【Polytec】在嚴苛汽車環境中測試觸覺回饋顯示器-以雷射測振儀進行-40°C 至85°C的聲學效能評估 發佈日期 2025-12-24
|
隨著觸控螢幕在汽車應用中日益普及，使用者面對的資訊量也隨之增加，可能造成視覺過載，進而產生嚴重的安全隱憂。觸覺回饋技術被視為改善使用者體驗、降低與觸控螢幕互動時認知負荷的一項重要解決方案。
hap2U 的觸覺技術（近期由 Vibra Nova 收購）基於壓電致動器產生的超聲波傳播原理。這些致動器所產生的振動會降低使用者手指與觸覺顯示玻璃表面之間的摩擦係數。這一現象被稱為主動潤滑（active lubrication），因為在超聲波振動的作用下，指尖的接觸面積減小¹²，摩擦係數也隨之降低。由於人體對摩擦變化極為敏感，透過控制超聲波振動的啟動與關閉來調節與板面接觸的摩擦，可以產生強烈且引人注目的觸覺感受。
為了最佳化系統激振並簡化控制方式，觸覺顯示器通常採用全局共振的方式，如圖 1 所示。
在此過程中，雷射都卜勒測振技術（Laser Doppler Vibrometry, LDV）被用來評估機械系統的效能，因為它能量測板面振動的振幅。對於汽車應用而言，超聲波的傳播需要在 -40°C 至 85°C 的全工作溫度範圍內進行特性分析，以確保觸覺顯示器在各種條件下均能穩定運作。
圖 1：hap2U / Vibra Nova 超聲波觸覺技術示意原理
材料特性分析
系統中超聲波傳播的聲學特性對於實現溫度無關的均勻、穩定觸覺感受至關重要。現今的觸覺顯示器是多層機械系統，在這些層中包含大量塑料與黏著材料，而這些材料的機械性質會隨溫度而改變。
此外，由於 hap2U / Vibra Nova 的工作頻率屬於超聲波範圍，在現有文獻中很少能找到這些材料在此頻率下的特性資料。因此，hap2U / Vibra Nova 開發了相關技術與經驗，使其能在不同溫度下，對系統進行超聲波頻率的材料特性分析。
圖 2：熱特性測試示意
示例裝置：觸覺顯示器置於氣候箱中承受高溫環境。振動量測透過壓克力牆面，使用雷射測振技術進行。
為此，系統會置於氣候箱中，暴露於不同溫度環境下進行測試。圖 2 顯示了一個簡單示例，用於高溫測量。此外，也已在商用環境箱中完成高、低溫條件下的測試。
實驗中使用 Polytec 三維掃描測振儀（3D Scanning Vibrometer） 量測整個顯示器表面所產生的振動。Polytec 雷射能量測極微小的振動，達次奈米級，而且這項測量甚至可以透過玻璃或壓克力牆面進行（如圖 2 所示）。
圖 3：LCD 顯示器振動場的面外分量振幅
在此振動分佈圖中，刻度已經歸一化到最大值。圖中清楚可見單軸彎曲駐波模式（uni-axial flexural standing wave pattern）。
需要考慮的主要參數之一是顯示器的阻尼特性。阻尼通常以**衰減係數（attenuation coefficient）**來描述。
為了估算這個衰減係數，會在顯示器表面透過壓電元件施加脈衝激振，並使用雷射測振儀量測樣品整個表面的位移。
衰減係數描述了振動振幅隨距離的減少情況：衰減係數越高，表示振動振幅隨距離增加的損失越大。
圖 4：不同顯示器在室溫與 85°C 下的阻尼特性範例
圖 4 顯示了兩種不同顯示器的特性測試結果：
綜合兩種系統的特性，顯示器 2在汽車應用中具有最佳的觸覺相容性與表現。
圖 4：兩種不同顯示器在 25°C 與 85°C 下的阻尼變化
結論
掃描雷射測振技術（Scanning Laser Vibrometry）提供了一種高效的方法，用於評估觸覺顯示器在不同溫度與頻率下的聲學特性，尤其是阻尼參數。這對於開發能在廣泛溫度範圍內保持優異性能的顯示器至關重要，特別是滿足汽車規格的要求。
|
