电子产品世界

压电式触觉反馈解决方案的市场前景广阔，无论是智能手机、汽车、工业控制、家用电器还是游戏机都呈现出利好发展趋势。

随着市场对便捷性和安全性要求的不断提高，诸如触摸屏和其他触控面板等多功能人机界面 (HMI)几乎无处不在。偏心马达(ERM) 或线性马达(LRA) 等现有触觉反馈解决方案有许多缺点，包括尺寸相对较大、插入高度与显示控制器高度相关以及在智能手机或平板等电池供电设备上功耗较高等。此外，无论是反馈的频率还是强度，都只能在非常窄的范围内变化，且不具备任何传感器功能。

TDK的PowerHap™和PiezoHapt™系列压电式执行器提供了更好的替代解决方案，它们将压力传感器和执行器集成在一起，能为触觉反馈应用提供各种执行器产品。其中，PowerHap的力度更大，PiezoHapt更薄。

典型加速度g与电压关系曲线（负载100克）。此处电压信号是一 个峰值120 V的半正弦波，脉冲长度5 ms，对应频率为200 Hz

1   纤薄的触觉反馈执行器PiezoHapt L

TDK专为汽车和智能手机显示器开发了L8060和L3015型执行器，其插入高度极小，仅为0.35 mm和0.3 mm，面积也只有80 mm×60 mm (L8060) 和30 mm×15 mm (L3015)。PiezoHapt采用单晶结构设计，基于1个一端连接到振动板的扁平积层压电元件，能直接安装到显示器下面（图1）。

图1 超薄TDK PiezoHapt（小于35 mm）适用于智能手机、平板和车载显示器。

执行器的工作电压≤24 V (L8060) 或≤12 V (L3015)。根据施加电压的幅值和频率，PiezoHapt能产生丰富的振动型式，在200 Hz正弦频率下可实现(40~65) µm的位移。这些型号尤其适合用于OLED显示器。

图2 正方形PowerHap执行器的设计。该系列产品包括4种型号，边缘长度在(9.0~26.0) mm之间，插入高度则在(1.1~2.3) mm之间。凭借积层技术，其可实现25 N以上的力和230 µm的位移。

2   PowerHap：优异的加速度、力和响应时间

PowerHap系列执行器基于带内置铜电极的积层压电板。基本设计如图2所示。

为压电板施加电压后，它在z轴的扩散的极小，但由于持续的压电效应，电压会同时在x和y轴收缩。压电板上的2个钛钹（1边1个）会将x和y轴的收缩在z轴上放大15倍，从而实现最大230 µm的位移（2626H023V120型）。施加电压和位移之间的线性度非常高（对于该型号而言，位移/电压比是1.8 µm/V），这一点非常实用。它能同时实现信号幅值和波形的精确可变控制。

借助积层压电技术，PowerHap的响应时间和加速度性能都极佳。例如，在仅仅1 ms的上升时间范围内，压电振子的加速度就能达到15.0 g；若负载为100克，则可实现最大35 g的最大加速度值，从而产生非常大的力（25 N）。传统解决方案根本无法达到同等水平的性能。2626H023V120型执行器的响应时间和加速度如图3所示。

PowerHap执行器适用的触发范围很广，为1~500 Hz，而且适合各种幅值、周期和信号波形（例如正弦波、三角波或方波等）。根据具体型号的不同，驱动电压可在20~120 V或-10~60 V之间。因此，这些执行器能为人体机械刺激感受器生成定制的触觉反馈。相应地，这些执行器使设计师可为汽车和工业应用中希望实现先进HMI的用户创造出特定的高清触觉反馈。不超过2.3 mm厚的小尺寸设计与强反馈相结合，使这些执行器不仅能集成到显示器中，而且还能直接置于平面设备之下。这对于食品工业或医疗技术等同时存在严苛工业环境和严格卫生标准的应用，可助力实现所必需的高密封性水平。

