拆解蘋(píng)果/三星/小米/一加,從馬達技術(shù)看觸覺(jué)反饋的差距
未來(lái),智能終端的升級過(guò)程主要包括如下幾個(gè)方面:
1)計算中樞的升級,傳統手機計算能力非常有限,智能終端配備的中央處理器已經(jīng)相當于一臺電腦,這是其他一切高級功能的基礎。

2)視覺(jué)升級,包括兩個(gè)部分,高像素攝像頭和大觸摸屏,它們讓手機具備了處理圖像的能力,同時(shí)在顯示效果方面更加真實(shí)逼真。

3)聽(tīng)覺(jué)升級,包括三個(gè)部分——耳機,麥克風(fēng)和音頻分析系統,通過(guò)MEMS陣列、指向性麥克風(fēng)等新技術(shù)提供三維立體聲效果。

4)觸覺(jué)升級,包括觸感,壓力感覺(jué)和振動(dòng)反饋。觸覺(jué)反饋的關(guān)鍵是反饋,也即對觸覺(jué)的精細感覺(jué)(壓力感知膜)和多樣化的反饋(如線(xiàn)性馬達),可以不僅僅是振動(dòng),還可以是聲音和顯示。但是振動(dòng)是提供貼身終端不可替代的一種反饋,未來(lái)的應用空間十分巨大,振動(dòng)反饋模塊未來(lái)的空間不僅僅是手機,它可以拓展到很多互動(dòng)娛樂(lè )場(chǎng)景和工具中去。
除了應用于手機上作為觸覺(jué)反饋的核心部件,微型振動(dòng)馬達在可穿戴設備、游戲機控制器、VR體感手柄、感應手套等設備上也大有作為,線(xiàn)性馬達替代傳統的轉子馬達,從而提供更加出色的觸覺(jué)反饋效果。例如,蘋(píng)果力推的Appleatch便采用振動(dòng)馬達,提供模擬心跳反饋;日本MIRAISENS公司在2017年3月展示了具有觸覺(jué)反饋的VR手柄,集成了微型振動(dòng)馬達;日本Exiii公司在2017年4月展示通過(guò)振動(dòng)馬達實(shí)現觸覺(jué)反饋的智能手套。

線(xiàn)性馬達性能優(yōu)越,技術(shù)壁壘高,掌握先發(fā)優(yōu)勢的公司將顯著(zhù)受益
1、線(xiàn)性馬達相比于傳統轉子馬達性能優(yōu)越
手機微型振動(dòng)馬達的作用是讓手機產(chǎn)生振動(dòng)效果。在線(xiàn)性馬達(LRA)出現之前,手機采用的微型馬達主要為轉子馬達(ERM),按照結構可以分為圓柱形(Bar)和扁平形(Coin)兩種。傳統轉子馬達利用電磁感應原理,電磁力來(lái)驅動(dòng)馬達軸心的轉動(dòng),從而帶動(dòng)偏心鐵或偏心錘的轉動(dòng),產(chǎn)生的離心力使得快速旋轉的馬達振動(dòng)。因此,它是通過(guò)一個(gè)被稱(chēng)作偏心旋轉質(zhì)量傳動(dòng)器(ERM)的小型馬達來(lái)實(shí)現振動(dòng)。

轉子馬達有它自身的局限性,如啟動(dòng)慢、剎車(chē)慢。ERM轉子馬達存在慣性,需要過(guò)驅動(dòng)才能更快速地旋轉,因此啟動(dòng)慢、剎車(chē)慢。傳統ERM馬達觸發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的觸覺(jué)反饋,如點(diǎn)擊,需要耗時(shí)100到200ms,如果需要快速重復點(diǎn)擊,ERM馬達就會(huì )產(chǎn)生明顯延遲感,無(wú)法實(shí)現多個(gè)振動(dòng)之間的層次感。
轉子馬達沒(méi)有一個(gè)方向性的導向,無(wú)法完成復雜的振動(dòng)。傳統馬達缺乏振動(dòng)的指向性,讓波頻和振幅一起耦合輸入控制電壓,使馬達僅能使用一個(gè)變量來(lái)產(chǎn)生不同的振動(dòng)效果,只能得到不同的脈沖或者速度組合。
因此,隨著(zhù)手機應用、觸覺(jué)反饋、游戲體驗的要求不斷提高,ERM轉子馬達已經(jīng)沒(méi)辦法滿(mǎn)足用戶(hù)的最新需求,特別是在振動(dòng)的復雜性方面。近年來(lái),一種新型的線(xiàn)性馬達(LRA)開(kāi)始出現。

