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、汽車、工業控制、家用電器還是游戲機都呈現出利好發展趨勢。

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界面 (HMI)幾乎無處不在。偏心馬達(ERM) 或線性馬達(LRA) 等現有觸覺反饋解決方案有許多缺點，包括尺寸相對較大、插入高度與顯示控制器高度相關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，能為觸覺反饋應用提供各種執行器產品。其中，PowerHap的力度更大，PiezoHapt更薄。

典型加速度g與電壓關系曲線（負載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，對應頻率為200 Hz

1   纖薄的觸覺反饋執行器PiezoHapt L

TDK專為汽車和智能手機顯示器開發了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、平板和車載顯示器。

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能產生豐富的振動型式，在200 Hz正弦頻率下可實現(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，其可實現25 N以上的力和230 μm的位移。

2   PowerHap：優異的加速度、力和響應時間

PowerHap系列執行器基于帶內置銅電極的積層壓電板。基本設計如圖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，從而實現最大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），這一點非常實用。它能同時實現信號幅值和波形的精確可變控制。

借助積層壓電技術，PowerHap的響應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，壓電振子的加速度就能達到15.0 g；若負載為100克，則可實現最大35 g的最大加速度值，從而產生非常大的力（25 N）。傳統解決方案根本無法達到同等水平的性能。2626H023V120型執行器的響應時間和加速度如圖3所示。

PowerHap執行器適用的觸發范圍很廣，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反饋。相應地，這些執行器使設計師可為汽車和工業應用中希望實現先進HMI的用戶創造出特定的高清觸覺反饋。不超過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。這對于食品工業或醫療技術等同時存在嚴苛工業環境和嚴格衛生標準的應用，可助力實現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保持與施加壓力的比例關系。

3   傳感器特性

除了優秀的性能，借助于積層壓電技術，PowerHap元器件還具備優異的傳感器功能。眾所周知，傳統開關或按鈕只能提供導通和關斷2種開關狀態，而PowerHap則可提供與所施加壓力成比例的輸出電壓，相應的特性曲線如圖4所示。

與傳統機械按鈕不同，使用PowerHap甚至能實現根據所施加壓力的大小，觸發不同的動作和觸覺反饋的獨特解決方案。

圖3 長方形PowerHap產品適合顯示器的橫向控制。典型應用包括車載顯示器等。

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產品之外，TDK還開發了4種型號的超薄長方形PowerHap產品，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、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度為60 mm，是目前功能最強大的PowerHap產品，可產生高達50 N的力，可移動重達1 kg的物體。例如，這些強大的套件能安裝到顯示器側面，以實現水平方向上的觸覺反饋，如圖5所示。

為讓用戶了解PowerHap執行器的多種觸覺反饋性能，TDK提供了2款評估套件。BOS1901Kit開發板基于60 V執行器（0909H011V060,0904H014V060和1204H018V060）設計，觸覺執行器架構來自Boréas Technologies。該款開發板具有尺寸緊湊、電流消耗小和響應速度快等特點。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行調節的選項。

第2款評估套件適用于60 V和120 V PowerHap產品，并提供了2種型號：一種針對單個執行器(Z63000Z2910Z 1Z 1)，另一種則適用于多達5個執行器(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提供關于PowerHap執行器觸覺反饋性能的初步印象，并幫助他們對各種設計因素進行評估

5   強大的合作廠商，一流的設計支持

采用觸覺反饋的系統是一種相對較新的技術。因此，尚無可供借鑒的標準解決方案。為使不同行業的客戶都能實現快速和高性價比的觸覺解決方案設計，TDK攜手3家領先的觸控企業，并組成合資聯盟。

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或按鈕。綜合應用TDK和Aito的觸覺反饋技術能在智能手機觸摸屏上實現觸控解決方案，或者替換掉汽車上的傳統開關和按鈕。Aito專注于使用TDK小型PiezoHapt S系列執行器的解決方案。

Boréas Technologies已經開發出了基于其CapDrive?專利技術的BOS1901驅動集成芯片。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執行器。接下來，Boréas將會為最高驅動電壓120 V的大型TDK PowerHap產品開發首款低功耗壓電驅動集成芯片。

Immersion是領先的觸覺反饋技術開發商和授權商。該公司與TDK簽署了PowerHap和PiezoHapt執行器的合作推廣協議。Immersion授權這些執行器與其軟件產品配合使用，并將這些執行器納入了他們的參考設計之中。這樣可幫助客戶利用世界上最纖薄和最強大的執行器，實現先進的觸控解決方案。

未來，越來越多的設備和系統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。憑借獨特的產品系列以及與合資聯盟的密切協作，TDK能為各種觸摸應用提供最佳解決方案。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年9月期）