作者：Jeff Shepard
對更高效人機界面 (HMI) 和更高感知能力的需求，正在推動觸感器件在工業 4.0 應用、汽車、醫療和現場急救系統、物聯網 (IoT) 設備、可穿戴設備及其他消費電子設備中的采用。例如，觸感器件可以在基于 VR（虛擬現實）或 AR（增強現實）的醫療培訓和患者康復系統中提供反饋，或者在方向盤上提供增強的警報，告知司機潛在的不安全狀況。觸感器件還與其他 HMI 技術（如聲音）結合使用，以提供更具沉浸式效果和更真實的感官界面。
設計人員在使用觸感器件時會面臨一些挑戰，包括：選擇正確的觸感技術（偏心旋轉質量 (ERM) 或線性諧振致動器 (LRA)），正確地將其集成到系統中以達到所需的反饋水平，驅動觸感器件，以及了解如何測試觸感器件的振動、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用場景帶來的好處，然后介紹觸感技術選項以及來自 PUI Audio 的真實觸感器件示例。文中討論了如何將觸感器件集成到系統中，包括一個觸感驅動器 IC 的示例，最后詳細介紹了振動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合使用，以創建多感官環境和增強的人機交互效果。觸感界面可能包括衣服、手套、觸摸屏和其他物體，如移動設備和電腦鼠標。
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的關注，例如遠程控制機器、手術工具或駕駛汽車。將觸感器件集成到 HMI 還能支持與虛擬環境或遠程操控的遠程系統實現增強的手動交互。為了獲得將觸感器件集成到 HMI 的最大好處，設計人員需要了解觸感技術的性能權衡。
觸感器件技術
最常見的觸感技術包括 ERM 和 LRA。ERM 使用電機軸上的偏心質量來制造失衡并產生振動。ERM 器件使用相對簡單的直流 (DC) 電壓驅動。ERM 使用直流電，結合相對簡單的機械設計，具有若干權衡：
優勢：
· 驅動簡單
· 成本低
· 外形尺寸靈活
· 對某些設計而言，系統集成更簡單
劣勢：
· 能耗高
· 反應速度慢
· 解決方案的尺寸較大
相反，LRA 器件沒有使用偏心質量產生多軸振動，而是利用音圈、圓形磁鐵和彈簧，以直線運動的方式產生振動。LRA 器件采用交流電 (AC) 驅動器為音圈供電。交流電在音圈中形成可變磁場，致使磁鐵上下移動。彈簧將磁鐵與器件外殼相連，將振動能量傳遞到系統。由于 LRA 器件以音圈為基礎，不依賴 ERM 中使用的電刷，因而在給定的振動強度下功耗較少。以 180° 相移驅動 LRA 器件可以實現制動，從而加快響應速度。
LRA 器件在相對較窄的諧振頻段（通常為 ±2 至 ±5 Hz）內高效運行。由于制造公差、元器件老化、環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，導致驅動電路的設計異常復雜。與 ERM 器件相比，LRA 觸感器件給設計人員帶來了一系列優勢和劣勢：
優勢：
· 響應速度更快
· 效率更高
· 加速度更快
· 可以制動
· 尺寸可能更小
劣勢：
· 共振頻率可能變化
· 驅動難度大
· 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
對可穿戴設備這類可以從硬幣式 ERM 器件獲益的應用而言，設計人員可以使用來自 PUI Audio 的直徑 8 mm、厚度 3 mm 的 HD-EM0803-LW20-R。HD-EM0803-LW20-R 的規格包括：
· 額定轉速每分鐘 12,000 (±3,000) 轉 (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性的熱環境中工作的器件，設計人員可以改用 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、負直流電驅動，以實現順時針或逆時針轉動。它們包括 20 mm 的導線，可實現靈活的電氣連接，并產生最大 50 dBA 的聲學噪聲。
條形 ERM
