作者：爱德华
awinic
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摘要：上一篇详细讲解了触觉反馈的原理、触觉反馈系统构建、触觉反馈案例等内容，大家也通过触觉反馈技术加深了人机交互和沉浸式游戏体验带来的乐趣，感兴趣的小伙伴可以在文末的链接里回顾一下第一篇的内容。本篇将进一步对Haptic系统构成中的执行单元振动器进行剖析，对常用的振动单元的拓扑结构进行详细的分析和研究，希望通过对各拓扑结构优缺点的分析为后续应用于更广泛的触觉反馈设计提供参考，为实现更美好的触感创造更多的可能性。
前言
最近微信更新到了8.0版本，其中微信聊天系统自带表情发生大变样，所有表情由静态变为动态，整体风格更靠近QQ表情。同时新增三个视觉化全屏表情：“炸弹”、“庆祝”和“烟花”，在发送的时候手机也会配合表情发出大小不同的振动，其实这就是搭载不同振动马达手机在使用时所发出的触觉反馈。事实上基于对用户体验细节的重视，苹果公司在触觉反馈领域一直处于全球领先的地位，自2015年就率先推出了Taptic Engine振动模块，Taptic Engine采用控制振幅以及频率的方式让LRA线性马达在短时间内达到振动的最佳状态。相比于目前主流的传统转子马达，线性马达优势更加明显，触感体验更加细腻真实。值得一提的是，经过多年的自主研发，由ag真人平台官方芯驱动的线性马达作为新一代手机用马达技术逐渐被各大品牌手机厂商所认可，“机械键盘”和“4D游戏振感体验”也逐步进入大众的视野，这种真实的触觉反馈，引领智能手机走向线性马达时代。据估算，全球如今有超过一亿台手机是通过awinic Haptic进行振动的。挑选智能手机第一步，一定要试一下振动感够不够强烈！
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|iPhone Taptic Engine演进
（转子马达走向线性马达时代）
触觉反馈是智能终端全新的升级，也是未来智能终端升级的重要方向，这个升级也是人体感官的延伸，在触觉反馈方面，苹果公司一直引领行业发展，随着线性马达技术的成熟，在2015年iPhone 6s和iPhone 6s Plus手机中用线性马达替代传统的转子马达，从而提供更加出色的触觉反馈效果，同时随着iOS系统应用升级和线性马达性能的不断提升，Taptic Engine技术在每一代产品硬件选型上都在趋于更大尺寸，更高性能的线性马达方向发展，着力于为消费者带来了前所未有的先进触觉体验。下图为iPhone 过去10年Taptic Engine演进的路标。
▼Figure-1 Taptic Engine 演进▼
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|振动器拓扑结构分类
在触觉反馈这个市场领域拥有多种拓扑结构构成的触觉传感技术，例如：转子马达、线性马达、压电陶瓷振动器与超声触觉技术等等。前两者本质上都是基于马达的。后两者都是基于力场和声障技术模拟各种纹理的先进触觉技术，每种拓扑结构都有其自己的优缺点和独特的功能。下面ag真人平台官方针对每种拓扑进行分析。
转子马达(ERM)
转子马达是市场上时间最久也最成熟的触觉反馈技术。利用电磁感应原理，通过电磁力去驱动马达轴心转动带动偏心铁转动，从而产生离心力使得马达快速旋转振动，转子马达旋转是一个全方向的振动，缺乏指向性，无法完成复杂的振动效果，另外由于ERM的结构和自身的局限性，导致转子马达的启停时间较长，需要100到200ms左右，因此无法实现多个振动之间的层次感。随着手机应用升级，触觉反馈与交互式游戏体验的需求不断提高，ERM已无法满足用户需求，另外由于ERM结构内部需要电刷换向，寿命和可靠性也相对较低。
▼图1、图2：Figure-2转子马达拓扑结构▼
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线性马达(LRA)
线性马达是市场上新一代触觉反馈技术，它已在许多新型手持设备厂商中得到广泛应用。线性马达实际上是一个连接弹簧的磁铁，被线圈环绕，放置在一个盒形壳体内做线性形式运动，它能够将电能直接转换成机械能，是一款不需通过任何转换装置的新型马达。如图 3 所示，磁铁受到控制，以线性方式移动，最终达到共振频率。这种以共振频率工作的方式，可获得最大振动量和更低的系统功耗，启停时间相比ERM提升50%左右，平均功耗比ERM低 30%左右；由于线性马达弹簧常数会因损耗、温度波动或者其他环境因素变化而改变，LRA 驱动频率移至该共振频带（±10Hz）以外时， 振动量和效率也会急剧下降，但是仍然可以通过对输入信号的振幅和频率进行调整，增加额外的自由度和独特的波形驱动从而达到一定的振动效果，而这些是使用ERM无法比拟的。
▼图3：Figure-3纵轴线性马达拓扑结构▼
