壓電馬達的觸覺響應解決方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 壓電馬達的觸覺響應解決方案 隨著觸摸屏在手持式消費類設備中逐步替代機械按鍵，由于缺乏觸覺響應，消費者開始提出對實時響應的需求。用戶已經(jīng)習慣了按鍵按下時表示成功操作按鍵輸入的機械觸感，如圖1所示鍵盤。近來，由于缺乏好的觸覺反應設計，從而帶動了電子觸覺響應系統(tǒng)的需求。 圖1. 基于軟件的按下激活按鍵 使用壓電驅(qū)動實現(xiàn)觸覺反應是一種比較有前途的方法，這種方式已經(jīng)在少數(shù)消費類設備中應用了很多年。壓電式觸覺反應具有很多優(yōu)點，包括：快速響應、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

2、容，可以加工成特定形狀，以滿足特殊應用及封裝的需求，并可以提供單層和多層構造。多個壓電體可以實現(xiàn)較強的觸覺反應和多種不同的觸感。 工作在諧振點及其附近的壓電驅(qū)動應用包括： 振動激勵和消除 微型泵 微型雕刻系統(tǒng) 超聲鉆孔/焊接/雕刻/解剖/計量 工作在諧振點以下的應用包括： 觸覺響應 圖像穩(wěn)定 自動對焦系統(tǒng) 纖維光學校準 構造變形 磨損補償 壓電工作原理 低于諧振頻率時，壓電體可以簡單地用一個電容模擬。當直流電壓加在壓電體兩端，構造和物理形狀不同的壓電體會產(chǎn)生不同的形變（圖2）。 圖2. 簡化壓電體模型 庫侖定律指出QCV，但在壓電體中電容不是常數(shù)，這是因為電容極板間距會隨著電壓變化而變化。 當

3、對壓電體施加電壓時，由于極板間距離發(fā)生變化（圖3A），電容量也會隨之改變。壓電體位移正比于電場強度，而電場強度是極板間電壓和距離的函數(shù)。外加電壓和壓電驅(qū)動器產(chǎn)生的作用力保持著合理的正比關系（圖3C）。 在大多數(shù)壓電驅(qū)動器移動范圍內(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（相對于時間）是影響觸覺響應的主要因素，它決定了用戶的感覺，使用多層壓電體可以改良位移量。 壓電模型 壓電體中運轉(zhuǎn)的電機系統(tǒng)可以用主介質(zhì)電容CP并聯(lián)由LRC組成的串聯(lián)網(wǎng)絡來

4、模擬（圖4）。到達諧振頻率之前，阻抗會像電容一樣隨頻率上升而下降。所以，當壓電體工作在遠低于諧振頻率時，可以僅用一個電容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，用于觸覺反應的壓電驅(qū)動器通常工作在遠遠低于諧振頻率的位置。 對于音頻應用，效率是關心的問題，觸覺反應則與之不同，觸覺反應的關鍵問題不是效率，而是人的觸感。超過幾百兆赫茲的振動不但不能提供很好的觸覺反應，反而消耗不必要的功率。周期超過幾毫秒的振動可以產(chǎn)生較強觸感，但也會產(chǎn)生不希望聽到的喀噠聲。 圖5展示了一個典型的觸感波形圖，波形模擬了對一個機械按鍵按壓和釋放的

5、感覺。波形的上升沿，P0到P1，反映了按壓的觸覺響應；下降沿，P2到P3，反映了釋放的觸覺響應。從P1到P2的時間是用戶按住機械按鍵的持續(xù)時間，由用戶決定。 圖5.一個典型觸覺反應的波形例如 當構建一個基于壓電體的觸覺反應系統(tǒng)時，首先需要決定的是使用單層還是多層壓電驅(qū)動器（圖6）。表1總結(jié)了兩種壓電類型的比照。 表1.單層和多層壓電驅(qū)動器的優(yōu)勢比照 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）； 右下列圖為 30VP-P多層壓電條（MLS） 方案選擇 單層還是多層構造？ 表1提供的信息建議使用單層壓電驅(qū)動器。單層片供貨量大而且已經(jīng)量產(chǎn)，投入