HD-EM1206-SC-R 長 12.4 mm，寬 3.8 mm。當以 3 V 直流電驅動時，其額定轉速為 12,000 (±3,000) rpm，額定工作溫度為 -20 至 +60°C，可產生最大 50 dBA 的聲學噪聲。需要較低聲學噪聲級的設計可以使用 HD-EM1204-SC-R（圖 2）。此型號產生的最大聲學噪聲僅為 45 dBA。與 HD-EM1206-SC-R 相比，它還具有更高的額定轉速 13,000 (±3,000) rpm，以及更寬的工作溫度范圍 -30°C 至 +70°C。兩個器件都具有 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 適用于聲學噪聲級要求較低的應用。（圖片來源：PUI Audio）
LRA 器件
需要更快響應速度、更高能源效率和更強振動的設計可以使用 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 兼具振動強、響應速度快和能源效率高的特點。（圖片來源：PUI Audio）
系統集成
使用雙面膠帶是硬幣式觸感器件的首選裝配方法，可以為系統提供最佳振動耦合。雙面膠帶器件包括需要通孔連接并以手動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集成樣式：雙面膠帶和彈簧觸頭。當使用雙面膠帶時，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場維修。
驅動觸感器件
分立驅動電路可以與 LRA 和 ERM 器件一起使用。雖然使用由分立元器件制成的驅動器可以降低成本，尤其是相對簡單的設計，但與驅動器 IC 相比，可能導致解決方案的尺寸更大，上市時間更久。對于需要緊湊型和高性能解決方案的應用，設計人員可以改用 Texas Instruments 的 DRV2605L。DRV2605L 是一個可實現高質量觸摸式反饋的完整閉環控制系統，可用于驅動 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，以及音頻到振動轉換功能。
圖 4：DRV2605L IC 可以驅動 LRA 或 ERM 觸感器件。（圖片來源：Texas Instruments）
振動測試
由于觸感器件的運行以振動為基礎，所以它們的結構必須非常堅固。PUI Audio 規定了用于振動測試的測試夾具，如圖 5 所示。該測試由工業級電動振動測試系統實現。它可以針對特定的振動測試進行編程，以模擬各種工況，如正弦振動、隨機振動和機械沖擊脈沖。
圖 5：推薦用于觸感器件振動測試的測試夾具。（圖片來源：PUI Audio）
PUI Audio 為其觸感器件規定了三種振動測試（參見表 1）。器件完成測試并“休息”四個小時后，必須滿足額定轉速（對于 ERM 器件）或加速度（對于 LRA 型號）規格，以及電阻、額定電流和噪聲規格。
表 1：觸感器件的振動測試規格。（表格來源：PUI Audio）
除了振動測試外，PUI Audio 還定義了如下所示的沖擊測試：
· 加速度：半正弦波 500 g
· 持續時間：2 ms
· 測試/面：3 次/6 個面，共計 18 次沖擊
通過/失敗的標準與振動測試相同。
測量聲學噪聲
觸感器件產生的聲學（機械）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鍵作用。PUI Audio 建議使用特定的測試設置來測量觸感器件的聲學噪聲，如圖 6 所示。測試應在環境噪聲為 23 dBA 的屏蔽室內進行。如果同預期的系統安裝一樣，將器件安裝到 75 g 夾具中，這項測試將會告訴設計人員應用中的預期噪聲級。
圖 6：推薦用于測量觸感器件聲學噪聲的測試夾具。（圖片來源：PUI Audio）
結語
通過向用戶提供觸摸式反饋，觸感器件可用來改善 HMI 性能，并幫助創建高性能的多感官環境。但在考慮使用觸感器件時，設計人員需要了解 ERM 和 LRA 技術之間的權衡、如何有效地驅動這兩種技術，以及如何進行測試，以確保實現所需的系統可靠性和性能水平。如上所示，觸感器件及驅動器和測試程序都是現成可用的。 |
