微型振动马达——小身材，大用途
本文摘要：（由ai生成）微型振动马达在多个领域有广泛应用，特别是线性马达因方向感、响应速度和可编程性等优点前景看好。X轴线性马达提供更强振动和长行程。阿尔卑斯阿尔派和安和精密电子等公司在该领域有所进展。线性马达不仅用于手机，还扩展到电脑、手表、游戏手柄等，提供更丰富的触觉体验。随着元宇宙概念的流行，微型振动马达在提供沉浸式体验方面愈发重要，未来在模拟训练、远程医疗等领域有广阔应用前景。相对近些年大热的新能源汽车电机，微型振动马达关注的人很少。微型振动马达一般装在手机、玩具、触控鼠标及美容仪、按 摩仪等手持式小家电中，根据各种情境需求产生相应的振动反馈。近年来，智能穿戴、虚拟现实等人机交互技术的兴起，简单的视觉、听觉反馈技术已不能满足人们对沉浸式和便携式的需求，采用微型振动马达实现的触控技术将得到越来越多的关注。近年大火的元宇宙概念也将为触控技术的发展带来了前所未有的机遇。通过微型振动马达在大型游戏场景中将现实世界与虚拟世界映射交互，将为游戏玩家带来更好的沉浸式游戏体验。随着互联网和虚拟现实技术的不断发展，微型振动马达未来还可用于远程医疗问诊、沉浸式游戏消防模拟训练、军事模拟训练、警察模拟训练等方面，应用前景广阔。是真正的小身材，大用途！微型振动马达主要有转子马达、线性马达和压电马达三类。1转子马达Eccentric Rotating Mass, ERM转子马达（Eccentric Rotating Mass, ERM）最早作为手机触觉反馈执行器而普遍采用。转子马达由电机转轴上加一个偏心金属块转子构成，直流驱动偏心转子转动产生离心力，ERM电机不断处于不平衡状态而产生振动，从而产生各类振动信号。转子马达利用的电磁感应来驱动偏心转子旋转来产生振动的马达。转子马达价格比较便宜，制作工艺简单，体积是三类微型振动马达中最大的。并且转子马达的振动启动相对来说慢一点，没有明显的振动方向感。难以实现快速启动和停止，振感显得有一点拖沓。在手机应用领域，中低端产品中较常见。早期苹果手机IPhone4采用的是偏心转子马达作为手机的振动马达，马达较厚，无法满足智能手机越做越薄的需求，苹果在iPhone6及以后系列手机产品和Apple Watch上开始使用线性马达。在玩具等追求极致性价比的应用场合可用转子马达。2线性马达Linear Resonant Actuator, LRA和转子马达相比，线性马达振动拥有方向感，依靠交流电驱动，通过控制芯片可以输出高达10V的峰值电压，通电的线圈在磁场中受到安培力的作用，能够在单一方向上产生振荡力。启停时间短、振动强度高，具有尺寸小、寿命长、响应速度快、振动频率和振动幅度可控、功耗低等优势，振动信号类型丰富式。线性马达在工作时没有摩擦和离心力约束，在传动过程中可以实现较高的动能转换效率，在人机交互中能够为用户提供更好的触觉体验，目前广泛应用于手机、虚拟VR、视频游戏控制器等消费电子产品中。线性马达是在单个轴上产生振荡力的振动电机，根据触感需求驱动与弹簧连接的移动质量块产生所需的振动信号。根据它的振动行程方向不同可分为纵向线性马达（Z轴）和横向线性马达（XY轴）。横向马达可以做到较长的行程，加速时间长，所以性能和价格都要高于纵向线性马达。如图1所示为两种结构线性马达的示意图。 (a) 纵向线性马达 (b) 横向线性马达图1 线性马达示意图1）纵向线性马达又称圆形线性马达，沿Z轴上下振动，外形呈圆形，类似纽扣电池，内部结构如图2所示，主要由定子和动子组成，动子主要由特制的质量块、弹簧、永磁体构成，定子由柔性电路板（Flexible Printed Circuit，FPC）和环绕线圈构成。