基于壓電馬達(dá)的觸覺響應(yīng)解決方案

   隨著觸摸屏在手持式消費(fèi)類設(shè)備中逐步替代機(jī)械按鍵，由于缺乏觸覺響應(yīng)，消費(fèi)者開始提出對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)的需求。用戶已經(jīng)習(xí)慣了按鍵按下時(shí)表示成功操作按鍵輸入的機(jī)械觸感，如圖1所示鍵盤。近來，由于缺乏好的觸覺反饋設(shè)計(jì)，從而帶動(dòng)了電子觸覺響應(yīng)系統(tǒng)的需求。

圖1. 基于軟件的按下激活按鍵

　　使用壓電驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)觸覺反饋是一種比較有前途的方法，這種方式已經(jīng)在少數(shù)消費(fèi)類設(shè)備中應(yīng)用了很多年。壓電式觸覺反饋具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括：快速響應(yīng)、超薄外觀、低功耗以及大量可以利用的壓電材料和組裝工藝。

　　壓電特性和比較

　　壓電材料有各種不同的形狀、尺寸、厚度、電壓范圍、作用力和額定電容，可以加工成特定形狀，以滿足特殊應(yīng)用及封裝的需求，并可以提供單層和多層結(jié)構(gòu)。多個(gè)壓電體可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的觸覺反饋和多種不同的觸感。

　　工作在諧振點(diǎn)及其附近的壓電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用包括：

　　●振動(dòng)激勵(lì)和消除

　　●微型泵

　　●微型雕刻系統(tǒng)

　　●超聲鉆孔/焊接/雕刻/解剖/計(jì)量

　　工作在諧振點(diǎn)以下的應(yīng)用包括：

　　●觸覺響應(yīng)

　　●圖像穩(wěn)定

　　●自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)

　　●纖維光學(xué)校準(zhǔn)

　　●結(jié)構(gòu)變形

　　●磨損補(bǔ)償

　　壓電工作原理

　　低于諧振頻率時(shí)，壓電體可以簡(jiǎn)單地用一個(gè)電容模擬。當(dāng)直流電壓加在壓電體兩端，構(gòu)造和物理形狀不同的壓電體會(huì)產(chǎn)生不同的形變（圖2）。

圖2. 簡(jiǎn)化壓電體模型

　　庫侖定律指出Q＝CV，但在壓電體中電容不是常數(shù)，這是因?yàn)殡娙輼O板間距會(huì)隨著電壓變化而變化。

　　當(dāng)對(duì)壓電體施加電壓時(shí)，由于極板間距離發(fā)生變化（圖3A），電容量也會(huì)隨之改變。壓電體位移正比于電場(chǎng)強(qiáng)度，而電場(chǎng)強(qiáng)度是極板間電壓和距離的函數(shù)。外加電壓和壓電驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的作用力保持著合理的正比關(guān)系（圖3C）。

　　在大多數(shù)壓電驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)范圍內(nèi)，壓電體等效電容的電荷與位移量都保持近似正比關(guān)系。如果等效電容極板間沒有漏電流，即使極板與電壓源斷開，仍能夠保持位移量。

圖3. 位移量和作用力與外加電壓

　　作用力正比于壓電體外加電壓（圖3）。作用力（相對(duì)于時(shí)間）是影響觸覺響應(yīng)的主要因素，它決定了用戶的感覺，使用多層壓電體可以改進(jìn)位移量。

　　壓電模型

　　壓電體中運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)系統(tǒng)可以用主介質(zhì)電容CP并聯(lián)由LRC組成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來模擬（圖4）。達(dá)到諧振頻率之前，阻抗會(huì)像電容一樣隨頻率上升而下降。所以，當(dāng)壓電體工作在遠(yuǎn)低于諧振頻率時(shí)，可以僅用一個(gè)電容CP來模擬。

圖4.壓電體阻抗與頻率

　　壓電體可以工作在諧振頻率，以滿足自激振蕩在固定頻率的需求，例如超聲振蕩器。然而，用于觸覺反饋的壓電驅(qū)動(dòng)器通常工作在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于諧振頻率的位置。

　　對(duì)于音頻應(yīng)用，效率是最關(guān)心的問題，觸覺反饋則與之不同，觸覺反饋的關(guān)鍵問題不是效率，而是人的觸感。超過幾百兆赫茲的振動(dòng)不但不能提供很好的觸覺反饋，反而消耗不必要的功率。周期超過幾毫秒的振動(dòng)可以產(chǎn)生較強(qiáng)觸感，但也會(huì)產(chǎn)生不希望聽到的喀噠聲。

