基于压电马达的触觉响应解决方案

2011-04-08

摘要

在消费类电子设备中增加触觉响应可以增强用户体验，为用户界面设计增添触感功能，这也是智能手机和其它手持式消费类电子设备最新的主流界面。当前市场的几种触觉反馈技术主要包括(但不只限于)振动马达驱动、压电驱动和电活性聚合物激励。本文阐述了压电驱动技术的基本原理，及其快速响应、超薄外观、超低功耗等特点，这些特性对于手持应用尤其重要。

该文分两部分发表于Planet Analog，第1部分发表于2010年11月17日；第2部分发表于2010年11月22日。

概述

随着触摸屏在手持式消费类设备中逐步替代机械按键，由于缺乏触觉响应，消费者开始提出对实时响应的需求。用户已经习惯了按键按下时表示成功操作按键输入的机械触感，如图1所示键盘。近来，由于缺乏好的触觉反馈设计，从而带动了电子触觉响应系统的需求。

图1. 基于软件的按下激活按键。

使用压电驱动实现触觉反馈是一种比较有前途的方法，这种方式已经在少数消费类设备中应用了很多年。压电式触觉反馈具有很多优点，包括：快速响应、超薄外观、低功耗以及大量可以利用的压电材料和组装工艺。

压电特性和比较

压电材料有各种不同的形状、尺寸、厚度、电压范围、作用力和额定电容，可以加工成特定形状，以满足特殊应用及封装的需求，并可以提供单层和多层结构。多个压电体可以实现较强的触觉反馈和多种不同的触感。

工作在谐振点及其附近的压电驱动应用包括：

振动激励和消除
微型泵
微型雕刻系统
超声钻孔/焊接/雕刻/解剖/计量

工作在谐振点以下的应用包括：

触觉响应
图像稳定
自动对焦系统
纤维光学校准
结构变形
磨损补偿

压电工作原理

低于谐振频率时，压电体可以简单地用一个电容模拟。当直流电压加在压电体两端，构造和物理形状不同的压电体会产生不同的形变(图2)。

图2. 简化压电体模型

库仑定律指出Q = CV，但在压电体中电容不是常数，这是因为电容极板间距会随着电压变化而变化。

当对压电体施加电压时，由于极板间距离发生变化(图3A)，电容量也会随之改变。压电体位移正比于电场强度，而电场强度是极板间电压和距离的函数。外加电压和压电驱动器产生的作用力保持着合理的正比关系(图3C)。

在大多数压电驱动器移动范围内，压电体等效电容的电荷与位移量都保持近似正比关系。如果等效电容极板间没有漏电流，即使极板与电压源断开，仍能够保持位移量。

图3. 位移量和作用力与外加电压

作用力正比于压电体外加电压(图3)。作用力(相对于时间)是影响触觉响应的主要因素，它决定了用户的感觉，使用多层压电体可以改进位移量。

压电模型

压电体中运转的电机系统可以用主介质电容C_P并联由LRC组成的串联网络来模拟(图4)。达到谐振频率之前，阻抗会像电容一样随频率上升而下降。所以，当压电体工作在远低于谐振频率时，可以仅用一个电容C_P来模拟。

F图4.压电体阻抗与频率
图4. 压电体阻抗与频率

压电体可以工作在谐振频率，以满足自激振荡在固定频率的需求，例如超声振荡器。然而，用于触觉反馈的压电驱动器通常工作在远远低于谐振频率的位置。

对于音频应用，效率是最关心的问题，触觉反馈则与之不同，触觉反馈的关键问题不是效率，而是人的触感。超过几百兆赫兹的振动不但不能提供很好的触觉反馈，反而消耗不必要的功率。周期超过几毫秒的振动可以产生较强触感，但也会产生不希望听到的喀哒声。

图5展示了一个典型的触感波形图，波形模拟了对一个机械按键按压和释放的感觉。波形的上升沿，P0到P1，反映了按压的触觉响应；下降沿，P2到P3，反映了释放的触觉响应。从P1到P2的时间是用户按住机械按键的持续时间，由用户决定。

图5.一个典型触觉反馈的波形示例。
图5. 一个典型触觉反馈的波形示例。

当构建一个基于压电体的触觉反馈系统时，首先需要决定的是使用单层还是多层压电驱动器(图6)。表1总结了两种压电类型的对比。

表1. 单层和多层压电驱动器的优势对比

	Single-Layer Disc (SLD)	Multilayer Strip (MLS)
Cost	Low	High
Capacitance load	Low	High
Voltage drive required	High	Low
Force	Good	Good
Mounting	Limited	Good
Production status	In production	Sampling/Low volume
Availability (sources)	Many	Few

图6. 左图为100V_P-P单层压电片(SLD) ；右上图为120V_P-P多层压电条(MLS)；右下图为30V_P-P多层压电条(MLS)

方案选择

单层还是多层结构?