手機線(xiàn)性馬達實(shí)際上是一個(gè)以線(xiàn)性形式運動(dòng)的彈簧質(zhì)量塊,將電能直接轉換成直線(xiàn)運動(dòng)機械能而不需通過(guò)中間任何轉換裝置的新型馬達。有別于普通旋轉離心式馬達的旋轉運動(dòng),線(xiàn)性馬達是直線(xiàn)運動(dòng)的馬達,主要由電源輸出模塊與馬達本體兩大部分組成。線(xiàn)性馬達電源輸出為方波交流電,電機內線(xiàn)圈的交變電流產(chǎn)生N-S變化,根據電磁原理帶動(dòng)振子運動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)。

由于彈簧常量的原因,線(xiàn)性馬達必須圍繞共振頻率在窄帶(±2Hz)范圍內驅動(dòng),振動(dòng)性能在2Hz處會(huì )下降50%。另外,在共振狀態(tài)下驅動(dòng)時(shí),電源電流可銳降50%,因此在共振狀態(tài)下驅動(dòng)可以大幅節省系統功耗。

相比轉子馬達,線(xiàn)性馬達的優(yōu)勢非常明顯:響應速度快(意味著(zhù)可以做很細膩的振動(dòng)反饋),壽命長(cháng),振動(dòng)頻率與振幅可控,形成復雜的振動(dòng)(通過(guò)對共振載波振幅進(jìn)行調制,可以產(chǎn)生各種不同的觸覺(jué)反饋效果),批量一致性好,彈簧+磁鐵的組合可以顯著(zhù)降低功耗。

目前線(xiàn)性馬達主要有三種形式:圓形、直線(xiàn)型、方形。其中圓形線(xiàn)性馬達振動(dòng)方式是垂直的(Z向),運動(dòng)行程很短,不符合手機輕薄化的要求,同時(shí)振動(dòng)的力量,持續時(shí)間等等都不如直線(xiàn)型(XY方向)和方形線(xiàn)性馬達。直線(xiàn)型和方形的運動(dòng)行程可以根據用戶(hù)定制,因此能在保持較高性能的同時(shí),做到輕薄,厚度可以達到2mm以下。因此,直線(xiàn)型和方形線(xiàn)性馬達具有更廣闊的市場(chǎng)空間。

在前沿技術(shù)方面,蘋(píng)果將線(xiàn)性振動(dòng)馬達技術(shù)發(fā)展到新高度:一般手機振動(dòng)馬達達到滿(mǎn)負荷需要至少10次振動(dòng),而Taptic Engine僅需要一個(gè)周期就能快速啟停,另外一次“mini tap”可以達到10ms的振動(dòng)微控,和“實(shí)時(shí)的反饋”已經(jīng)非常接近。Taptic Engine可以感應Home鍵上的按壓力度,并通過(guò)振動(dòng)來(lái)進(jìn)行力反饋,模擬近似真實(shí)的按鍵效果。

此外,還有一種全新馬達——壓電馬達(也可稱(chēng)之為壓電傳動(dòng)器),受到廣泛關(guān)注,其擁有極短的響應時(shí)間,很高的能效,并擁有比ERM和LRA都要小得多的體積,能夠帶來(lái)最為復雜、精細的觸覺(jué)反饋體驗。

