關鍵詞： 觸覺 , 壓電

作者：德州儀器 (TI) 觸覺技術產品線經理 ShreHarsha Rao

盡管大多數智能手機和平板電腦用戶都已經體驗過觸覺技術，但是觸覺學這個術語本身卻很少為消費者所了解。就其基本定義而言，“觸覺學”是指觸覺反饋科學。觸覺技術最為基本的應用形式是，手機通過振動提示用戶來電或者收件箱有一條新的短信。在這些情況下，手機利用觸覺技術，引起用戶的請注意。

約有三分之一的智能手機都使用了觸覺反饋技術，其實現的功能已不僅僅只是振動提醒。一個常見例子是，當使用手機編寫電子郵件或者發短信時，用戶會感受到細微的振動反饋。成功按下某個按鍵后，手機就會振動確認一次。在使用觸覺反饋的情況下，用戶很少會出現的輸入錯誤，并且操作體驗也更滿意。

利用觸覺技術增強用戶體驗

越來越多的移動設備，例如：手機和平板電腦等，都在使用觸摸功能。觸摸界面是如此的簡單和直觀，以至于三歲小孩也會解鎖智能手機，然后點擊YouTube圖標查看視頻播放列表。但是，觸摸屏存在一個嚴重的局限性：因為沒有物理或者機械反饋，無法實現用戶互動或者提醒。設計優秀的觸覺反饋功能，可以極大增強觸摸式移動設備的整體用戶體驗。

觸覺技術的應用遠不止用戶提醒或者按鍵確認那么簡單。標準的手勢操作，例如：滑動解鎖、手指縮放圖片以及上下拖動翻頁等，都可以擁有屬于自己的觸覺/感知特性。當用戶將圖片放至最大尺寸觀看時，觸覺反饋強度也會增加。快速滾動操作時，觸覺反饋也會更快。如果這種情景敏感型反饋同聲音反饋相結合，所得到的用戶體驗會令人高度滿意，也更加直觀。

另外，觸覺反饋還帶來了另一種樂趣。許多人都使用移動設備玩游戲。觸覺反饋技術可以極大地改善游戲體驗。例如，在第一人稱射擊游戲中，游戲主角可以真實地感受到武器射擊帶來的震撼。用戶可以在賽車游戲中感覺到車載的碰撞和顛簸，在流行的“憤怒的小鳥”游戲中感受釋放彈弓繩時的彈力，在演奏游戲中真實感受吉他琴弦或者鋼琴鍵等等，諸如此類。游戲開發者的想象力將創造出無限的體驗可能性！

慣性觸覺傳動器（ERM/LRA）

手機中的標準觸覺反饋功能，通過一個被稱作偏心旋轉質量傳動器(ERM)的小型馬達來實現。該馬達受到電壓驅動開始旋轉，用戶便可感覺到振動。觸覺反饋驅動器芯片以差動方式驅動馬達，因此馬達在正電壓起作用時旋轉，而在反極性即負電壓起作用時停止。用于振動提醒時，這種方法十分有效。但是，當把ERM用于其他觸覺反饋應用時，例如：游戲等，設備電池電量迅速下降。

ERM存在慣性，需要過驅動才能更快速地旋轉。啟動時間是指馬達達到90%額定加速度所需的時間，其范圍通常為50到100 ms。馬達制動或者停止的時間范圍類似。觸發一個非常簡單的觸覺反饋事件（例如：點擊），耗時約100到200 ms。如果應用要求重復觸覺反饋事件，則馬達型觸覺反饋的延遲便不那么理想。

ERM的另一個方面是旋轉馬達產生的嗡嗡聲，即人耳可以聽見的噪聲。如果觸覺反饋與聲音反饋結合使用，可以部分緩解這個問題。但是，在安靜的會議室里，如果有人在發短信，則所有人都能聽到這種噪聲。另外，ERM的觸覺反饋效果會因用戶操作而變得不明顯。振動頻率和振幅，與單控制電壓有關。

另一種慣性傳動器即線性共振傳動器（LRA），用于一些智能手機中，實現觸覺反饋和振動提醒。相比ERM，LRA的機械結構不同。它包含一個安裝在彈簧上的質量塊，以線性運動方式振動。LRA必須在窄共振頻率下受到驅動。另外，它的啟動時間稍好于ERM。