纵向线性马达主要由一个磁柱贯穿，可根据驱动信号在磁柱上下振动。三星S10手机采用的就是纵向线性马达，相对横向线性马达，纵向线性马达尺寸较小，是在Z轴方向运动，振动行程相对较短。 图2 纵向线性马达内部结构示意图2）横向线性马达产生的是横向往复运动，一般沿X轴或Y轴左右运动。与z轴线性马达相比，横向线性马达最显著的特点是振动有方向感，可根据需求设计不同的驱动信号实现所需的振动强度及振动模式。相对纵向线性马达，横向线性马达可以有更大的行程，加速时间长，振动性能更强大，价格也更贵。华为Mate30Pro、魅族15、魅族16和苹果手机6及后续系列产品均采用了横向线性马达。国内的iQOO8采用了瑞声科技提供的双X轴线性马达，可以通过算法调校实现所需频率、强度、方向和振动节奏的振动效果，实现“全感操控，一触即发”的沉浸式极致体验，增强了用户的体验感。苹果公司发布的iPhone 6和6 Plus手机产品使用了名为“Taptic Engine”的条状LRA线性马达，如图3为Taptic Engine线性马达的结构剖面图。相比偏心转子电机，Taptic Engine不但尺寸小，振幅更大，振动感觉更清脆，可达10ms的振动响应让其振动非常接近“实时反馈”的触控体验。 图3 “Taptic Engine”线性马达阿尔卑斯阿尔派株式会社也推出了拥有双轴的振动自由度的线性马达产品—HAPTIC™ Reactor Hybrid Tough Type，该产品有320Hz和160Hz两个共振点，频率范围是传统线性马达的2～3倍，可表现出丰富的触觉。马达反应速度不到1ms，能实现无延迟的流畅反馈，尺寸很小，电压设定不需升压回路，贴装性好，安装设计自由度高。如图4所示为公司产品照片。 图4 阿尔卑斯阿尔派株式会社的新型双轴线马达产品照片我国安和精密电子电器股份有限公司专耕手机微型马达15年，掌握的“独门绝技”—振镜式激光焊接技术，可实现线性马达的多点次、多角度的同时焊接；2021年安和精密自主研发的新水平线性马达智能生产线投入使用。平均每分钟可生产20台微型马达，每3秒生产一台微型马达，已成为华为、vivo、OPPO、小米等手机企业的主要供应商，全球市场占有率15%到20%、全国市场占有率达到30%。3压电马达Piezoelectric Haptic Actuator, PHA压电马达（Piezoelectric Haptic Actuator, PHA）是利用压电陶瓷的正逆压电效应，陶瓷受外力承压时，压电陶瓷材料产生形变，材料内部极化状态发生改变，从而产生电荷；当给压电陶瓷材料加载驱动电压时，陶瓷材料产生机械形变，产生相应的振动。压电马达与基于电磁感应的ERM/LRA不同，压电马达有振动件和运动件两部分组成，没有一般马达的绕组、磁体及绝缘结构，功率密度可比普通马达高得多，但输出功率受限，宜制成轻、薄、短小形式。压电马达的输出多为低速大推力（或力矩），可实现直接驱动负载。这种电机因内部不存在磁场，机械振动频率在可听范围外，因此对外界的电磁干扰和噪声影响很小。与传统的电动机相比，压电马达的优势在于结构简单同时可以提供高精度，在超高精度仪器仪表、精密机械、自动化设备、航空航天等领域有广阔的应用前景。但压电陶瓷是脆性材料，柔性差、质地脆，如果装有压电陶瓷致动器的移动设备被摔坏，压电陶瓷致动器也很可能损坏。 小结：三类微型振动马达，目前线性马达的应用前景最好。瑞声科技、日本电产、阿尔卑斯阿尔派株式会社、韩国三星电子等知名 企业纷纷投入研发进行线性马达产品的研发，并不断推陈出新，改进性能。