手机微型振动马达的作用是让手机产生振动效果。在线性马达(LRA)出现之前,手机采用的微型马达主要为转子马达(ERM),按照结构可以分为圆柱形(Bar)和扁平形(Coin)两种。传统转子马达利用电磁感应原理,电磁力来驱动马达轴心的转动,从而带动偏心铁或偏心锤的转动,产生的离心力使得快速旋转的马达振动。因此,它是通过一个被称作偏心旋转质量传动器(ERM)的小型马达来实现振动。
转子马达有它自身的局限性,如启动慢、刹车慢。ERM转子马达存在惯性,需要过驱动才能更快速地旋转,因此启动慢、刹车慢。传统ERM马达触发一个简单的触觉反馈,如点击,需要耗时100到200ms,如果需要快速重复点击,ERM马达就会产生明显延迟感,无法实现多个振动之间的层次感。
转子马达没有一个方向性的导向,无法完成复杂的振动。传统马达缺乏振动的指向性,让波频和振幅一起耦合输入控制电压,使马达仅能使用一个变量来产生不同的振动效果,只能得到不同的脉冲或者速度组合。
因此,随着手机应用、触觉反馈、游戏体验的要求不断提高,ERM转子马达已经没办法满足用户的最新需求,特别是在振动的复杂性方面。近年来,一种新型的线性马达(LRA)开始出现。
手机线性马达实际上是一个以线性形式运动的弹簧质量块,将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中间任何转换装置的新型马达。有别于普通旋转离心式马达的旋转运动,线性马达是直线运动的马达,主要由电源输出模块与马达本体两大部分组成。线性马达电源输出为方波交流电,电机内线圈的交变电流产生N-S变化,根据电磁原理带动振子运动产生振动。
由于弹簧常量的原因,线性马达必须围绕共振频率在窄带(±2Hz)范围内驱动,振动性能在2Hz处会下降50%。另外,在共振状态下驱动时,电源电流可锐降50%,因此在共振状态下驱动可以大幅节省系统功耗。
相比转子马达,线性马达的优势非常明显:响应速度快(意味着可以做很细腻的振动反馈),寿命长,振动频率与振幅可控,形成复杂的振动(通过对共振载波振幅进行调制,可以产生各种不同的触觉反馈效果),批量一致性好,弹簧+磁铁的组合可以显著降低功耗。
目前线性马达主要有三种形式:圆形、直线型、方形。其中圆形线性马达振动方式是垂直的(Z向),运动行程很短,不符合手机轻薄化的要求,同时振动的力量,持续时间等等都不如直线型(XY方向)和方形线性马达。直线型和方形的运动行程可以根据用户定制,因此能在保持较高性能的同时,做到轻薄,厚度可以达到2mm以下。因此,直线型和方形线性马达具有更广阔的市场空间。
在前沿技术方面,苹果将线性振动马达技术发展到新高度:一般手机振动马达达到满负荷需要至少10次振动,而Taptic Engine仅需要一个周期就能快速启停,另外一次“mini tap”可以达到10ms的振动微控,和“实时的反馈”已经非常接近。Taptic Engine可以感应Home键上的按压力度,并通过振动来进行力反馈,模拟近似真实的按键效果。
此外,还有一种全新马达——压电马达(也可称之为压电传动器),受到广泛关注,其拥有极短的响应时间,很高的能效,并拥有比ERM和LRA都要小得多的体积,能够带来最为复杂、精细的触觉反馈体验。
压电马达基本上都由一个软片(振动-电压转换器)组成,使用一个很薄的长条或者一个圆盘,让它们弯曲然后再反弹回去,通过在两端施加电压形成振动。压电型触觉技术没有任何频率或者振幅限制,设计人员可以达到比使用LRA和ERM所达不到的波形。在某个设计中嵌入多个压电模块后,可产生高精度的触觉反馈体验,它可以让触摸屏的局部而非全部区域产生振动。
但是压电马达作为新兴技术,在技术方面并不成熟,多数方案要求约100-200伏峰值到峰值(Vp-p)的电压来驱动,这对手机而言存在技术难度。多层压电马达可以将该系统电压降低至50Vp-p,但价格昂贵,并不适合大规模商用。而且要将压电马达放置在触摸屏上,会造成屏幕预留1-2mm的缝隙,会影响手机的整体外观。因此,我们认为压电马达短期内缺乏大规模商用的条件,有待技术的进一步发展。
综上所述,随着手机应用、触觉反馈、游戏体验、手机轻薄化等的要求不断提高,ERM转子马达已经没办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、振动模式等各个方面优势非常明显,已经代表着手机用马达的发展趋势。由于更加先进的压电马达在技术、成本、产品设计等方面的较大的难题,因此,我们认为未来智能终端触觉反馈的核心是LRA线性马达。
