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持续进化的触觉感知,压电振动技术迎来更广阔的应用空间

Robot Vision 来源:电子发烧友网 作者:Sisyphus 2023-12-08 09:06 次阅读

电子发烧友网报道(文/李宁远)基于振动的触觉反馈,是现在很多终端设备都会配置的一种功能,可以带给使用者更真实更具操作感的触觉体验,或者通过振动来进行消息通知。这一为人熟知的功能背后,其实有着不少功能元件和技术的应用。

目前触觉反馈技术通过作用力、振动等一系列动作为使用者再现触感。偏转质量马达和线性共振致动器是此前常用来实现触觉振动的器件,而随着压电振动片的出现以及相关材料、积层和设计技术的提升,未来触觉的实现或许都需要依靠这一方案来实现。

偏转质量马达和线性共振致动器的振动

基于偏转质量马达实现的振动,是历史最悠久也被开发得足够成熟的用来实现振动的方案。其本质是一个高频转动偏心质量的电机,通过电机旋转形成扩散的振动,然后该振动传遍整个设备。以前的手机收到消息的大振动,就是通过它实现的。

严格的以现在对触觉反馈的界定来说,这种方案实现的振动很难用于触觉反馈,而且40-80ms的响应也拖了后腿。偏转质量马达振动方案发展到现在仍然有应用的原因在于它足够成熟成本足够低。在器件小型化发展的现在,它也在小型化以适应更小型的设备,然后凭借其低成本的优势在一些低端振动应用中发挥作用。

线性共振致动器顾名思义,其振动由一个水平方向的共振片实现的。线性共振致动器的应用意在取代偏转质量马达,它带来了更快的响应(20-30ms),更小的尺寸以及更小的功耗。虽然线性共振致动器的驱动更麻烦一些,但是其驱动具有更短的滞后和上升时间,能够提供改进的触觉性能,相比偏转质量马达功率的消耗也更低。

而且线性共振致动器驱动的输入信号的振幅和频率彼此独立,允许输入具有比偏转质量马达更复杂的波形,这可以产生更丰富的用户触觉体验。不过在频率方面,线性共振致动器牺牲了一部分灵活性。但这并不影响很多终端尤其是手持终端选择线性共振致动器这种方案来实现触觉振动。

压电触觉振动的持续进化

压电技术并不是一个新技术了,早在几十年前压电技术被用于许多能量采集应用和驱动扬声器中。随着材料、积层和设计的进步,尤其是多层陶瓷构造优化的越来越好的背景下,压电技术在触觉振动领域的应用优势愈发独特。

压电器件有着压电效应和逆压电效应两个特点,这两大特点是用于产生触觉反馈的核心。如果仅仅是振动,它能达到的效果和前面二者都没有太大差别。关键在于,多层压电振动片不仅仅可以带来振动。

基于力反馈,多层压电振动片能够实现局部触觉功能的实现,这是前面二者全局振动没法实现的其中一个反馈效果。同时为了达到不同的触觉效果,在技术上需要驱动的带宽足够大。多层压电片驱动的带宽是绝对领先的,可以通过改变驻波的振幅、频率、相位再现各种“真实的触感”。触感是未来触觉传感领域着重发展的一个方向,尽可能实现多样真实的触觉感知,不同触感对应不同的功能需求,这些需要更加精细的触觉振动元件来实现。

触觉振动效果的及时响应也是影响触觉效果的重要参考指标。论响应速度,多层压电振动片的响应速度是目前其他振动技术难以企及的,在材料和积层技术的加持下,多层压电技术已经可以做到全频域1ms以内的响应能力,有着数量级上的领先,在触觉反馈中做到现在最及时的反馈。

当然,多层压电也不是没有弊端,压电振动片必须贴附在面板上,所以可能在有些应用中使用受限。而且目前其成本还是偏高,在有些应用里综合考虑性价比、实现效果,可能并不是考虑BOM应用的最好选择。

小结

未来的触觉效果,肯定是需要器件提供更多的可设计性和多功能性,压电技术对未来的触觉实现来说是更为契合的触觉实现手段。随着材料优化、叠层技术发展以及成本下探,现在应用范围有限的压电触觉技术无疑将进一步扩大其发展空间。

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