作者：Jeff Shepard
對更高效人機(jī)界面 (HMI) 和更高感知能力的需求，正在推動(dòng)觸感器件在工業(yè) 4.0 應(yīng)用、汽車、醫(yī)療和現(xiàn)場急救系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備、可穿戴設(shè)備及其他消費(fèi)電子設(shè)備中的采用。例如，觸感器件可以在基于 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）或 AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）的醫(yī)療培訓(xùn)和患者康復(fù)系統(tǒng)中提供反饋，或者在方向盤上提供增強(qiáng)的警報(bào)，告知司機(jī)潛在的不安全狀況。觸感器件還與其他 HMI 技術(shù)（如聲音）結(jié)合使用，以提供更具沉浸式效果和更真實(shí)的感官界面。
設(shè)計(jì)人員在使用觸感器件時(shí)會面臨一些挑戰(zhàn)，包括：選擇正確的觸感技術(shù)（偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM) 或線性諧振致動(dòng)器 (LRA)），正確地將其集成到系統(tǒng)中以達(dá)到所需的反饋水平，驅(qū)動(dòng)觸感器件，以及了解如何測試觸感器件的振動(dòng)、噪聲性能和可靠性。
本文首先簡要回顧觸感反饋可以為幾種應(yīng)用場景帶來的好處，然后介紹觸感技術(shù)選項(xiàng)以及來自 PUI Audio 的真實(shí)觸感器件示例。文中討論了如何將觸感器件集成到系統(tǒng)中，包括一個(gè)觸感驅(qū)動(dòng)器 IC 的示例，最后詳細(xì)介紹了振動(dòng)和噪聲性能的測試方法。
多感官界面
觸感器件正在越來越多地與視覺和聽覺反饋結(jié)合使用，以創(chuàng)建多感官環(huán)境和增強(qiáng)的人機(jī)交互效果。觸感界面可能包括衣服、手套、觸摸屏和其他物體，如移動(dòng)設(shè)備和電腦鼠標(biāo)。
多感官交互尤其適合利用非視覺 HMI 元素（如觸感或聲音）讓用戶保持對手頭任務(wù)的關(guān)注，例如遠(yuǎn)程控制機(jī)器、手術(shù)工具或駕駛汽車。將觸感器件集成到 HMI 還能支持與虛擬環(huán)境或遠(yuǎn)程操控的遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的手動(dòng)交互。為了獲得將觸感器件集成到 HMI 的最大好處，設(shè)計(jì)人員需要了解觸感技術(shù)的性能權(quán)衡。
觸感器件技術(shù)
最常見的觸感技術(shù)包括 ERM 和 LRA。ERM 使用電機(jī)軸上的偏心質(zhì)量來制造失衡并產(chǎn)生振動(dòng)。ERM 器件使用相對簡單的直流 (DC) 電壓驅(qū)動(dòng)。ERM 使用直流電，結(jié)合相對簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)，具有若干權(quán)衡：
優(yōu)勢：
· 驅(qū)動(dòng)簡單
· 成本低
· 外形尺寸靈活
· 對某些設(shè)計(jì)而言，系統(tǒng)集成更簡單
劣勢：
· 能耗高
· 反應(yīng)速度慢
· 解決方案的尺寸較大
相反，LRA 器件沒有使用偏心質(zhì)量產(chǎn)生多軸振動(dòng)，而是利用音圈、圓形磁鐵和彈簧，以直線運(yùn)動(dòng)的方式產(chǎn)生振動(dòng)。LRA 器件采用交流電 (AC) 驅(qū)動(dòng)器為音圈供電。交流電在音圈中形成可變磁場，致使磁鐵上下移動(dòng)。彈簧將磁鐵與器件外殼相連，將振動(dòng)能量傳遞到系統(tǒng)。由于 LRA 器件以音圈為基礎(chǔ)，不依賴 ERM 中使用的電刷，因而在給定的振動(dòng)強(qiáng)度下功耗較少。以 180° 相移驅(qū)動(dòng) LRA 器件可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，從而加快響應(yīng)速度。
LRA 器件在相對較窄的諧振頻段（通常為 ±2 至 ±5 Hz）內(nèi)高效運(yùn)行。由于制造公差、元器件老化、環(huán)境條件和安裝考量等諸多因素，LRA 器件的確切共振頻率可能各有不同，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)異常復(fù)雜。與 ERM 器件相比，LRA 觸感器件給設(shè)計(jì)人員帶來了一系列優(yōu)勢和劣勢：
