使用壓電元件提供觸覺回饋

「觸覺 (haptic)」一詞源自希臘語，意為「抓握」或「感知」，在工程領域中，指的是運用觸覺感官的技術。在電子系統中，觸覺通常用於描述整合到裝置中的力或觸覺回饋機制，以增強人機互動。

從工程角度來看，觸覺回饋通常是由機械致動器產生受控的振動、動作、力達成。這些致動器 (從偏軸轉動慣量 (ERM) 馬達和線性諧振致動器 (LRA) 到壓電元件) 模擬現實世界的實體感覺，例如壓力、重量、表面紋理。藉由納入觸感模式，可以由觸覺補充視覺和聽覺提示，取得更直覺、更靈敏的數位介面。這對於需要精準輸入驗證或沉浸式使用者體驗 (包括虛擬物件操作) 的應用特別重要。

增強型互動的需求不斷增加，加速眾多領域採用觸覺技術。從消費性電子產品中的遊戲控制器和觸控螢幕，到汽車儀表板中的回饋控制和醫療保健中的手術模擬，觸覺成為使用者體驗和系統功能的關鍵組成。本文將深入探究觸覺回饋，說明採用的技術以及在觸覺方式中使用壓電元件的優勢。

常見的觸覺致動器技術

觸覺致動器是一種機電傳感器，能將電能轉換為機械動作 (如振動、位移、壓力)，提供觸覺感受。這些致動器是觸覺回饋系統的功能核心，可在使用者介面中達到精準的實體響應。

觸覺系統包含幾種致動技術，每項技術的工作原理和效能特性都不相同：

• 壓電致動器運用壓電元件，因應施加的電場產生機械變形與振盪，在低延遲提供高頻率、低位移的回饋。(請參閱 Same Sky 的壓電元件系列產品。)
• 偏軸轉動慣量 (ERM) 馬達由安裝在直流馬達軸上的偏軸質量組成。驅動時，不平衡負載的旋轉會產生振動力，通常有較低頻率。常見於行動裝置和低成本應用中。
• 電活性聚合物 (EAP) 致動器使用在電場中會膨脹或收縮的介電聚合物。這些材料可以產生平滑、彈性的動作曲線，但通常需要高驅動電壓。
• 線性諧振致動器 (LRA) 使用交替電磁場，沿單軸驅動磁質量運作。透過調節諧振頻率，LRA 可提供比 ERM 更有效率、更有方向性的回饋，且更快反應。
• 音圈致動器 (VCA) 採用勞倫茲力原理，其懸吊在磁場中的線圈會響應電流，呈現線性移動。VCA 提供寬廣的頻寬操作，並且可精準控制幅度和頻率。

每種致動器類型在頻率響應、功率效率、整合複雜性、回饋傳真度方面都有所權衡。要如何選擇取決於目標應用的需求，像是穿戴式裝置中的微妙觸覺提示、AR/VR 介面中的沉浸式觸覺體驗，還是汽車觸控螢幕中的耐用回饋。

觸覺回饋中的壓電元件基礎知識

壓電效應指某些材料在受到機械應力時產生電荷。請注意，這種現象可逆；對這些材料施加電場時，會造成明顯的機械形變。在觸覺回饋系統中的壓電致動器，是以此可逆特性為運作的基礎。

在觸覺應用中，壓電元件主要由逆效應驅動，響應輸入電壓，產生微尺度位移或振動。壓電元件由於具有雙向特性，還可以配置為力或壓力感測器，允許在觸控感測介面或封閉迴路系統中進行雙功能整合。

常見的致動器配置之一是壓電彎曲器，係由相反極性黏合的兩片壓電層組成。在施加電壓時，其中一層會膨脹而另一層會收縮，導致結構彎曲。這種彎曲位移非常適合需要高精密度位移和局部動作的應用。

相較之下，多層壓電元件採用平行的方式堆疊多片薄壓電層，可大幅增加機械輸出，同時降低工作電壓。這些結構適合需要更大的力或位移的情境，例如具有更大觸覺表面或電壓餘裕有限的低功耗嵌入式系統。

壓電元件撓度的幅度與輸入訊號成正比，因此能夠對靜態定位和動態振動曲線進行高解析度控制。不同於許多其他類型的致動器，壓電元件可獨立支援對位置和幅度進行精細調變，因此非常適合重視訊號細微差別或編碼回饋的應用。

圖 1：壓電元件的「彎曲」。(圖片來源：Same Sky)

壓電元件在觸覺設計上的優勢

觸覺回饋系統中使用的壓電元件，能以逆壓電效應產生快速、高強度的機械位移。其固有材料特性使響應時間通常在 1 毫秒以下，因此能以最小的延遲達到即時觸覺回饋，對於需要高精密度和即時使用者響應的應用非常重要。

與質量驅動致動器 (例如 ERM 或 LRA) 不同，壓電元件不依賴懸吊元件的慣性或共振。因此可呈現更低的功耗和更快的趨穩時間。由於具備這些屬性，因此非常適合整合到電池供電式或可攜式系統中，符合其能源效率和外型尺寸的嚴格限制。

壓電元件纖薄的幾何形狀有利於進行緊湊的機械整合。因此，工程師可以在單一設計中嵌入多個壓電致動器，以放大觸覺輸出總量，或在使用者介面上傳遞空間分辨的觸覺訊號。此類配置可用於模擬觸控板、穿戴式裝置、電容式觸控螢幕等應用中的動作、方向提示、壓力梯度。

壓電致動器在驅動訊號頻率、振幅、波形方面具有高度可配置性，支援一系列回饋紋理和效果。此外，此技術具有多種機械和電氣形式，包括客製化直徑、厚度、額定電壓、安裝方式，因此可為汽車、醫療、工業、消費性電子市場提供量身打造的解決方案。

壓電元件設計考量因素

設計基於壓電元件的觸覺回饋系統，需要仔細考量幾項關鍵因素：

• 驅動質量：將致動器的力與慣性負載相匹配，以確保有效的振動傳遞。
• 元件類型：依據電壓、位移、尺寸限制，選擇單層或多層元件。
• 機械外殼：確保致動器可納入的空間和安裝方向。
• 驅動軸：定義動作方向，以選擇適當的元件幾何形狀。
• 電源和驅動器：將系統的電源供應器與壓電元件的電容負載相匹配，並選擇相容的驅動器以達到高效率激磁。
• 頻率需求：針對元素的諧振頻率或所需頻寬，以達到最佳觸覺回饋。
• 熱條件：確認壓電元件的工作溫度範圍與系統的環境條件相符。

結論

若要將有效且容易使用的觸覺回饋整合到產品中，必須謹慎評估致動器的效能，包括振動強度、響應靈敏度、位置準確度、覆蓋區、功率效率。壓電元件能夠在各種條件下提供精準、低功率的操作，非常適合這些需求。Same Sky 的壓電元件產品組合支援各種尺寸和配置，可為現代電子系統提供觸覺回饋和振動感測的多功能解決方案。