壓電馬達基本上都由一個(gè)軟片(振動(dòng)-電壓轉換器)組成,使用一個(gè)很薄的長(cháng)條或者一個(gè)圓盤(pán),讓它們彎曲然后再反彈回去,通過(guò)在兩端施加電壓形成振動(dòng)。壓電型觸覺(jué)技術(shù)沒(méi)有任何頻率或者振幅限制,設計人員可以達到比使用LRA和ERM所達不到的波形。在某個(gè)設計中嵌入多個(gè)壓電模塊后,可產(chǎn)生高精度的觸覺(jué)反饋體驗,它可以讓觸摸屏的局部而非全部區域產(chǎn)生振動(dòng)。
但是壓電馬達作為新興技術(shù),在技術(shù)方面并不成熟,多數方案要求約100-200伏峰值到峰值(Vp-p)的電壓來(lái)驅動(dòng),這對手機而言存在技術(shù)難度。多層壓電馬達可以將該系統電壓降低至50Vp-p,但價(jià)格昂貴,并不適合大規模商用。而且要將壓電馬達放置在觸摸屏上,會(huì )造成屏幕預留1-2mm的縫隙,會(huì )影響手機的整體外觀(guān)。因此,我們認為壓電馬達短期內缺乏大規模商用的條件,有待技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

綜上所述,隨著(zhù)手機應用、觸覺(jué)反饋、游戲體驗、手機輕薄化等的要求不斷提高,ERM轉子馬達已經(jīng)沒(méi)辦法滿(mǎn)足用戶(hù)的最新需求,新型的LRA線(xiàn)性馬達在響應速度、功耗、振動(dòng)模式等各個(gè)方面優(yōu)勢非常明顯,已經(jīng)代表著(zhù)手機用馬達的發(fā)展趨勢。由于更加先進(jìn)的壓電馬達在技術(shù)、成本、產(chǎn)品設計等方面的較大的難題,因此,我們認為未來(lái)智能終端觸覺(jué)反饋的核心是LRA線(xiàn)性馬達。
2、線(xiàn)性馬達技術(shù)難度大,少數廠(chǎng)商占據先發(fā)優(yōu)勢
傳統微型馬達行業(yè)發(fā)展成熟,傳統大廠(chǎng)逐漸退出。傳統手機轉子馬達的供應商主要來(lái)自日本、韓國、中國。其中,日本微型馬達產(chǎn)業(yè)起步早,廠(chǎng)商技術(shù)實(shí)力強,主要的供應商有日本電產(chǎn)科寶Nidec、日本思考技研(已退出)、三洋電機(被Nidec并購);韓國微型馬達行業(yè)是伴隨著(zhù)手機產(chǎn)業(yè)而崛起的,主要廠(chǎng)商有三星、LG(已退出);國內的微型馬達行業(yè)雖然起步較晚,但隨著(zhù)國產(chǎn)智能終端的崛起,發(fā)展相當迅速,涌現出一批優(yōu)秀的企業(yè),如金龍機電、瑞聲科技等。

傳統手機振動(dòng)馬達獲利空間小,馬達巨頭紛紛轉向VCM相機音圈馬達。傳統手機用振動(dòng)馬達市場(chǎng)由于產(chǎn)品成熟,技術(shù)壁壘不高,市場(chǎng)競爭激烈,器件單價(jià)低,導致傳統轉子馬達獲利空間不大,因此包括思考技研、LG電子等廠(chǎng)商紛紛放棄振動(dòng)馬達業(yè)務(wù),轉向新興的手機相機用VCM馬達。

相比于傳統轉子馬達,線(xiàn)性馬達采用全新的產(chǎn)品原理和結構,制造難度大。線(xiàn)性馬達將電能直接轉換成直線(xiàn)運動(dòng)機械能而不需通過(guò)中間任何轉換裝置,而傳統馬達是基于成熟的電磁感應原理,電磁力來(lái)驅動(dòng)馬達軸心的轉動(dòng),因此線(xiàn)性馬達在器件的制作更為復雜,并且工藝方面還不成熟。

