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TDK TDK电子

压电式触觉解决方案

2019年7月31日

触,动人心!

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压电式触觉反馈解决方案的市场前景广阔,无论是智能手机、汽车、工业控制、家用电器还是游戏机都呈现出利好发展趋势。TDK可提供品类齐全的压电式触觉反馈产品线,能满足各种触觉应用。

随着市场对便捷性和安全性要求的不断提高,诸如触摸屏和其他触控面板等多功能人机界面 (HMI) 几乎无处不在。偏心马达(ERM) 或线性马达(LRA) 等现有触觉反馈解决方案都有许多缺点,包括尺寸相对较大、插入高度与显示控制器高度相关以及在智能手机或平板等电池供电设备上功耗较高等。此外,无论是反馈的频率还是强度,都只能在非常窄的范围内变化,且不具备任何传感器功能。

TDK的PowerHap™ 和PiezoHapt™系列压电式执行器提供了更好的替代解决方案。这些元器件将压力传感器和执行器集成在一起。基于这两个产品系列,TDK能为触觉反馈应用提供各种执行器产品。

PiezoHapt L – 当下最纤薄的触觉反馈执行器

TDK专为汽车和智能手机显示器开发了L8060和L3015型执行器,其插入高度极小,仅为0.35 mm和0.3 mm,面积也只有80 x 60 mm (L8060) 和30 x 15 mm (L3015)。的PiezoHapt采用单晶结构设计,基于一个一端连接到振动板的扁平积层压电元件,能直接安装到显示器下面。

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图 1:

超薄TDK PiezoHapt(小于35 mm)适用于智能手机、平板和车载显示器。

执行器的工作电压≤24 V (L8060) 或≤12 V (L3015)。根据施加电压的幅值和频率,PiezoHapt能产生丰富的振动型式,在200 Hz正弦频率下可实现40 µm到65 µm之间的位移。这些型号尤其适合用于OLED显示器。

PowerHap:无与伦比的加速度、力和响应时间

PowerHap系列执行器基于带内置铜电极的积层压电板。基本设计如图2所示。

为压电板施加电压后,它在z轴的扩散的极小,但由于持续的压电效应,电压会同时在x和y轴收缩。压电板上的两个钛钹(一边一个)会将x和y轴的收缩在z轴上放大15倍,从而实现最大230 µm的位移(2626H023V120型)。施加电压和位移之间的线性度非常高(对于该型号而言,位移/电压比是1.8 µm/V),这一点极为实用。它能同时实现信号幅值和波形的精确可变控制。

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图 2:

正方形PowerHap执行器的设计。该系列产品包括四种型号,边缘长度在9.0 mm到26.0 mm之间,插入高度则在1.1 mm到2.3 mm之间。凭借积层技术,其可实现25 N以上的力和230 µm的位移。

借助积层压电技术,PowerHap的响应时间和加速度性能都极佳。比如,在仅仅1 ms的上升时间范围内,压电振子的加速度就能达到15.0 g;若负载为100克,则可实现最大35 g的最大加速度值,从而产生非常大的力(25 N)。传统解决方案根本无法达到同等水平的性能。2626H023V120型执行器的响应时间和加速度如图3所示。

PowerHap执行器适用的触发范围很广,为1 Hz到500 Hz,而且适合各种幅值、周期和信号波形(比如正弦波、三角波或方波等)。根据具体型号的不同,驱动电压可在20 V到120 V或-10 V到60 V之间。因此,这些执行器能为人体机械刺激感受器生成定制的触觉反馈。相应地,这些执行器使得设计师可为汽车和工业应用中希望实现先进HMI的用户创造出特定的高清触觉反馈。不超过2.3 mm厚的小尺寸设计与强反馈相结合,使得这些执行器不仅能集成到显示器中,而且还能直接置于平面设备之下。这对于食品工业或医疗技术等同时存在严苛工业环境和严格卫生标准的应用来说,可助力实现所必需的高密封性水平。

绝佳的传感器特性

除了卓越性能,借助于积层压电技术,PowerHap元器件还具备优异的传感器功能。众所周知,传统开关或按钮只能提供导通和关断两种开关状态,而PowerHap则可提供与所施加压力成比例的输出电压,相应的特性曲线如图4所示。

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图 3:

典型加速度g与电压关系曲线(负载100克)。此处电压信号是一个峰值120 V的半正弦波,脉冲长度5 ms,对应频率为200 Hz。

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图 4:

