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[导读]触觉反馈已经印刻在我们生活的方方面面,消费类电子设备对于触觉反馈的追求向着多样化、更高清、精细体验的方向上进行发展。而在即将到来的元宇宙时代,迫近真实体感的触觉反馈也是营造沉浸体验的重要技术升级之一。 为了实现更为高清的触控体验,LRA在某些方面逐渐出现瓶颈,而压电致动器则可以弥补这些不足,作为营造触觉反馈的关键补充、或是直接替代LRA作为主振动反馈器存在。

触觉反馈已经印刻在我们生活的方方面面,尤其是在消费类电子设备,譬如手表、手机和电脑上,对于触觉反馈的追求向着多样化、更高清、精细体验的方向上进行发展。而在即将到来的元宇宙时代,除了AR和VR的技术发展外,迫近真实体感的触觉反馈也是营造沉浸体验的重要技术升级之一。

为了实现更为高清的触控体验,LRA在某些方面逐渐出现瓶颈,而压电致动器则可以弥补这些不足,作为营造触觉反馈的关键补充、或是直接替代LRA作为主振动反馈器存在。压电致动器需要通过高压驱动,对于驱动器的输入精度,整体功耗控制等,有着不小的设计挑战,而Boréas最新的压电驱动技术,则可以解决这一难题。这一压电驱动技术被称为CapDrive,将高清触控、可编程、低功耗和小体积等多种优势带入到压电反馈方案中,从而将压电致动真正带入到消费电子设备的触觉反馈应用中。


高清触觉反馈:“LRA” 持续演进,“压电致动器”崭露头角

所谓触觉反馈是指通过软硬件结合的触觉反馈机制,模拟人的真实触觉体验。随着技术发展,触觉反馈也一直在不断升级。

典型的触觉反馈系统如下图所示,其中决定触觉反馈效果的核心部分主要可以由感应器、驱动器、致动器三类元器件组成。致动器是产生振动反馈的关键器件,不同的振动方式的产,在触觉反馈的强度、波形、响应时间、系统功耗、噪声等方面有着不小的差异。从最初的ERM到LRA,再到现在的压电致动器(Piezo),整个触觉反馈系统也在向着小型化、高清反馈的方向发展。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

最初的触觉技术主要依赖于ERM和LRA,仅仅通过简单的震动来给用户进行提醒;后来触觉技术想和可编程的方向发展,通过更先进的硬件和第三方SDK和效果库,ERM和LRA可以提供更多不同效果,譬如在滑动、滚动时提供反馈;发展到现在,高清触觉技术成为了主要趋势,可以通过LRA和压电致动器来实现零延迟的动态效果、提供接近复杂真实触觉的反馈体验。

ERM和LRA都可以看作是一种马达,但其能量转换的路线有所不同,因此功耗表现上也有非常大的差距,在振动表现的调节上也有所不同。ERM是将电能转换成电磁力,电磁力产能的马达动能,驱动内部的偏心金属块转动产生离心力,最终产生马达振动。而LRA是直接将电能转换成内部悬浮磁块的机械能,进而产生振动效果。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

ERM起振和停止的时间都比较长,响应慢;反之LRA则更快,最终体验上体现出来的就是反馈更”清脆“。

ERM的一次反馈时间需要100~200ms,在用户连续点击时候就会产生延迟感,因此无法提供更丰富的振动反馈层次,而苹果手机内部的LRA的反馈已经可以达到10ms,因此在用户的连续点击反馈上,可以提供零延时的反馈体验。

从振动效果上看,因为LRA的振动强度随着频率具有偏移特性,因此可以通过波频+振幅来调节,而ERM是两者耦合之后的产生的振动效果,只能通过耦合输入控制电压来调节。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

LRA的发展经历了一系列的变化:为了产生更为丰富的高清触觉反馈,LRA从固频向着宽频的方向发展,传统固频LRA需要在很窄的范围内做触觉输出,但更多的人体触感其实是落在更低的频段内。为了提高振动量,还需要在偏频处产生更高的激励,从而为游戏等体验提供更丰富的反馈内容。为了提高触觉反馈的手感饱和度,F0也在向着更低的方向发展,从2014年的235Hz到现在iphne13上的130Hz左右。包括整个LRA的外型和内部的悬浮结构,也都经历了一系列的变化,从弹片到弹簧,从币形转子马达,到Z轴线型马达,到横向的线性马达,到现在更为精巧的物理结构;在单纯追求力感的强弱的方向上,转为追求更舒适和贴近人体真实触感的振感设计。

而压电致动器的工作原理则与振动电机不同,是利用了逆压电效应。给致动器施加电压,致动器产生形变;不同波形的电压信号就会产生一系列的振动反馈,工作原理上更接近音频信号放大器。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