優(yōu)勢：
· 響應(yīng)速度更快
· 效率更高
· 加速度更快
· 可以制動(dòng)
· 尺寸可能更小
劣勢：
· 共振頻率可能變化
· 驅(qū)動(dòng)難度大
· 成本更高
除了操作上的差異外，ERM 和 LRA 器件還提供了多種封裝樣式。ERM 器件可采用硬幣或條形封裝，LRA 則采用硬幣、棱形（矩形）或桶形封裝（圖 1）。硬幣式 ERM 和 LRA 器件通常直徑約 8 mm，厚度約 3 mm。條形 ERM 觸感器件的尺寸較大，長約 12 mm，寬約 4 mm。
圖 1：ERM 提供條形或硬幣封裝，LRA 則提供硬幣、桶形或棱形格式。（圖片來源：PUI Audio）
硬幣式 ERM 器件
對可穿戴設(shè)備這類可以從硬幣式 ERM 器件獲益的應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)人員可以使用來自 PUI Audio 的直徑 8 mm、厚度 3 mm 的 HD-EM0803-LW20-R。HD-EM0803-LW20-R 的規(guī)格包括：
· 額定轉(zhuǎn)速每分鐘 12,000 (±3,000) 轉(zhuǎn) (rpm)
· 端子電阻 38 Ω (±50%)
· 輸入電壓 3 V 直流
· 額定電流消耗 80 mA
· 工作溫度范圍 -20 至 +60 °C
對于需要在更具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中工作的器件，設(shè)計(jì)人員可以改用 HD-EM1003-LW15-R，其額定工作溫度為 -30°C 至 +70°C。它與 HD-EM0803-LW20-R 具有相同的額定轉(zhuǎn)速和尺寸，其端子電阻為 46 Ω (±50%)，額定電流消耗為 85 mA。這兩種硬幣式 ERM 器件都可以使用正、負(fù)直流電驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。它們包括 20 mm 的導(dǎo)線，可實(shí)現(xiàn)靈活的電氣連接，并產(chǎn)生最大 50 dBA 的聲學(xué)噪聲。
條形 ERM
HD-EM1206-SC-R 長 12.4 mm，寬 3.8 mm。當(dāng)以 3 V 直流電驅(qū)動(dòng)時(shí)，其額定轉(zhuǎn)速為 12,000 (±3,000) rpm，額定工作溫度為 -20 至 +60°C，可產(chǎn)生最大 50 dBA 的聲學(xué)噪聲。需要較低聲學(xué)噪聲級的設(shè)計(jì)可以使用 HD-EM1204-SC-R（圖 2）。此型號產(chǎn)生的最大聲學(xué)噪聲僅為 45 dBA。與 HD-EM1206-SC-R 相比，它還具有更高的額定轉(zhuǎn)速 13,000 (±3,000) rpm，以及更寬的工作溫度范圍 -30°C 至 +70°C。兩個(gè)器件都具有 30 Ω (±20%) 的較低端子電阻和 90 mA 的額定電流消耗。
圖 2：HD-EM1204-SC-R ERM 適用于聲學(xué)噪聲級要求較低的應(yīng)用。（圖片來源：PUI Audio）
LRA 器件
需要更快響應(yīng)速度、更高能源效率和更強(qiáng)振動(dòng)的設(shè)計(jì)可以使用 PUI Audio 直徑 8 mm、高 3.2 mm 的 HD-LA0803-LW10-R LRA 器件（圖 3）。相較于 ERM 觸感器件，LRA 器件的精度更高。例如，ERM 器件的電阻范圍為 30 (±20%) 至 46 Ω (±50%)，而 HD-LA0803-LW10-R 的電阻規(guī)格為 25 Ω (±15%)。HD-LA0803-LW10-R 的功耗約為 180 mW (2 VRMS x 90 mA)，而以上討論的 ERM 器件功耗則為 240 至 270 mW。此 LRA 器件的工作溫度范圍為 -20 至 +70°C。
圖 3：HD-LA0803-LW10-R LRA 兼具振動(dòng)強(qiáng)、響應(yīng)速度快和能源效率高的特點(diǎn)。（圖片來源：PUI Audio）
系統(tǒng)集成
使用雙面膠帶是硬幣式觸感器件的首選裝配方法，可以為系統(tǒng)提供最佳振動(dòng)耦合。雙面膠帶器件包括需要通孔連接并以手動(dòng)方式焊接到電路板的引線。條形、桶形和棱形器件提供兩種不同的系統(tǒng)集成樣式：雙面膠帶和彈簧觸頭。當(dāng)使用雙面膠帶時(shí)，這些器件包括與硬幣式器件一樣的手工焊接的引線。使用彈簧觸頭可以將振動(dòng)耦合功能與電氣連接合二為一。彈簧觸頭消除了手工焊接的需要，既簡化了裝配又降低了成本。此外，使用彈簧觸頭還可以簡化現(xiàn)場維修。