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▼图4：Figure-4横轴线性马达拓扑结构▼
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压电陶瓷振动器（Piezo）
压电陶瓷振动器是市场上新兴触觉反馈技术，受到广泛关注，压电陶瓷振动器并非为马达型，它拥有极短的启停响应时间和更高的效率，体积比ERM和LRA更小。另外它还能带来更为复杂、精细的触觉反馈体验，压电陶瓷执行器由一个软片（振动-电压转换器）组成。最早此技术被用于许多能量采集和微型扬声器中，使用一个很薄的长条或者一个圆盘，在两端施加电压让它们弯曲然后再反弹形成振动（图 5）。由于独特的结构和安装方式，可以实现“局部触觉”和“全局振触觉”振动，压电陶瓷振动器作为新兴技术，但是多数系统方案要求100-200 Vpp驱动电压才能实现振动，即使随着叠层工艺的发展，多层压电执行器电压降至50 Vpp, 但由于系统方案成本较高，这对于电子消费产品而言依然存在难度，因此需要压电技术再进一步发展以实现大规模应用。
▼图5：Figure-5压电陶瓷拓扑结构▼
超声触觉技术（Ultra Haptic）
超声触觉技术是通过阵列扬声器，可以创建出一个力场，让空气形成一个气流屏障，声波提供足够大的力量让皮肤产生触觉，以不同的频率气流与皮肤接触，创造出不同的触感，另外也可以通过改变超声波频率和强度，创建各种纹理， 由于超声触觉需要足够大的气流力，覆盖的范围也仅仅约为1米的范围，应用上还需要未来进一步发展。
综上所述，随着手机应用、触觉反馈、游戏体验和手机轻薄化等需求不断提高，ERM转子马达已经无法满足用户的最新需求，新型的LRA线性马达在响应速度、功耗、振动模式等方面优势非常显著，这已代表了手机用马达的发展趋势。虽然压电马达和超声触感在技术方面更为先进，但是由于成本及产品设计等因素面临较大的难题，因此，ag真人平台官方认为未来智能终端触觉反馈的核心依然是LRA线性马达。
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|关键指标
1：启停时间
起振时间（Riseup Time）：在额定电压谐振频率驱动下，振动量从0%Gmax到90%Gmax 所需要的振动时间称为马达的起振时间。
停振时间（Bringdown Time）：在稳态振动过程中去除额定电压时，振动量从100%Gmax到10%Gmax 所需要的振动时间，称为马达的停振时间。
▼启停时间对比▼
2：频率响应
针对线性马达特点，LRA拥有固有驱动频率和共振频带，不同的频带都会产生不同的触感，按照马达振动方向可以分为横向线性马达，和纵向线性马达，如果按照振动频带可以分为窄频LRA ，双频LRA和宽频LRA等， Z轴LRA常用型号有：0412、0825、0832和1040等。X轴LRA常用型号有：1010、0619、0815与2711等。
▼各规格线性马达的频率响应对比▼
通过各规格线性马达的频率响应曲线来看，
1：窄频LRA F0谐振点唯一且频带相对较窄，驱动信号与谐振频率偏差10% 振动量可能会损失30%左右。
2：双频LRA拥有两个谐振点，可获得触感的频率范围广振动自由度高，对复杂波形也可展现真实的触感。
3：宽频LRA同样拥有频率范围更大的振动区间，振动自由度高，振动频宽大震感丰富。
3：功耗对比
触觉反馈技术的功耗对于消费电子产品，尤其是穿戴类设备和智能终端设备来说尤其重要，下面也针对目前市面上常用的ERM和LRA及Piezo 在常用的UI 交互Short Vibration和Long Vibration场景下进行功耗分析。
▼三种振动传动器功耗对比 ▼
通过对以上三种振动传动器的功耗数据图表分析，可以得出如下结论：
1：Piezo由于响应速度快，对于振动时间较短的应用场景，触觉振动效果的消耗功率最小；
2：LRA线性马达相对于ERM转子马达在相同振动效果下，可以节省50%~60%的系统功耗；
3：长振场景下，振动时间比较长的触觉振动效果，LRA线性马达的功耗优势会更加明显，Piezo和ERM 功耗差别不大。
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|对比总汇
▼不同分类马达对比 ▼
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| 总结
根据对多种触觉反馈技术传动拓扑结构的应用和分析，新型的LRA线性马达在响应速度、功耗、振动模式等各个方面优势非常明显，已经代表着智能终端设备用触觉反馈的发展趋势。随着终端设备人机交互体验的应用需求不断增加，真实触感和4D游戏振感也逐步成为消费者的强需求，这种更细腻的物理反馈，“用了就回不去”的感觉，也已经成为现代科技创新发展的大势所趋。