压电致动器的快速启动时间可以做到更短,较高的带宽也可以支持更丰富的触觉效果。非常纤细的外型可以实现更灵活的安置方式,例如可以直接安装在手机边框上作为虚拟的按键反馈,或者在触控笔中实现触觉反馈。但同时因为其外型小巧,质量不大,所以制动力也相比LRA和ERM这种自带质量块的致动器产生的力小一些,所以在手机等设备中还没有作为主要振动反馈的致动器,实现大范围替代LRA,但在手机上作为按键的专门触觉反馈的致动器是效果非常好的;像触控笔这样的非常紧凑的产品外型内可以直接替代LRA产生更好的触觉反馈效果。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

业界非常看好压电触觉技术市场的发展前景。研究机构SAR Insight指出,预计到2025年该市场价值将会超过10亿美元。Boréas Technologies业务发展总监Sean Shen表示,“压电触觉技术将会在PC触控板和触觉触控笔中取代线性马达。而且,我们认为压电触觉技术将会推动新颖的触觉应用,例如手机中的局部触觉或汽车内饰中的显示触觉装置,从而开创自己的市场。”

传统的压电触觉反馈方案的功耗和尺寸并不理想,但现在基于TDK的压电致动器技术和Boréas致动器驱动技术解决方案,正在扫除采用先进的压电触觉技术的障碍,助力行业快速迈进新一代用户界面设计。在专利CapDrive架构支持下,Boréas的压电驱动器相比竞争产品节省了多达10倍的功率,最新方案中内置力感应功能,启动时间小于300 µs,而且是业内最小的压电驱动方案。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

例如在游戏手机中,通过集成的压电触觉反馈功能,玩家可以通过输⼊设备⼿部感觉到赛⻋游戏中的陡峭倾斜赛道,就像驾⻋者在现实赛⻋中体验到拉⼒⼀样。据Sean介绍,“我们的技术可以与智能手机LRA协同工作,从而创造身临其境的丰富游戏体验,正如人们在索尼PS5游戏手柄上所获得的体验。Boréas产品通过力感应和局部触觉功能来取代智能手机上的自适应扳机键。由于我们的技术独立于智能手机 LRA,从而可将游戏中的振动处理工作交予LRA,并且在智能手机肩部按钮上创建崭新的局部触觉体验。”

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

Boreas Technologies业务发展总监Sean Shen


更“完美”的压电触觉反馈方案

关于压电致动器的应用面非常广,而仅仅在触觉反馈的致动器这一领域,提供单纯的分立元件的产品选择也非常多。从单纯的分立元件从零开始搭建触觉反馈的系统方案并不简单,这与压电致动器的工作原理也有着密不可分的关系。

压电致动器需要的驱动电压远远高于ERM和LRA,所以要求驱动器有足够的驱动能力。为了获得清晰的触控反馈,需要压电驱动器提供更为高分辨率的输出,有足够的控制精度,同时减少不必要的噪声,为用户提供更为细腻的触觉反馈。对于电池供电设备而言,待机功耗也是非常关键的设计考量因素,因此整个触觉反馈系统的待机功耗也要足够低。此外,系统方案如果有丰富的波形参考库,那么也将大大加速开发者的开发时间。

目前市面上已经有了不少的压电致动器厂商,提供了相应的压电致动解决方案,例如Dialog、TI等等。如下图所示,Boréas的CapDrive平台的BOS1901压电解决方案相比竞争对手在功耗、启动时间和体积方面具备优势;Boréas的方案内部集成了压力传感,而其近日最新推出的BOS0614更是实现了单芯片4通道的设计,仅需一颗BOS0614就可以驱动4颗压电致动器,从而让整个系统设计精简度更高,BOM Cost和PCB占用面积更小。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

Sean表示,“Boréas驱动器从一开始就设计用于驱动电容性负载,例如压电致动器。这些致动器产品本身具有很高的效率,几乎可以将所有的能量转化为运动。然而,它们需要高压(~50-100V)驱动才能移动,而手机是由标称电压为3.6V的电池供电。我们的架构是在考虑这些限制因素的情况下而开发的。与传统放大器相比,CapDrive架构通常能够将功耗降低大约十倍,并将驱动器占板面积减少大约四倍。”

Boréas技术是完整的传感和触觉解决方案,传感器检测到需要触觉效果的事件时,能够在用户手指处生成局部触觉,而无需访问主触觉电机。在同时存在多个触觉源的情况下实现身临其境的用户体验,从这个角度而言,可以说是对于手机LRA一种释放。Boréas技术使用同一个压电致动器来感测和创建触觉反馈,所有的信号都在芯片内部进行处理,因此在用户输入和触觉反馈之间几乎没有延迟(小于1 ms)。通过结合局部触觉,Boréas技术操作起来就像机械按钮。用户不会感觉到整部手机在振动,而只有手指下方的位置在振动,就像一个机械按钮。“演示时,我们经常需要切断演示装置的电源,以证明这不是机械按钮!”Sean分享到。