6、生產(chǎn)的多層壓電體則相對較少。另外，單層壓電體成本低很多，這在使用多個壓電體的方案中十分重要。例如，市場上的很多手機在屏幕后面都安裝了多個單層壓電片，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應方案的缺點之一是復雜度比較高，典型的壓電體解決方案采用分立元件實現(xiàn)整個觸覺反應系統(tǒng)，額外的分立元件包括一個微控制器、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。而基于直流馬達的觸覺反應方案需要很少甚至不需要外部元件。 單芯片觸覺反應方案，如 MAX11835相比于傳統(tǒng)分立設計有很多優(yōu)勢：較小的印制電路板尺寸、較低功耗、精簡的

7、材料清單（BOM）以及簡單的軟件支持。考慮到壓電體尺寸也很小， MAX11835對于手持設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應驅(qū)動控制器的框圖： 圖7. 使用壓電驅(qū)動器的觸覺反應方案框圖 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)動器 用戶可定義的片上波形存儲功能（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 壓電體相對于直流馬達驅(qū)動器來說功耗極低，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

8、消耗的功率 MAX11835觸覺驅(qū)動控制器對各種壓電驅(qū)動器和高壓電容的功耗開展了測量。MAX11835可以回放boost轉(zhuǎn)換器反應環(huán)路中軟件控制的存儲波形，測試波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。 圖8、9A和9B 顯示了 MAX11835 驅(qū)動 175V 100Hz 正弦波時的輸出，同時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，功耗隨負載的變化曲線 圖9B. 峰值boost電源電流隨負載變化的曲線圖， 測試條件：頻率 = 100Hz的正弦波；boost電源電壓 = 4.2V；boost電源去耦電容 =

9、10uF；使用6:1變壓器。 按下按鍵是普通的操作，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機械按鍵。 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。當電壓超過180V，MAX11835的原邊鉗位開啟，功耗會急劇上升。 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。在機械負載（半阻塞作用力）和空載壓電驅(qū)動器的壓電體數(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，用負載消耗能量除以升壓電源消耗能量（VBST）開展測量。 圖12. 能量轉(zhuǎn)換效率

10、：負載消耗能量與VBST消耗能量。電壓超過180V時，MAX11835的原邊鉗位開啟，效率快速上升。 圖12中，效率隨著負載電容的增大而上升，因為只有boost電路消耗靜態(tài)功率。 MAX11835 功耗與馬達驅(qū)動器功耗比照 MAX11835的功耗相對于馬達驅(qū)動器來說非常低，馬達驅(qū)動器包括偏振旋轉(zhuǎn)（ERM）型、線性振蕩驅(qū)動器（LRA）型和音圈型。 基于馬達的驅(qū)動器通常需要低電壓（1.8V至3V），電流卻相當大。此外，馬達的通、斷特性，尤其是ERM型，不具備理想的模擬觸感所需的反應信號。 表2和圖13給出了驅(qū)動器的大量測量結(jié)果，測試了兩種工作模式，連續(xù)工作和脈沖工作。實際情況通常不是連續(xù)工作方式，

11、因為很多觸碰操作非常短暫，即使仿真紋理表面的仿真。 表 2. 馬達驅(qū)動器的功耗 圖13. 表2比照的驅(qū)動器，相關數(shù)據(jù)如下表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。其它驅(qū)動器由3VDC或2VRMS （LRA 和音圈）驅(qū)動。 圖14. 各種驅(qū)動器的連續(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)動器由50ms脈沖驅(qū)動，以此仿真按鍵按壓操作。壓電驅(qū)動器驅(qū)動幅度為180V ，其它驅(qū)動器驅(qū)動電壓為3VDC或 2VRMS （LRA 和音圈）。 圖15. 各種驅(qū)動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)動器是當前更具吸引