驅(qū)動(dòng)觸感器件
分立驅(qū)動(dòng)電路可以與 LRA 和 ERM 器件一起使用。雖然使用由分立元器件制成的驅(qū)動(dòng)器可以降低成本，尤其是相對簡單的設(shè)計(jì)，但與驅(qū)動(dòng)器 IC 相比，可能導(dǎo)致解決方案的尺寸更大，上市時(shí)間更久。對于需要緊湊型和高性能解決方案的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以改用 Texas Instruments 的 DRV2605L。DRV2605L 是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量觸摸式反饋的完整閉環(huán)控制系統(tǒng)，可用于驅(qū)動(dòng) ERM 和 LRA 器件（圖 4）。DRV2605L 可以使用 Immersion 的 TouchSense 2200 軟件，該軟件擁有 100 多種許可的觸感效果，以及音頻到振動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。
圖 4：DRV2605L IC 可以驅(qū)動(dòng) LRA 或 ERM 觸感器件。（圖片來源：Texas Instruments）
振動(dòng)測試
由于觸感器件的運(yùn)行以振動(dòng)為基礎(chǔ)，所以它們的結(jié)構(gòu)必須非常堅(jiān)固。PUI Audio 規(guī)定了用于振動(dòng)測試的測試夾具，如圖 5 所示。該測試由工業(yè)級電動(dòng)振動(dòng)測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。它可以針對特定的振動(dòng)測試進(jìn)行編程，以模擬各種工況，如正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)和機(jī)械沖擊脈沖。
圖 5：推薦用于觸感器件振動(dòng)測試的測試夾具。（圖片來源：PUI Audio）
PUI Audio 為其觸感器件規(guī)定了三種振動(dòng)測試（參見表 1）。器件完成測試并“休息”四個(gè)小時(shí)后，必須滿足額定轉(zhuǎn)速（對于 ERM 器件）或加速度（對于 LRA 型號）規(guī)格，以及電阻、額定電流和噪聲規(guī)格。
表 1：觸感器件的振動(dòng)測試規(guī)格。（表格來源：PUI Audio）
除了振動(dòng)測試外，PUI Audio 還定義了如下所示的沖擊測試：
· 加速度：半正弦波 500 g
· 持續(xù)時(shí)間：2 ms
· 測試/面：3 次/6 個(gè)面，共計(jì) 18 次沖擊
通過/失敗的標(biāo)準(zhǔn)與振動(dòng)測試相同。
測量聲學(xué)噪聲
觸感器件產(chǎn)生的聲學(xué)（機(jī)械）噪聲級各不相同，觸感器件的安裝方式在盡可能降低噪聲級方面起到關(guān)鍵作用。PUI Audio 建議使用特定的測試設(shè)置來測量觸感器件的聲學(xué)噪聲，如圖 6 所示。測試應(yīng)在環(huán)境噪聲為 23 dBA 的屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。如果同預(yù)期的系統(tǒng)安裝一樣，將器件安裝到 75 g 夾具中，這項(xiàng)測試將會告訴設(shè)計(jì)人員應(yīng)用中的預(yù)期噪聲級。
圖 6：推薦用于測量觸感器件聲學(xué)噪聲的測試夾具。（圖片來源：PUI Audio）
結(jié)語
通過向用戶提供觸摸式反饋，觸感器件可用來改善 HMI 性能，并幫助創(chuàng)建高性能的多感官環(huán)境。但在考慮使用觸感器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要了解 ERM 和 LRA 技術(shù)之間的權(quán)衡、如何有效地驅(qū)動(dòng)這兩種技術(shù)，以及如何進(jìn)行測試，以確保實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)可靠性和性能水平。如上所示，觸感器件及驅(qū)動(dòng)器和測試程序都是現(xiàn)成可用的。 |
