:「我認為,人們普遍誤解觸覺回饋將取代車內的按鈕和旋鈕;」一項IHS Markit的消費者使用體驗調查顯示,「大多數新車買主都期望觸控螢幕和按鈕的結合,而不是只能二選一。」

Boréas與TDK在2019年5月時宣佈合作,以加速壓電觸覺回饋解決方案在車用顯示和控制,以及可穿戴裝置、智慧型手機和平板電腦等領域的應用。當時Boréas的首款產品——BOS1901節能壓電驅動器IC──被認為非常適合TDK的PowerHap致動器,工作電壓高達60V,Boréas還計畫為PowerHap系列中較大型的產品開發首款低功耗壓電驅動器IC,最大驅動電壓達120V,也就是BOS1211。

「我們意識到自己擁有最佳的驅動器和觸覺致動器,但是我們的客戶更需要的則是解決方案;」Chaput表示:「比起單打獨鬥,合作能讓我們發展更快。以長期來看,我們可以進行產品藍圖調整,也就是確保正在設計的驅動器IC和TDK正在開發的壓電致動器方向一致。」

在被問到BOS1091和BOS1211兩款IC之間的主要區別時,Chaput表示,Boréas改善了感測介面,使其更精確和自主;「在BOS1901上,感測是由晶片完成的,但需要一些軟體的輔助;而在BOS1211上,大部分的感測是由晶片自己處理,」這使得其自主性更高。此外BOS1901是為智慧手錶和手機等裝置設計的,而BOS1211是為車載大型顯示器所設計,符合AEC-Q車規標準。

BOS1901和BOS1211都是以Boréas的CapDrive專利技術開發。為解釋其獨特之處,Chaput首先指出其高強度觸覺回饋性能,正是因為這種功能才能讓大螢幕移動,並使堅硬的材料變形;其次是該壓電致動器能針對客製化外觀尺寸製作。「通常對LRA致動器而言,若要增加其尺寸,面積也會增加,最後就會得到一個很大的方塊;」他接著指出:「壓電致動器可以被加工成合適的形狀以適應模組,從而與車輛妥善整合。」

Boréas還聲稱在市面上能達到相同水準之觸覺回饋強度的觸覺回饋驅動器中,BOS1211是尺寸最小的(4×4mm QFN),而且功耗是競爭產品的十分之一。Chaput指出,這種低功耗解決方案讓汽車製造商能夠按照所希望的方式來設計觸覺回饋功能,不會有耗電太多的風險。

拓展市場版圖

在電子領域,Chaput表示Boréas目前正處於「有好的解決方案,能在市場上立足」的階段,下一步則是「與我們的客戶合作,因為大多數客戶了解致動ERM和LRA的專業知識,但壓電致動器非常不同。」當然,Boréas會密切關注市場競爭情況,看接下來將會有什麼進展,身為一家新創公司,他們將鎖定能帶來最具潛力成果的市場提供支援。

Chaput透露,以紋理為基礎(texture-based)的觸覺回饋技術「是我們未來的研發重點之一,而我們會需要尋找恰當的合作夥伴;」而該公司眼前的首要任務是「教育我們的客戶,讓他們能如同今日使用LRA那樣,在明天以壓電方案實現想要的致動功能。」

BOS1211已開始向主要客戶提供樣品,「我們現在正與多家大型OEM廠商進行多個合作專案;」Chaput指出,為了加速TDK 120V PowerHap致動器從設計到量產的步伐,Boréas預計在2月提供隨插即用的壓電觸覺回饋開發工具套件。該公司預計於2021年開始生產BOS1211晶片,並於2022~2024年實現大規模量產;但對於晶圓代工廠是哪一家的問題,Chaput僅表示「我們有很好的合作夥伴。」

Chaput相信,觸覺回饋技術將會應用於日常生活的許多方面,特別是消費性與車用領域。「如果你花一整天時間注意,會發現你很常用雙手來提供周遭環境的有用資訊;」但如果轉到智慧型手機上呢?「大部分資訊都已經數位化,你可以透過Full HD、4K甚至8K的影像看見,」而非感覺到。「過去20年來,我們已經失去了觸覺,因為我們大多數的時間是在與摸起來感覺都一樣的手機螢幕互動,觸覺回饋技術將讓觸覺資訊回歸。」

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年3月號

(參考原文:Piezo Haptic Feedback to Enhance Drivers’ Safety,by Anne-Françoise Pelé)