設計難度大,定制化特點(diǎn)明顯。由于不同的馬達在尺寸、頻率、裝配位置和固定方法等方面都是變量,要根據手機廠(chǎng)商的振動(dòng)需要設計器件的具體參數,因此器件具有非常明顯的定制化特性。例如,蘋(píng)果在其iPhone 7Plus手機上采用的線(xiàn)性馬達,出于節省空間和真實(shí)觸覺(jué)反饋的考慮,便與Nidec進(jìn)行了深度的合作。
一方面,隨著(zhù)部分傳統日韓廠(chǎng)商的退出,具備先進(jìn)技術(shù)能力的手機用振動(dòng)馬達供應商大為減少,另一方面,線(xiàn)性馬達較高的技術(shù)壁壘、深度定制的設計要求高,因此目前線(xiàn)性馬達的供應商并不多。我們認為,未來(lái)隨著(zhù)線(xiàn)性馬達的逐漸應用,占據先發(fā)優(yōu)勢、擁有成熟設計和量產(chǎn)經(jīng)驗的廠(chǎng)商將顯著(zhù)獲益。
目前來(lái)看,線(xiàn)性馬達主要被蘋(píng)果公司所采用,其他公司采用的還不多,蘋(píng)果的供應商主要為Nidec、金龍機電、瑞聲科技三家,這三家公司也是目前為數不多的掌握線(xiàn)性馬達研發(fā)和制造能力的公司,已經(jīng)具有了先發(fā)優(yōu)勢。
3、觸覺(jué)反饋產(chǎn)業(yè)鏈,線(xiàn)性馬達制造商地位提升
在手機觸覺(jué)反饋產(chǎn)業(yè)鏈中,主要可以劃分為觸覺(jué)反饋算法與方案、觸控壓力傳感器、振動(dòng)馬達、馬達驅動(dòng)IC、終端代工廠(chǎng)五大部分。

1)觸覺(jué)反饋算法與方案,主要是為手機終端廠(chǎng)商提供觸覺(jué)反饋方案設計,典型的公司為Immersion,該公司通過(guò)自己的Touch軟件算法,讓振動(dòng)馬達在硬件廠(chǎng)商的設備上擁有更優(yōu)秀的表現,還為硬件廠(chǎng)商提供了端到端的 TouchSense 觸覺(jué)授權套件,目前在手機廠(chǎng)商中,三星、華為、LG、魅族、金立等多家廠(chǎng)商中都采用了來(lái)自Immersion的解決方案。蘋(píng)果系列產(chǎn)品的觸覺(jué)反饋方案由其自行設計。

2)觸控壓力傳感器,主要是智能手機所必須的觸控模組內壓力傳感器產(chǎn)品,目前全球范圍內供應商眾多,蘋(píng)果公司的供應商為T(mén)PK(宸鴻科技)、F-GIS(業(yè)成光電)。
3)終端代工廠(chǎng),主要為富士康、和碩等制造廠(chǎng),將振動(dòng)馬達、馬達驅動(dòng)IC、觸控模組、壓力傳感器等不同器件組合,進(jìn)行終端產(chǎn)品的制造。
4)馬達驅動(dòng)IC,主要為振動(dòng)馬達工作所必須的驅動(dòng)IC芯片,主要供應商有德州儀器、Dongwoon、RadnTech、Imagis等公司。根據Chipworks的拆解報告,蘋(píng)果觸覺(jué)反饋驅動(dòng)IC由德州儀器提供。

5)振動(dòng)馬達制造商,目前全球范圍內線(xiàn)性馬達成熟供應商不多,蘋(píng)果產(chǎn)品的供應商為Nidec、金龍機電、瑞聲科技。馬達的原材料主要為磁性稀土材料(汝鐵硼為主)、金屬材料(鋼條、銅、鋁等)、塑料和陶瓷等,馬達制造商將電機、外殼、線(xiàn)路等組裝。
傳統手機用振動(dòng)馬達方案成熟,產(chǎn)品標準化設計,因此馬達制造商與終端廠(chǎng)商之間不存在密切依賴(lài)關(guān)系,馬達制造商制造出的轉子馬達主要劃分為圓柱形和扁平形等幾種類(lèi)型,終端企業(yè)會(huì )根據自家的振動(dòng)方案進(jìn)行選擇。
但是線(xiàn)性馬達普遍需要定制,具體器件的參數、功能需要終端廠(chǎng)商根據自家的觸覺(jué)反饋方案進(jìn)行設計,因此在線(xiàn)性馬達產(chǎn)業(yè)鏈中,馬達制造商的重要性提升,終端廠(chǎng)商會(huì )直接與馬達制造商進(jìn)行緊密的合作。例如,在蘋(píng)果iPhone 7/7 Plus中所使用的線(xiàn)性馬達便與以往存在較大差異,蘋(píng)果公司與Nidec在器件的設計方面進(jìn)行了深度的合作。
相關(guān)企業(yè)分析
1、瑞聲科技——蘋(píng)果線(xiàn)性馬達重要供應商
瑞聲科技依靠聲學(xué)業(yè)務(wù)起家,是全球知名聲學(xué)器件供應商。聲學(xué)業(yè)務(wù)涵蓋了微型音箱、揚聲器、受話(huà)器和麥克風(fēng), 已具備立體聲、防水等性能,市場(chǎng)競爭力一流。在聲學(xué)器件方面,公司是蘋(píng)果的重要供應商,并且為三星、華為、OPPO、VIVO、小米、金立等主要手機廠(chǎng)商供貨。