传统微型马达行业发展成熟,传统大厂逐渐退出。传统手机转子马达的供应商主要来自日本、韩国、中国。其中,日本微型马达产业起步早,厂商技术实力强,主要的供应商有日本电产科宝Nidec、日本思考技研(已退出)、三洋电机(被Nidec并购);韩国微型马达行业是伴随着手机产业而崛起的,主要厂商有三星、LG(已退出);国内的微型马达行业虽然起步较晚,但随着国产智能终端的崛起,发展相当迅速,涌现出一批优秀的企业,如金龙机电、瑞声科技等。
传统手机振动马达获利空间小,马达巨头纷纷转向VCM相机音圈马达。传统手机用振动马达市场由于产品成熟,技术壁垒不高,市场竞争激烈,器件单价低,导致传统转子马达获利空间不大,因此包括思考技研、LG电子等厂商纷纷放弃振动马达业务,转向新兴的手机相机用VCM马达。
相比于传统转子马达,线性马达采用全新的产品原理和结构,制造难度大。线性马达将电能直接转换成直线运动机械能而不需通过中间任何转换装置,而传统马达是基于成熟的电磁感应原理,电磁力来驱动马达轴心的转动,因此线性马达在器件的制作更为复杂,并且工艺方面还不成熟。
设计难度大,定制化特点明显。由于不同的马达在尺寸、频率、装配位置和固定方法等方面都是变量,要根据手机厂商的振动需要设计器件的具体参数,因此器件具有非常明显的定制化特性。例如,苹果在其iPhone 7Plus手机上采用的线性马达,出于节省空间和真实触觉反馈的考虑,便与Nidec进行了深度的合作。
一方面,随着部分传统日韩厂商的退出,具备先进技术能力的手机用振动马达供应商大为减少,另一方面,线性马达较高的技术壁垒、深度定制的设计要求高,因此目前线性马达的供应商并不多。我们认为,未来随着线性马达的逐渐应用,占据先发优势、拥有成熟设计和量产经验的厂商将显著获益。
目前来看,线性马达主要被苹果公司所采用,其他公司采用的还不多,苹果的供应商主要为Nidec、金龙机电、瑞声科技三家,这三家公司也是目前为数不多的掌握线性马达研发和制造能力的公司,已经具有了先发优势。
在手机触觉反馈产业链中,主要可以划分为触觉反馈算法与方案、触控压力传感器、振动马达、马达驱动IC、终端代工厂五大部分。
1)触觉反馈算法与方案,主要是为手机终端厂商提供触觉反馈方案设计,典型的公司为Immersion,该公司通过自己的Touch软件算法,让振动马达在硬件厂商的设备上拥有更优秀的表现,还为硬件厂商提供了端到端的 TouchSense 触觉授权套件,目前在手机厂商中,三星、华为、LG、魅族、金立等多家厂商中都采用了来自Immersion的解决方案。苹果系列产品的触觉反馈方案由其自行设计。
2)触控压力传感器,主要是智能手机所必须的触控模组内压力传感器产品,目前全球范围内供应商众多,苹果公司的供应商为TPK(宸鸿科技)、F-GIS(业成光电)。
3)终端代工厂,主要为富士康、和硕等制造厂,将振动马达、马达驱动IC、触控模组、压力传感器等不同器件组合,进行终端产品的制造。
4)马达驱动IC,主要为振动马达工作所必须的驱动IC芯片,主要供应商有德州仪器、Dongwoon、RadnTech、Imagis等公司。根据Chipworks的拆解报告,苹果触觉反馈驱动IC由德州仪器提供。
5)振动马达制造商,目前全球范围内线性马达成熟供应商不多,苹果产品的供应商为Nidec、金龙机电、瑞声科技。马达的原材料主要为磁性稀土材料(汝铁硼为主)、金属材料(钢条、铜、铝等)、塑料和陶瓷等,马达制造商将电机、外壳、线路等组装。
传统手机用振动马达方案成熟,产品标准化设计,因此马达制造商与终端厂商之间不存在密切依赖关系,马达制造商制造出的转子马达主要划分为圆柱形和扁平形等几种类型,终端企业会根据自家的振动方案进行选择。
但是线性马达普遍需要定制,具体器件的参数、功能需要终端厂商根据自家的触觉反馈方案进行设计,因此在线性马达产业链中,马达制造商的重要性提升,终端厂商会直接与马达制造商进行紧密的合作。例如,在苹果iPhone 7/7 Plus中所使用的线性马达便与以往存在较大差异,苹果公司与Nidec在器件的设计方面进行了深度的合作。