壓電式觸覺(jué)解決方案：觸，動(dòng)人心！

壓電式觸覺(jué)反饋解決方案的市場(chǎng)前景廣闊，無(wú)論是智能手機、汽車(chē)、工業(yè)控制、家用電器還是游戲機都呈現出利好發(fā)展趨勢。

隨著(zhù)市場(chǎng)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界面 (HMI)幾乎無(wú)處不在。偏心馬達(ERM) 或線(xiàn)性馬達(LRA) 等現有觸覺(jué)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)以及在智能手機或平板等電池供電設備上功耗較高等。此外，無(wú)論是反饋的頻率還是強度，都只能在非常窄的范圍內變化，且不具備任何傳感器功能。

TDK的PowerHap?和PiezoHapt?系列壓電式執行器提供了更好的替代解決方案，它們將壓力傳感器和執行器集成在一起，能為觸覺(jué)反饋應用提供各種執行器產(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(xiàn)（負載100克）。此處電壓信號是一 個(gè)峰值120 V的半正弦波，脈沖長(cháng)度5 ms，對應頻率為200 Hz

1   纖薄的觸覺(jué)反饋執行器PiezoHapt L

TDK專(zhuān)為汽車(chē)和智能手機顯示器開(kāi)發(fā)了L8060和L3015型執行器，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采用單晶結構設計，基于1個(gè)一端連接到振動(dòng)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、平板和車(chē)載顯示器。

執行器的工作電壓≤24 V (L8060) 或≤12 V (L3015)。根據施加電壓的幅值和頻率，PiezoHapt能產(chǎn)生豐富的振動(dòng)型式，在200 Hz正弦頻率下可實(shí)現(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執行器的設計。該系列產(chǎn)品包括4種型號，邊緣長(cháng)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、力和響應時(shí)間

PowerHap系列執行器基于帶內置銅電極的積層壓電板?；驹O計如圖2所示。

為壓電板施加電壓后，它在z軸的擴散的極小，但由于持續的壓電效應，電壓會(huì )同時(shí)在x和y軸收縮。壓電板上的2個(gè)鈦鈸（1邊1個(gè)）會(huì )將x和y軸的收縮在z軸上放大15倍，從而實(shí)現最大230 μm的位移（2626H023V120型）。施加電壓和位移之間的線(xiàn)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(shí)實(shí)現信號幅值和波形的精確可變控制。

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

PowerHap執行器適用的觸發(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）。根據具體型號的不同，驅動(dòng)電壓可在20~120 V或-10~60 V之間。因此，這些執行器能為人體機械刺激感受器生成定制的觸覺(jué)反饋。相應地，這些執行器使設計師可為汽車(chē)和工業(yè)應用中希望實(shí)現先進(jìn)HMI的用戶(hù)創(chuàng )造出特定的高清觸覺(jué)反饋。不超過(guò)2.3 mm厚的小尺寸設計與強反饋相結合，使這些執行器不僅能集成到顯示器中，而且還能直接置于平面設備之下。這對于食品工業(yè)或醫療技術(shù)等同時(shí)存在嚴苛工業(yè)環(huán)境和嚴格衛生標準的應用，可助力實(shí)現所必需的高密封性水平。

在作為傳感器使用時(shí)，PowerHap的輸出電壓能在大范圍內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，傳統開(kāi)關(guān)或按鈕只能提供導通和關(guān)斷2種開(kāi)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，相應的特性曲線(xiàn)如圖4所示。

與傳統機械按鈕不同，使用PowerHap甚至能實(shí)現根據所施加壓力的大小，觸發(fā)不同的動(dòng)作和觸覺(jué)反饋的獨特解決方案。

圖3 長(cháng)方形PowerHap產(chǎn)品適合顯示器的橫向控制。典型應用包括車(chē)載顯示器等。

4   超薄設計，能橫向安裝于纖薄設備中

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

為讓用戶(hù)了解PowerHap執行器的多種觸覺(jué)反饋性能，TDK提供了2款評估套件。BOS1901Kit開(kāi)發(fā)板基于60 V執行器（0909H011V060,0904H014V060和1204H018V060）設計，觸覺(jué)執行器架構來(lái)自Boréas Technologies。該款開(kāi)發(fā)板具有尺寸緊湊、電流消耗小和響應速度快等特點(diǎn)。除此之外，還提供了對電壓幅值、頻率、脈沖重復頻率、信號波形和傳感器功能進(jìn)行調節的選項。

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(gè)執行器(Z63000Z2910Z 1Z 1)，另一種則適用于多達5個(gè)執行器(Z63000Z2910Z 1Z 7)。這些套件包含了0909H011V060、1313H018V120和2626H023V120型號的PowerHap執行器。

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

5   強大的合作廠(chǎng)商，一流的設計支持

采用觸覺(jué)反饋的系統是一種相對較新的技術(shù)。因此，尚無(wú)可供借鑒的標準解決方案。為使不同行業(yè)的客戶(hù)都能實(shí)現快速和高性?xún)r(jià)比的觸覺(jué)解決方案設計，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，能把壓電執行器轉換成帶觸覺(jué)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(kāi)關(guān)或按鈕。綜合應用TDK和Aito的觸覺(jué)反饋技術(shù)能在智能手機觸摸屏上實(shí)現觸控解決方案，或者替換掉汽車(chē)上的傳統開(kāi)關(guān)和按鈕。Aito專(zhuān)注于使用TDK小型PiezoHapt S系列執行器的解決方案。

Boréas Technologies已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了基于其CapDrive?專(zhuān)利技術(shù)的BOS1901驅動(dòng)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執行器。接下來(lái)，Boréas將會(huì )為最高驅動(dòng)電壓120 V的大型TDK PowerHap產(chǎn)品開(kāi)發(fā)首款低功耗壓電驅動(dòng)集成芯片。

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

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）