　　圖5展示了一個(gè)典型的觸感波形圖，波形模擬了對(duì)一個(gè)機(jī)械按鍵按壓和釋放的感覺。波形的上升沿，P0到P1，反映了按壓的觸覺響應(yīng)；下降沿，P2到P3，反映了釋放的觸覺響應(yīng)。從P1到P2的時(shí)間是用戶按住機(jī)械按鍵的持續(xù)時(shí)間，由用戶決定。

圖5.一個(gè)典型觸覺反饋的波形示例

　　當(dāng)構(gòu)建一個(gè)基于壓電體的觸覺反饋系統(tǒng)時(shí)，首先需要決定的是使用單層還是多層壓電驅(qū)動(dòng)器（圖6）。表1總結(jié)了兩種壓電類型的對(duì)比。

表1.單層和多層壓電驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)對(duì)比

圖6. 左圖為100VP-P單層壓電片 （SLD） ；右上圖為 120VP-P多層壓電條（MLS）； 右下圖為 30VP-P多層壓電條（MLS）

　　方案選擇

　　單層還是多層結(jié)構(gòu)？

　　表1提供的信息建議使用單層壓電驅(qū)動(dòng)器。單層片供貨量大而且已經(jīng)量產(chǎn)，投入生產(chǎn)的多層壓電體則相對(duì)較少。另外，單層壓電體成本低很多，這在使用多個(gè)壓電體的方案中十分重要。例如，市場(chǎng)上的很多手機(jī)在屏幕后面都安裝了多個(gè)單層壓電片，這種情況下使用多層壓電體成本就要高很多。

　　分立方案還是單芯片方案？

　　基于壓電體的觸覺反饋方案的缺點(diǎn)之一是復(fù)雜度比較高，典型的壓電體解決方案采用分立元件實(shí)現(xiàn)整個(gè)觸覺反饋系統(tǒng)，額外的分立元件包括一個(gè)微控制器、反激boost或集成電荷泵、反激變壓器或電感，以及各種電阻、電容、二極管和晶體管。而基于直流馬達(dá)的觸覺反饋方案需要很少甚至不需要外部元件。

　　單芯片觸覺反饋方案，如 MAX11835相比于傳統(tǒng)分立設(shè)計(jì)有很多優(yōu)勢(shì)：較小的印制電路板尺寸、較低功耗、精簡(jiǎn)的材料清單（BOM）以及簡(jiǎn)單的軟件支持?？紤]到壓電體尺寸也很小， MAX11835對(duì)于手持設(shè)備是極具吸引力的解決方案。

　　圖7 展示了單芯片高壓觸覺反饋驅(qū)動(dòng)控制器的框圖：

圖7. 使用壓電驅(qū)動(dòng)器的觸覺反饋方案框圖

　　MAX11835 單芯片優(yōu)化方案具有以下功能：

　　●支持單層和多層壓電驅(qū)動(dòng)器

　　●用戶可定義的片上波形存儲(chǔ)功能（通過串口）

　　●片上波形發(fā)生器

　　●內(nèi)嵌DC-DC升壓控制器

　　●工作電壓范圍可滿足典型的手機(jī)電池需求

　　●小封裝尺寸

　　●低功耗

　　電源管理的重要性

　　壓電體相對(duì)于直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器來說功耗極低，盡管如此，仍有一些其它功耗因素需要考慮：

　　●每次觸碰從主電源消耗的功率

　　●每次觸碰的波形類型

　　●每秒觸碰次數(shù)

　　●高壓升壓電路消耗的功率

　　MAX11835觸覺驅(qū)動(dòng)控制器對(duì)各種壓電驅(qū)動(dòng)器和高壓電容的功耗進(jìn)行了測(cè)量。MAX11835可以回放boost轉(zhuǎn)換器反饋環(huán)路中軟件控制的存儲(chǔ)波形，測(cè)試波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。