表1提供的信息建议使用单层压电驱动器。单层片供货量大而且已经量产，投入生产的多层压电体则相对较少。另外，单层压电体成本低很多，这在使用多个压电体的方案中十分重要。例如，市场上的很多手机在屏幕后面都安装了多个单层压电片，这种情况下使用多层压电体成本就要高很多。

分立方案还是单芯片方案?

基于压电体的触觉反馈方案的缺点之一是复杂度比较高，典型的压电体解决方案采用分立元件实现整个触觉反馈系统，额外的分立元件包括一个微控制器、反激boost或集成电荷泵、反激变压器或电感，以及各种电阻、电容、二极管和晶体管。而基于直流马达的触觉反馈方案需要很少甚至不需要外部元件。

单芯片触觉反馈方案，如MAX11835相比于传统分立设计有很多优势：较小的印制电路板(PCB)尺寸、较低功耗、精简的材料清单(BOM)以及简单的软件支持。考虑到压电体尺寸也很小，MAX11835对于手持设备是极具吸引力的解决方案。

图7展示了单芯片高压触觉反馈驱动控制器的框图：

图7. 使用压电驱动器的触觉反馈方案框图。

MAX11835单芯片优化方案具有以下功能：

支持单层和多层压电驱动器
用户可定义的片上波形存储功能(通过串口)
片上波形发生器
内嵌DC-DC升压控制器
工作电压范围可满足典型的手机电池需求
小封装尺寸
低功耗

电源管理的重要性

压电体相对于直流马达驱动器来说功耗极低，尽管如此，仍有一些其它功耗因素需要考虑：

每次触碰从主电源消耗的功率
每次触碰的波形类型
每秒触碰次数
高压升压电路消耗的功率

MAX11835触觉驱动控制器对各种压电驱动器和高压电容的功耗进行了测量。MAX11835可以回放boost转换器反馈环路中软件控制的存储波形，测试波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。

图8、9A和9B显示了MAX11835驱动175V 100Hz正弦波时的输出，同时也画出了变压器主线圈电流。

图8.输出电压波形和 MAX11835 boost电源的电流波形
图8. 输出电压波形和MAX11835 boost电源的电流波形

图 9A. 100Hz连续正弦波下，功耗随负载的变化曲线
图9A. 100Hz连续正弦波下，功耗随负载的变化曲线

图9B. 峰值boost电源电流随负载变化的曲线图，测试条件：频率 = 100Hz的正弦波；boost电源电压 = 4.2V；boost电源去耦电容 = 10µF；使用6:1变压器。

按下按键是最普通的操作，图10所示波形需要40ms充电，10ms放电。缓慢充电在触碰屏幕的过程中不容易被察觉，而快速放电的感觉则如同释放一个机械按键。

F图10. 按压按键的模拟波形
图10. 按压按键的模拟波形

图11. 功耗与压电电压曲线图，用单层和多层压电体模拟按键的按压。当电压超过180V，MAX11835的原边钳位开启，功耗会急剧上升。

图11所示波形连续工作。功耗随着占空比的降低而线性下降。在机械负载(半阻塞作用力)和空载压电驱动器的压电体数据间没有显著的区别。

图12显示了MAX11835升压过程的效率，用负载消耗能量除以升压电源消耗能量(V_BST)进行测量。

图 12. 能量转换效率：负载消耗能量与VBST消耗能量。电压超过180V时，MAX11835的原边钳位开启，效率快速上升。
图12. 能量转换效率：负载消耗能量与V_BST消耗能量。电压超过180V时，MAX11835的原边钳位开启，效率快速上升。

图12中，效率随着负载电容的增大而上升，因为只有boost电路消耗静态功率。

MAX11835功耗与马达驱动器功耗对比

MAX11835的功耗相对于马达驱动器来说非常低，马达驱动器包括偏振旋转(ERM)型、线性振荡驱动器(LRA)型和音圈型。

基于马达的驱动器通常需要低电压(1.8V至3V)，电流却相当大。此外，马达的通、断特性，尤其是ERM型，不具备理想的模拟触感所需的反馈信号。

表2和图13给出了驱动器的大量测量结果，测试了两种工作模式，连续工作和脉冲工作。实际情况通常不是连续工作方式，因为很多触碰操作非常短暂，即使仿真纹理表面的仿真。

表2. 马达驱动器的功耗

Actuator	ERM (Coin)	ERM (Bar)	LRA	Voice Coil	Piezo (SLD)
Size (mm x mm)	12 x 2.85	15.5 x 4.7	10 x 3.9	12 x 47	44 (D) x 0.23 (T)
Turn-on time (ms)	~85†	~45†	~12*	~10*	—
Current	60mA	54mA	56mA_RMS	67mA_RMS	—
Power (continuous, mW)	180	162	113	133	—
R_DC (Ω)	25.3	39.6	35.4	30.1	> 10M
Weight (g)	1.4	1.4	0.9	15	0.4