另外值得一提的是,Boréas的架构还具有能量回收的设计,支持零功耗感应(ZPS)特性,可让IC处于睡眠模式,并仅在检测到用户输入时自动唤醒。这一特性非常适合于应用在电池驱动设备的开关机按键上,例如在手机电池电量过低而无法启动的情况下,用户按压电源按钮仍可以获得触觉反馈,就像按下和释放真实的按键一般无疑。


压电触觉反馈迎来全面市场应用

在消费类电子设备和可穿戴电子设备上,压电触觉反馈将会迎来更多应用机会;除此外Boréas的压电触觉反馈方案也可以推动一些新颖的触觉应用,包括在一些譬如VR、AR全新设备上实现搭载;而在汽车触控、PC触控板上,也有着确定的的应用前景。

据Sean分享,PC领域有望率先采用Boréas的触觉反馈技术,一些客户计划在2022年推出产品;移动设备则排在第二位,一些客户将于2023年推出相应的产品。首个采用这项技术的市场将会是游戏手机市场,手机游戏是电子竞技市场中增长最快速的部分,OEM厂商将提供可改善用户表现和增强游戏沉浸感的游戏手机,努力满足客户的需求。“传统 OEM厂商”(那些产品线中尚无游戏手机的厂商)将会采用Boréas技术,以满足客户对更好游戏手机的需求。旗舰安卓手机和游戏手机的规格并无重大区别。我们的技术能够改善旗舰手机设备的游戏体验,而厂商无需建立游戏手机的专用品牌。”

针对手机应用,Boréas提供的有NexusTouch手机边缘触觉反馈、肩部按键(gaming piezo shoulder buttons)和显示屏压电触觉三种解决方案。NexusTouch是一款集成式开发平台,允许安卓智能手机设计人员将智能手机的边缘变成交互式触摸区。NexusTouch具备动态虚拟按钮映射功能,使制造商能够利用特定区域来定义系统功能和触觉效果来取代传统机械式电源和音量按钮。相比竞争技术,NexusTouch的独特之处在于实现手势检测的同时满足了“可定位触觉效果”。此外,用户可以用自定义的触发效果来代替高档游戏手机上的机械按键。瞬时定位(split-second positioning)功能和快速的用户输入捕捉及反馈,为用户实现精准的游戏操作。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

针对PC的应用,Boréas提供的有压电触控板(GlideSense)、微型鼠标(Piezo Mice)及压电手写笔(Piezo-Stylus)的方案。GlideSense是通过触控板下方使用薄型压电振动片来实现触摸表面的触觉反馈。正如其智能手机技术,触控板解决方案也是使用同一个压电片作为触觉致动器和力传感器。相比传统的ERM和LRA的方案,该方案的外型更为轻薄,适用于当前轻薄的笔记本设计。此外,这是一个可以经济高效地扩展用于不同触控板尺寸的解决方案,可以满足OEM厂商任何可能的尺寸需求,涵盖从轻量级超极本中的110 x 60 mm直到大型专业笔记本电脑中的 160 x 100 mm尺寸触控面积用例,不仅可以应用于旗舰设备,也可以集成在更低产品定位的大多数笔记本电脑中。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

针对可穿戴设备应用,Boréas推出了Piezo Haptic Engine,致动器利用可穿戴设备内部的组件来产生触觉反馈。由于在可穿戴设备中,元器件在整个设备重量占比较高,因此利用压电致动的方案相比类似大小的ERM或LRA方案,反而可以产生更为强劲的反馈。

压电触觉反馈的崛起:沉浸式触觉体验的组成和补充

此外在汽车应用方面,Boréas也正在与TDK合作针对汽车市场推广压电触觉产品及其 120V PowerHap致动器。


总结

压电致动器在局部触觉反馈应用中,有着不可替代的技术优势;在触控笔、智能手表中,又凭借着小体积、低功耗和高振动量的优势有着非常强势的应用前景。在手机中作为主要触觉反馈引擎替换LRA目前来看尚不现实,但作为边缘触控反馈提供了屏幕之外的人机交互界面,丰富了手机触控体验。面向即将到来的元宇宙,在新形态的智能设备中,压电触觉反馈方案也有着非常多的创新应用机会。Boréas通过专利CapDrive技术,让压电触觉反馈系统实现了比LRA方案更优异的功耗、响应、体积和系统成本优势,让压电致动器在触觉反馈应用中的真正落地成为可能。

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