在作为传感器使用时，PowerHap的输出电压能在大范围内保持与施加压力的比例关系。

3   传感器特性

除了优秀的性能，借助于积层压电技术，PowerHap元器件还具备优异的传感器功能。众所周知，传统开关或按钮只能提供导通和关断2种开关状态，而PowerHap则可提供与所施加压力成比例的输出电压，相应的特性曲线如图4所示。

与传统机械按钮不同，使用PowerHap甚至能实现根据所施加压力的大小，触发不同的动作和触觉反馈的独特解决方案。

图3 长方形PowerHap产品适合显示器的横向控制。典型应用包括车载显示器等。

4   超薄设计，能横向安装于纤薄设备中

除了适合安装于平面下方的正方形PowerHap产品之外，TDK还开发了4种型号的超薄长方形PowerHap产品，可同时提供垂直和横向触觉反馈。2种最小的型号长度仅为9 mm和12 mm，特别适合智能手机、平板电脑、家用电器、游戏机、VR/AR设备、智能手表、数字记录仪和手持医疗设备等。另外2种较大的型号侧面长度为60 mm，是目前功能最强大的PowerHap产品，可产生高达50 N的力，可移动重达1 kg的物体。例如，这些强大的套件能安装到显示器侧面，以实现水平方向上的触觉反馈，如图5所示。

为让用户了解PowerHap执行器的多种触觉反馈性能，TDK提供了2款评估套件。BOS1901Kit开发板基于60 V执行器（0909H011V060,0904H014V060和1204H018V060）设计，触觉执行器架构来自Boréas Technologies。该款开发板具有尺寸紧凑、电流消耗小和响应速度快等特点。除此之外，还提供了对电压幅值、频率、脉冲重复频率、信号波形和传感器功能进行调节的选项。

第2款评估套件适用于60 V和120 V PowerHap产品，并提供了2种型号：一种针对单个执行器(Z63000Z2910Z 1Z 1)，另一种则适用于多达5个执行器(Z63000Z2910Z 1Z 7)。这些套件包含了0909H011V060、1313H018V120和2626H023V120型号的PowerHap执行器。

图4 评估套件可以给用户提供关于PowerHap执行器触觉反馈性能的初步印象，并帮助他们对各种设计因素进行评估

5   强大的合作厂商，一流的设计支持

采用触觉反馈的系统是一种相对较新的技术。因此，尚无可供借鉴的标准解决方案。为使不同行业的客户都能实现快速和高性价比的触觉解决方案设计，TDK携手3家领先的触控企业，并组成合资联盟。

Aito 主要提供基于HapticTouch硬件和软件的控制器解决方案，能把压电执行器转换成带触觉反馈的精密触摸传感器。这样就可以在平滑表面上模拟触控开关或按钮。综合应用TDK和Aito的触觉反馈技术能在智能手机触摸屏上实现触控解决方案，或者替换掉汽车上的传统开关和按钮。Aito专注于使用TDK小型PiezoHapt S系列执行器的解决方案。

Boréas Technologies已经开发出了基于其CapDrive™专利技术的BOS1901驱动集成芯片。该芯片能效特别高，而且提供了传感器功能，特别适合用于控制工作电压在60 V以下的TDK PowerHap执行器。接下来，Boréas将会为最高驱动电压120 V的大型TDK PowerHap产品开发首款低功耗压电驱动集成芯片。

Immersion是领先的触觉反馈技术开发商和授权商。该公司与TDK签署了PowerHap和PiezoHapt执行器的合作推广协议。Immersion授权这些执行器与其软件产品配合使用，并将这些执行器纳入了他们的参考设计之中。这样可帮助客户利用世界上最纤薄和最强大的执行器，实现先进的触控解决方案。

未来，越来越多的设备和系统都会配备触觉反馈装置，以提高便捷性、安全性和操作可靠性。凭借独特的产品系列以及与合资联盟的密切协作，TDK能为各种触摸应用提供最佳解决方案。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年9月期）

关键词： HMI ERM LRA 202009