公司形成聲學(xué)、觸控馬達、射頻結構件及光學(xué)業(yè)務(wù)的平臺型企業(yè)布局,為客戶(hù)提供一體化解決方案。2013年公司全面開(kāi)展射頻業(yè)務(wù),涉及手機天線(xiàn)、NFC、無(wú)線(xiàn)充電等領(lǐng)域,隨后又布局觸控馬達業(yè)務(wù)。公司現有產(chǎn)品種類(lèi)豐富,涵蓋了聲學(xué)、觸控馬達、無(wú)線(xiàn)射頻及光學(xué)等最新的微型技術(shù)解決方案,廣泛應用于智能手機、平板電腦、可穿戴設備及筆記本電腦等多個(gè)領(lǐng)域。

公司除了為蘋(píng)果供應聲學(xué)元器件以外,也供應觸覺(jué)反饋線(xiàn)性馬達等核心零部件。瑞聲科技是觸覺(jué)反饋市場(chǎng)上少有的規模性企業(yè),目前公司已有橫向線(xiàn)性馬達及Z方向線(xiàn)性馬達兩大類(lèi)產(chǎn)品,線(xiàn)性馬達技術(shù)成熟,可滿(mǎn)足3D Touch觸控反饋的高要求,公司還與頂級的驅動(dòng)器、軟件及算法公司合作,以達到觸控反饋的最佳表現。
2、歌爾股份——線(xiàn)性馬達已經(jīng)批量出貨
歌爾股份是國際領(lǐng)先的以消費電子聲學(xué)元器件為核心的電子元件提供商。公司以聲電器件為核心,發(fā)展出了包括光電器件、電子配件和整機類(lèi)電子產(chǎn)品等硬件產(chǎn)品,并擁有智能穿戴、無(wú)人機、機器人等產(chǎn)品的研發(fā)和服務(wù)能力,主要客戶(hù)涵蓋蘋(píng)果、三星、索尼、微軟、谷歌、Facebook、華為等國際一流終端廠(chǎng)商。

2017年2月,公司在全景網(wǎng)平臺公開(kāi)消息稱(chēng),獨立自主開(kāi)發(fā)的線(xiàn)性振動(dòng)馬達已經(jīng)量產(chǎn)。包括Z向與X向線(xiàn)性馬達,同比其他產(chǎn)品具有尺寸靈活,振感強度優(yōu)秀,響應速度快,諧振頻率低等特點(diǎn)。目前已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)四種規格X向線(xiàn)性馬達與兩款Z向線(xiàn)性馬達,配合高端智能產(chǎn)品市場(chǎng),如:智能手機、智能穿戴、智能遙控器以及智能手柄實(shí)現智能振動(dòng)反饋功能。

多領(lǐng)域領(lǐng)先能力、垂直一體化布局、頂尖設計與制造能力。歌爾經(jīng)過(guò)多年蓄力,已 經(jīng)從單一的電聲器件企業(yè)發(fā)展為聲學(xué)、光學(xué)、軟件等多領(lǐng)域樹(shù)立領(lǐng)先優(yōu)勢,同時(shí)通過(guò)垂直一體化布局除電聲器件外還深度介入MEMS傳感器、馬達、攝像頭模組、鏡頭、天線(xiàn) 等關(guān)鍵零部件領(lǐng)域,在自動(dòng)化生產(chǎn)與精密設計領(lǐng)域更是擁有深厚團隊、工藝、設備積淀, 公司已經(jīng)搭建了世界一流的研發(fā)供應平臺,具備為客戶(hù)提供多元化解決方案的能力。
3、金龍機電——蘋(píng)果線(xiàn)性馬達重要供應商
金龍機電是目前國內最大的微特電機生產(chǎn)企業(yè)。公司專(zhuān)注于超小型微特電機的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售業(yè)務(wù),產(chǎn)品包括Ф4、Ф5、Ф6、Ф7 等系列圓柱型超小微特電機、扁平型超小微特電機、新型變焦馬達(VCM)、線(xiàn)性馬達等,廣泛應用于移動(dòng)通訊設備、高端日用消費品、醫療設備、智能電動(dòng)玩具、保健器材、機器人等領(lǐng)域。

