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2020/07/06

壓電觸覺致動器的機械原理

我們推出的低功耗 CapDriveTM壓電觸覺驅動器架構 ,重新激發了業界對採用壓電觸覺效果的興趣。由於壓電技術不同於ERM和LRA,因此我們需要分享一些機械原理以便優化與它們的整合。更換ERM或LRA可不是只將壓電致動器粘合在同一個固定位置。如果這樣做了,所得到的結果將會讓人大失所望,並將使您的團隊朝錯誤的方向發展。

壓電觸覺在不同的機械概念下運行,需要不同的方法才能成功集成,從而獲得更好的觸覺效果。讓我們看看壓電觸覺如何從 ERM 和 LRA 中脫穎而出,以及它將如何影響它們的集成。

想像一下,某些使用LRA的手機-僅放上一個壓電致動器,而帶來只是一些響聲之外,並無其他功能。

了解觸覺致動器比較表 – 加速感應
即使觸覺技術想要創造更先進的效果,它們也無法逃脫物理定律!要了解觸覺致動器的工作原理,我們需要使用經典力學的一些最基本定律,即以Isaac Newton的運動定律:

第一定律
在慣性定律參考架構下,除非受外力作用,否則物件不是保持靜止,就是繼續以恆定速度運動。

第二定律
在慣性定律參考架構下,作用在物體上的力F的向量和等於該物體的質量m乘以該物體的加速度a: F = ma。(這裡假設質量m是恆定的)。

第三定律
當一個物體在第二物體上施加力時,第二物體同時在第一物體上施加大小相等且方向相反的力。

觸覺比較表中有些小瑕疵。我們感受到的回饋力是來自致動器的運動力。為什麼業界要用加速度來比較回饋強度?您在比較表中看到的加速度值是基於每個觸覺致動器在相同質量(Mass)上進行加速度計的測量結果。由於在測試基礎上,是將每個致動器以相同質量去進行比較的,所以我們可以分別找出加速度值。因此,加速度值最高的致動器的確會產生最強的回饋,但其效能卻不能以相同的方式精確測量。

將ERM或LRA放入一個質量上,可以確實移動它,但放到壓電致動器上,是不能期望會得到相同的結果。量測壓電致動器的加速度值,是測量致動器之上方質量。這可讓我們了解為什麼會有所不同,以及為什麼需要使用不同的方法,才能成功的將壓電觸覺功能整合到產品設計中。

觸覺致動器元件
我們已經看到,觸覺是由牛頓運動定律定義的。為了產生一個力量,觸覺致動器需要兩個元件:質量(Mass)和產生加速度的振動引擎。比較觸覺技術時,您最終將比較出它們用於產生加速度之振動引擎種類。

觸覺致動器 = 振動引擎 + 質量(Mass)

讓我們看一下每個觸覺致動器後面的元件,並了解為什麼不能用壓電致動器直接替換ERM或LRA。

偏軸轉動慣量(ERM)致動器元件
1
ERM的振動是通過使用直流馬達(振動引擎)旋轉偏心質量產生的。此質量運動產生不平衡的力量,因此產生振動。

雖然計算旋轉偏心質量的運動軸心很複雜,但我們需要了解的是,不平衡質量的旋轉所產生的力量會傳遞給直流馬達。裝置上的直流馬
達基座處,放入ERM致動器,這樣感應到直流馬達的振動便會傳遞到裝置上。

遵循牛頓的運動定律原則:旋轉偏心質量和振動引擎的旋轉產生了一個移動力量,該力量從致動器傳遞到與其相連的裝置。

線性諧振致動器(LRA)元件
2LRA的振動是由音圈(振動引擎)驅動的懸浮磁性質量所產生的。音圈上的驅動電流會產生一個磁場,該磁場可以使彈簧在與彈簧對齊的同一軸上下移動。

磁性質量需要振盪固定頻率,以產生諧振並產生最大的力量。諧振頻率取決於質量和懸架彈簧的剛性。

再次重申牛頓的運動定律:音圈(a)導致的懸浮磁質量(m)運動產生了一個動力量,該動力通過彈簧傳遞到裝置上。

壓電致動器元件
3在此範例中,我們將使用 TDK PowerHapTM 壓電致動器 ,因為它們都具備相同的設計基礎。這些壓電致動器不像一般壓電彈片那樣工作。反而,PowerHapTMTM 致動器在受到拉力(高壓)時會機械收縮。壓電材料的收縮迫使金屬元件鈸(cymbal)片膨脹。這就是致動器如何推壓質量的方式。如果要在致動器的一側推壓質量,則另一側需要靠在一個表面上,該表面會將力量傳遞到一個質量的裝置上。同樣,如果您的裝置受到一個力量加上一個可推壓質量,則牛頓的第二定律決定了您的裝置最終將會振動。
4壓電致動器之所以不能直接替代傳統技術,是因為它們不是觸覺致動器,而是振動引擎。就像ERM的直流馬達和LRA的音圈一樣,壓電致動器沒有內置質量。

如果我們看一下牛頓的運動定律原理,壓電致動器就是振動引擎,它會產生加速度(a),但是我們缺少質量(m)來產生有影響力的運動力。

這是否意味著不可能用壓電觸覺代替LRA和ERM來振動整個裝置?不,這代表您需要找到一個與壓電致動器一起移動的質量,我們相信這是這項技術的一項優勢!它提供了更大的靈活性來調整壓電觸覺,進而根據您的目標獲得最佳的觸覺效果。將壓電致動器與小質量結合起來,非常適合於局部回饋並取代機械按鈕。將壓電致動器與較大質量結合,可以產生足夠的力來振動與其連結的整個裝置。該裝置也可以是質量本身,例如汽車顯示器。傳統的觸覺技術沒有這種靈活性。  (文章來源:Boréas 官網)
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