在作为传感器使用时,PowerHap的输出电压能在大范围内保持与施加压力的比例关系。

与传统机械按钮不同,使用PowerHap甚至能实现根据所施加压力的大小,触发不同的动作和触觉反馈的独特解决方案,。

目前已上市的正方形PowerHap系列产品型号如表1所示。

表 1

型号外形尺寸
[mm] (l x w x h)
工作电压
[V]
加速度
[g] * (pk – pk)
位移
[µm]
0909H011V0609 x 9 x 1.1 mm-10到+602.535
1313H018V12012.7 x 12.7 x 1.8  -20到+120765
1918H021V12019.4 x 19.4 x 2.125130
2626H023V120 26 x 26 x 2.335230

* 负载为100克时

超薄设计,能横向安装于纤薄设备中

除了适合安装于平面下方的正方形PowerHap产品之外,TDK还开发了四种型号的超薄长方形PowerHap产品,可同时提供垂直和横向触觉反馈。两种最小的型号长度仅为9 mm和12 mm,特别适合智能手机、平板电脑、家用电器、游戏机、VR/AR设备、智能手表、数字记录仪和手持医疗设备等。另外两种较大的型号侧面长度为60 mm,是目前功能最强大的PowerHap产品,可产生高达50 N的力,可移动重达1 kg的物体。举例来说,这些强大的套件能安装到显示器侧面,以实现水平方向上的触觉反馈,如图5所示。

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图 5:

长方形PowerHap产品适合显示器的横向控制。典型应用包括车载显示器等。


表2列出了长方形PowerHap产品的主要技术参数。

表 2

型号外形尺寸
[mm] (l x w x h)
工作电压
[V]
加速度
[g] (pk – pk)
位移
[µm]
0904H018V0609 x 3.75 x 1.4 -10到+10
0 到+60
4.5*15
1204H024V06012 x 4 x 1.89.2*27
6005H070V12060 x 5 x 7-20到+20 /
0到+120
13**280
6005H090V12060 x 5 x 919**150

* 负载为100克时
** 负载为500克时

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图 6:

评估套件可以给用户提供关于PowerHap执行器触觉反馈性能的初步印象,并帮助他们对各种设计因素进行评估。

为让用户了解PowerHap执行器的多种触觉反馈性能,TDK提供了两款评估套件。BOS1901Kit开发板(定购代码:Z63000Z2910Z 1Z44)基于60 V执行器(0909H011V060, 0904H014V060和1204H018V060)设计,触觉执行器架构来自Boréas Technologies。该款开发板具有尺寸紧凑、电流消耗小和响应速度快等特点。除此之外,还提供了对电压幅值、频率、脉冲重复频率、信号波形和传感器功能进行调节的选项。

第二款评估套件适用于60 V和120 V PowerHap产品,并提供了两种型号:一种针对单个执行器 (Z63000Z2910Z 1Z 1),另一种则适用于多达5个执行器(Z63000Z2910Z 1Z 7)。这些套件包含了0909H011V060、1313H018V120 和2626H023V120型号的PowerHap执行器。

强大的合作厂商,一流的设计支持

采用触觉反馈的系统是一种相对较新的技术。因此,尚无可供借鉴的标准解决方案。为使不同行业的客户都能实现快速和高性价比的触觉解决方案设计,TDK携手三家领先的触控企业,并组成合资联盟。

Aito keyboard_arrow_right 主要提供基于HapticTouch硬件和软件的控制器解决方案,能把压电执行器转换成带触觉反馈的精密触摸传感器。这样就可以在平滑表面上模拟触控开关或按钮。综合应用TDK和Aito的触觉反馈技术能在智能手机触摸屏上实现触控解决方案,或者替换掉汽车上的传统开关和按钮。Aito专注于使用TDK小型PiezoHapt S系列执行器的解决方案。

Boréas Technologies keyboard_arrow_right已经开发出了基于其CapDrive™专利技术的BOS1901驱动集成芯片。该芯片能效特别高,而且提供了传感器功能,特别适合用于控制工作电压在60 V以下的TDK PowerHap执行器。接下来,Boréas将会为最高驱动电压120 V的大型TDK PowerHap产品开发首款低功耗压电驱动集成芯片。

Immersion keyboard_arrow_right 是领先的触觉反馈技术开发商和授权商。该公司与TDK签署了PowerHap和PiezoHapt执行器的合作推广协议。Immersion授权这些执行器与其软件产品配合使用,并将这些执行器纳入了他们的参考设计之中。这样可帮助客户利用世界上最纤薄和最强大的执行器,实现先进的触控解决方案。

未来,越来越多的设备和系统都会配备触觉反馈装置,以提高便捷性、安全性和操作可靠性。凭借独特的产品系列以及与合资联盟的密切协作,TDK能为各种触摸应用提供最佳解决方案。