根據不同的制造廠商，啟動時間范圍為40到60 ms（圖1），相比ERM的啟動時間（50到100ms）要好一些。通過對共振載波振幅進行調制，可以產生各種不同的觸覺反饋效果。

2012-10-17 11:03:58 上傳

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圖1:LRA的典型啟動時間為40到60ms

高分辨率觸覺反饋

高清(HD)電視比標清電視的分辨率更高，因此能夠提供更加銳麗和清晰的畫面。同樣，相比慣性傳動器的嗡嗡振動，高分辨率觸覺反饋也可以讓用戶感受到更明顯的振動效果。壓電(piezo)或者陶瓷式觸覺反饋傳動器用于實現HD觸覺反饋，提供與ERM/LRA不一樣的美好體驗。

壓電式傳動器

當在壓電式傳動器兩端施加差動電壓時，它會彎曲變形，從而產生振動。壓電式傳動器需要高壓才能變形。根據不同的制造廠商，電壓可以為50到150VPP。電壓更高時，要求壓電層數減少；因此，電壓為150VPP時，壓電式傳動器約有4層，而電壓為50VPP時，則可能有16到24層。更高電壓時，由于層數減少，壓電式傳動器的電容更小。換句話說，驅動低電容觸覺反饋傳動器所需的電流更小。

壓電傳動器使用圓盤或者矩形條的形式，也被稱作彎曲器。壓電盤垂直變形，可用于Z軸振動。壓電彎曲器可直接安裝在一塊“漂浮”式觸摸屏上，以實現屏幕振動（圖2a）。壓電彎曲器還可以貼裝到一個小型模塊中，而該模塊又可以安裝到設備的外殼或者PCB上，從而實現整個設備振動（圖2b）。壓電模塊之所以流行，是因為它的機械集成很簡單。

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圖2:壓電式傳動器的形狀系數

是什么讓壓電式傳動器擁有高分辨率？

四大因素讓壓電式傳動器區別于慣性傳動器：

1、 啟動更快：由于其固有機械屬性，壓電式傳動器的啟動時間非常短—一般小于15ms，比ERM快3到4倍。相比ERM，總體觸覺反饋事件持續時間縮短70ms。圖3對此進行了詳細的描述。

2、 帶寬更高：壓電式傳動器的更高帶寬（參見圖4），可提供更細膩的觸覺反饋組合，實現更多的效果。

3、 噪聲更低：與ERM不同，壓電式傳動器沒有旋轉質量產生的機械噪聲。

4、 振動更強：壓電式模塊可產生更高的振動強度。圖5顯示了一個市售壓電式模塊的加速特性，而圖6顯示了一個市售LRA的加速特性。我們可以看到，相比LRA低于1.5 GPP的峰值到峰值加速度，壓電式傳動器產生了3 GPP的峰值到峰值加速度。這種更高的振動強度意味著，壓電式模塊是大屏幕智能手機和平板電腦的理想選擇。

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圖3:壓電式模塊的典型啟動時間為~14 ms

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圖4:壓電式傳動器（理想模塊）的帶寬更高

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圖5:壓電式模塊的加速特性

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圖6:LRA的加速特性

壓電式傳動器的電流消耗

盡管壓電式傳動器所需電壓高于標準慣性傳動器，但是實際電流消耗卻低于ERM，大小與LRA一樣（參見表1）。

表1：觸覺反饋傳動器的功耗

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結論

相比慣性傳動器，壓電式傳動器擁有較大的性能和成本優勢。它具有更短的啟動時間，幫助鍵盤應用程序實現強烈而輕快的點擊確認。它的高帶寬優點，可幫助實現用戶更易感知的觸覺效果，這一點對游戲應用至關重要。壓電式傳動器具有更強的振動，可以為一些大尺寸消費類設備（例如：平板電腦和電子閱讀器等）帶來觸覺反饋功能。總之，壓電式觸覺反饋技術擁有許多引人注目的特性，可以增強觸覺反饋體驗，幫助提高移動設備的整體用戶體驗。

TI同時供應模擬輸入（DRV8662）和數字輸入（DRV2665）壓電式觸覺反饋驅動器，其可以與市場上的各種壓電式傳動器一起使用。另外，TI還提供一些讓廣大設計人員“耳目一新”的演示。

下載原文：

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2012-10-17 11:34:47 上傳

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