我国安和精密电子电器股份有限公司、华为技术有限公司、立得微电子有限公司、金龙机电有限公司、苏州索迩电子技术有限公司等公司也各自推出了满足不同振动反馈需求的微型线性马达产品。目前，线性马达主要应用于智能手机、电脑、平板的触控屏、触控鼠标等移动设备中。苹果、华为、三星S20、魅族、iQOO、小米等手机厂商均采用了线性马达作为振动马达，带来了越来越震撼的触觉体验。线性马达的应用The Application of Linear Resonant Actuator近些年来，电脑触控板、智能手表和力触觉交互笔等数码产品中线性马达的应用也越来越多。小米的全新一代商务旗舰笔记本电脑Pro 16、Pro14两款机型首次搭载瑞声科技自研超宽频X轴线性马达，在触控方面带来了较好的触控体验；苹果公司研发的Apple Watch和Macbook也均采用了Taptic Engine的线性马达。去年，广州市品众电子科技有限公司一款新型游戏手柄采用了线性马达模块，解决了传统的转子马达启停时间长的问题，并且通过使用微控制器和驱动电路配合控制线性马达，并进一步配有软件控制模块，通过输入各种波形参数，实现了对线性马达的振动的精确控制，以达到丰富的振动效果，优化用户的游戏体验。 线性马达已逐渐全面进入人们日常办公生活用品之中。松下、飞利浦、usmile、forday等公司的中高端电动牙刷产品均采用线性马达，机身振动小，噪音小，控制的是振动连杆，牙刷整个振动能量集中在刷头部分，刷牙效果好。线性马达在智能便携按 摩器中也得到了广泛应用，通过线性马达提供稳定、往复的直线推拉伸缩作用。雷神公司推出的一款筋膜枪通过线性马达进行动力传输，通过马达内置智能芯片自助调节按 摩强度和按 摩行程，更贴合肌肤。脸部美容按 摩导入仪也开始应用线性马达，通过马达的高频振动辅助皮肤打开毛孔，将不易吸收的护肤活性物质带入皮肤当中，加强渗透。相比用手拍打5%左右的渗透率，采用线性马达的高频振动导入仪可实现30%左右的渗透率。前年，北京小米移动软件有限公司推出一款智能鞋刷产品，通过线性马达震动，联动刷头产生高频振动实现自动清洁鞋面和抛光。去年，深圳华昭科技有限公司吴远成提出一种辅助盲人出行的手环避障导航系统及方法。该手环的表头内和手环位于表头的两侧和后方均配置有线性马达和红外传感器，当红外传感器检测到环境内存在障碍物时，对应位置的线性马达振动；在导航的同时通过线性马达进行避障提示，在保障盲人出行便利的同时保证了出行的安全性。总结Conclusion随着便携式消费电子产品触控技术的不断发展，人们对触感体验的要求不断提高；近些年来，AR/VR市场、游戏等各类沉浸式虚拟现实娱乐项目的发展不断推进触控技术的发展，通过微型振动马达实现的触觉体验在各类沉浸式娱乐项目中可为人们带来更加真实、身临其境的感受，未来应用前景广阔。并有望在各类模拟训练和远程问诊等领域中发挥重要作用。 目前虚拟现实技术中的视觉技术和听觉技术已经达到了较高水平，但触觉反馈技术的研究还不成熟。去年，元宇宙概念大火，元宇宙这个未来极致开放、复杂、庞大、完全沉浸式的虚拟世界，触觉反馈必不可少。随着用户对触觉体验的需求越来越高，微型振动马达未来应用领域会越来越广，将在元宇宙发展进程中起动关键性作用。 参考文献Referencehttps://www.precisionmicrodrives.com/linear-resonant-actuators-lrashttp://www.eepw.com.cn/article/202009/418714.htmhttps://baijiahao.baidu.com/s?id=1673528575890376578&wfr=spider&for=pc来源：懿朵科技
