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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
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
LRA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
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。
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)
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
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
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
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
LRA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
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。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)