　　圖8、9A和9B 顯示了 MAX11835 驅(qū)動(dòng) 175V 100Hz 正弦波時(shí)的輸出，同時(shí)也畫出了變壓器主線圈電流。

圖8.輸出電壓波形和 MAX11835 boost電源的電流波形

圖9A. 100Hz連續(xù)正弦波下，功耗隨負(fù)載的變化曲線

圖9B. 峰值boost電源電流隨負(fù)載變化的曲線圖，

　　測(cè)試條件：頻率 = 100Hz的正弦波；boost電源電壓 = 4.2V；boost電源去耦電容 = 10uF；使用6:1變壓器。

　　按下按鍵是最普通的操作，圖10所示波形需要40ms充電，10ms放電。緩慢充電在觸碰屏幕的過程中不容易被察覺，而快速放電的感覺則如同釋放一個(gè)機(jī)械按鍵。

圖10. 按壓按鍵的模擬波形

　　圖11. 功耗與壓電電壓曲線圖，用單層和多層壓電體模擬按鍵的按壓。當(dāng)電壓超過180V，MAX11835的原邊鉗位開啟，功耗會(huì)急劇上升。

　　圖11所示波形連續(xù)工作。功耗隨著占空比的降低而線性下降。在機(jī)械負(fù)載（半阻塞作用力）和空載壓電驅(qū)動(dòng)器的壓電體數(shù)據(jù)間沒有顯著的區(qū)別。

　　圖12顯示了MAX11835升壓過程的效率，用負(fù)載消耗能量除以升壓電源消耗能量（VBST）進(jìn)行測(cè)量。

圖12. 能量轉(zhuǎn)換效率：負(fù)載消耗能量與VBST消耗能量。電壓超過180V時(shí)，MAX11835的原邊鉗位開啟，效率快速上升。

　　圖12中，效率隨著負(fù)載電容的增大而上升，因?yàn)橹挥衎oost電路消耗靜態(tài)功率。

　　MAX11835 功耗與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器功耗對(duì)比

　　MAX11835的功耗相對(duì)于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器來說非常低，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器包括偏振旋轉(zhuǎn)（ERM）型、線性振蕩驅(qū)動(dòng)器（LRA）型和音圈型。

　　基于馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)器通常需要低電壓（1.8V至3V），電流卻相當(dāng)大。此外，馬達(dá)的通、斷特性，尤其是ERM型，不具備理想的模擬觸感所需的反饋信號(hào)。

　　表2和圖13給出了驅(qū)動(dòng)器的大量測(cè)量結(jié)果，測(cè)試了兩種工作模式，連續(xù)工作和脈沖工作。實(shí)際情況通常不是連續(xù)工作方式，因?yàn)楹芏嘤|碰操作非常短暫，即使仿真紋理表面的仿真。

表 2. 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的功耗

　圖13. 表2對(duì)比的驅(qū)動(dòng)器，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示

　　圖14顯示了連續(xù)工作的功耗。圖中壓電體由幅度為180V、頻率為100Hz的連續(xù)正弦波驅(qū)動(dòng)。其它驅(qū)動(dòng)器由3VDC或2VRMS （LRA 和音圈）驅(qū)動(dòng)。

圖14. 各種驅(qū)動(dòng)器的連續(xù)工作下的功耗

　　圖15顯示了脈沖工作方式下的功耗，圖中驅(qū)動(dòng)器由50ms脈沖驅(qū)動(dòng)，以此仿真按鍵按壓操作。壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)幅度為180V ，其它驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓為3VDC或 2VRMS （LRA 和音圈）。

圖15. 各種驅(qū)動(dòng)器在脈沖工作方式下的功耗

　　結(jié)論

　　從以上討論中可以得出很多結(jié)論。顯然，基于多種考量，單層（非多層）壓電驅(qū)動(dòng)器是當(dāng)前更具吸引力的設(shè)計(jì)方案：

　　成本最低

　　供貨渠道眾多

　　大規(guī)模量產(chǎn)

　　提供定制設(shè)計(jì)

　　可安裝在LCD背面或側(cè)面

　　數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)該對(duì)觸覺反饋電路消耗電源功率進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，波形幅度、類型和持續(xù)時(shí)間都會(huì)影響功耗的大小和觸覺響應(yīng)。

　　每秒鐘觸碰的次數(shù)也會(huì)影響功耗，需要考慮滾動(dòng)或滑動(dòng)操作，還是輕按或緩慢鍵入等，這些因素都會(huì)影響功耗。最后，把測(cè)量結(jié)果歸一化為每秒鐘進(jìn)行的一次觸碰操作，以便比較。