公司成功研發(fā)全球領(lǐng)先、高附加值的線(xiàn)性馬達并且大批量投產(chǎn),成為蘋(píng)果系列產(chǎn)品重要供應商。自2014年下半年以來(lái),公司取代了日本三洋電機成為蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)鏈的振動(dòng)馬達供應商,為蘋(píng)果系列產(chǎn)品提供線(xiàn)性馬達。根據公司在全景網(wǎng)互動(dòng)平臺上透露的消息,2016年公司在手機用微特電機行業(yè)的市場(chǎng)占有率約為18%。公司生產(chǎn)的觸覺(jué)反饋線(xiàn)性馬達通過(guò)富士康、和碩等代工廠(chǎng)給蘋(píng)果供貨。
公司生產(chǎn)的手機用微特電機已獲得多家大型手機生產(chǎn)企業(yè)的采購認證。核心客戶(hù)主要包括華為、中興通訊、OPPO、VIVO、小米、魅族、富士康、比亞迪電子等國內外知名企業(yè)。公司在傳統馬達領(lǐng)域深耕多年,技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量等均處于行業(yè)領(lǐng)先地位。
成功收購甲艾馬達、博一光電,分別從橫向、縱向拓展產(chǎn)品線(xiàn)。整合了微特電機及觸摸顯示產(chǎn)業(yè)鏈,實(shí)現了從移動(dòng)通訊終端單一部件提供商向多種部件綜合系列產(chǎn)品提供商的轉變,躋身高端科技企業(yè)行列。甲艾馬達的馬達產(chǎn)品主要用于游戲機手柄、光驅、電動(dòng)血壓計等,與公司現有產(chǎn)品形成互補。博一光電以液晶模組為主要產(chǎn)品,可與公司原有的觸摸屏和蓋板玻璃產(chǎn)品形成結合,為下游客戶(hù)提供觸控顯示一體化產(chǎn)品。
4、歐菲光——有望切入觸覺(jué)反饋模組制造領(lǐng)域
歐菲光是國內領(lǐng)先的消費電子攝像頭與指紋識別模組龍頭。公司成立于2001年,當前的主營(yíng)產(chǎn)品為觸摸屏、攝像頭模組、指紋識別模組等,并積極布局智能汽車(chē)領(lǐng)域。公司2010年布局電容式觸控屏,2013-2016年成為全球出貨量最大的薄膜式觸摸屏供應商;2012年公司進(jìn)入影像系統領(lǐng)域,2016年底攝像頭模組單月出貨量全球第一;2014 年公司進(jìn)入生物識別領(lǐng)域,2016年四季度開(kāi)始指紋模組單月出貨量位居全球第一。

在觸摸屏方面,歐菲光是行業(yè)龍頭,具備進(jìn)入3D Touch模組制造領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。公司觸控顯示業(yè)務(wù)涵蓋觸控sensor、film和glass電容式觸摸屏、蓋板玻璃、全貼合LCM 組件等,應用領(lǐng)域從手機、平板、筆記本電腦延伸至汽車(chē)電子、工業(yè)控制和可穿戴設備等領(lǐng)域。公司在觸摸屏領(lǐng)域的龍頭地位穩固,根據市場(chǎng)調研機構旭日產(chǎn)研的數據,2017年5月公司觸摸屏的出貨量達到13KK,領(lǐng)先主要競爭對手。根據公司年報,未來(lái)在觸控領(lǐng)域將重心放大下一代觸摸技術(shù),包括3D Touch技術(shù)、觸覺(jué)反饋技術(shù)等。
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