2022.5.11

何谓XR?|使用设备与EMI屏蔽、热量控制

TWC向客户发出的讯息

在推动DX的过程中,以AR和VR等为首的“XR”设备被用来革新用户体验。在制造业的设计验证等中,利用3D模型的MR技术也开始得到应用。

为了实现虚拟体验,各种XR设备开始普及。包括现有的智能手机、头戴式显示器(HMD)、AR/MR眼镜等。随着这些XR设备及周边设备的性能越来越高,发生的故障也变得更加多样化,此时需要有相应的解决措施。

下面将对XR的基本知识、使用XR的设备及周边设备、各种故障及其解决措施进行说明。

XR是什么

“XR:Cross Reality”是能够将眼前不存在的东西作为数字信息创建出来,并融合虚拟世界与现实世界,使人类获得体验的技术的总称。XR的“X”部分换成各种文字,表示为“VR”、“AR”、“MR”等虚拟体验技术。

XR是什么

VR(虚拟现实)

“VR(Virtual Reality)”用数字制作出全方位虚拟空间,并通过在该空间内使用控制器或借由虚拟形象进行对话等方法,提供虚拟体验。

AR(增强现实)

“AR(Augmented Reality)”作为增强现实而广为人知,通过把CG等各种数字信息重叠到肉眼所见的现实空间内,实现对现实世界的“增强”。利用AR的购物和导游等APP正在得到应用。

MR(混合现实)

“MR(Mixed Reality)”被称为混合现实,除了AR对现实世界的增强之外,还与VR的3D模型等虚拟现实相组合,可制造出混合了现实世界与虚拟空间的各种虚拟体验。

利用XR的应用程序

利用XR的各种应用程序已得到实际应用,并且仍然在进一步开发中。下面将介绍一些XR的引进案例。

XR应用程序的案例

说到XR应用程序的代表案例,有类似“PlayStation VR”的家用游戏机VR软件,以及类似“宝可梦GO”的AR游戏APP。

此外,学校教育方面正在推广使用ICT(信息通信技术),利用XR的教育程序也在研讨中。在观光产业,人们正在利用AR技术制作观光APP,并推动开发移动出行合作。

制造现场的XR技术引进

生产现场也在推广XR的使用。为了将熟练工人的技能更安全高效地传承给年轻人,人们利用XR训练模拟技术实施培训。此外,在设立工厂生产线的过程中,使用3D模型和MR技术显现出虚拟的生产设备,仿佛设备真正出现在计划安装设备的空间内,此时可用该虚拟设备来确认生产线布局,事先验证设备作业性和安全性。在产品设计和开发领域的试制模拟中也引进了MR设备等。

XR中使用的设备

如需用XR技术实现虚拟体验,需要有硬件和软件,使用XR技术需要具备以下设备。

  VR AR MR
特点 在与现实世界完全隔离的虚拟空间内进行虚拟体验 将虚拟的数字信息重叠到现实世界中进行体验 在融合了VR和AR的世界里进行虚拟现实体验
主要显示
设备
HMD(非透过型)
智能手机
AR眼镜(透过型)
智能手机
平板终端
HMD(有透过的眼镜型和非透过型两种)

当前的XR设备

作为XR中使用的设备,特别有名的是名为“HMD(Head-Mounted Display)”的可穿戴设备。

HMD是戴在头部使用的显示器,具有代表性的是类似“Oculus Quest”的非透过型,该类型完全覆盖视野,提高VR空间沉浸感。此外,还有类似“HoloLens 2”的透过型MR头戴式显示器,它具备眼动追踪/手势追踪功能,使用户能够获得与现实空间融合性更高的虚拟体验。

未来的XR设备

XR设备有望成为后智能手机的候选产品,预计XR市场在未来会得到成长。随着XR设备的不断改良,如使用5G(未来是6G)高速通信、搭载更高性能的CPU、将微LED技术应用在XR显示器上等,在未来也许变成非常高性能、小型和轻量的智能眼镜,如同现在的智能手机一样,成为我们生活和商务中不可或缺的存在。

智能眼镜

XR设备的各种问题

除了XR使用的HMD、MR/AR眼镜等设备之外,周边设备也正在提高性能。

例如,HMD增加了无线型独立式设备,为了提升发送数据量、提高处理速度,其电子部件正朝着更加集成、小型和轻量的方向发展。相应地,可能会产生两大问题。分别是EMI(电磁干扰)问题和热量问题。

EMI问题

“EMI:Electromagnetic Interference”是设备中使用的各种电子部件在工作时发生的电磁噪声,对其他电子设备等造成各种恶劣影响的“电磁干扰”。

XR设备属于电子设备,需要使用电来执行动作,由此会产生电磁波。因此可能会发生以下故障。

设备和其他电子设备的误动作

不仅是XR设备,其周边的电子设备也会产生电磁波。虽然每台设备都会采取各种EMI应对措施,并在设计时考虑到EMC(电磁兼容),但是有些旧设备的EMC措施不充分,可能会因电磁噪声而引起误动作。

通信障碍

XR设备可在数据通信中使用Wi-Fi,在设备之间的连接中使用Bluetooth。此外,还能利用“5G”高速大容量通信。波段相近的设备之间,可能会因为电波干扰而导致通信速度下降等故障。

热问题

对XR来说,沉浸感和真实感十分重要,设备在设计时很重视UI/UX(用户界面与用户体验),而且为了减轻对用户的身体负担,机身变得越来越小巧。因此,电子电路等部件的密集度增加,散热更加困难。

此外,在一些使用用途中,可能会因为振动和噪声的问题,难以采用在设备上安装风扇的方式来散热。而且,HMD往往使用树脂制的框体,与金属框体相比更难散热,所以可能会出现以下问题。

设备的质量降低

一般来说,电子部件持续在高温状态下工作会缩短寿命,使设备更早发生故障。除此之外,电子电路由热膨胀系数不同的材料构成。因此,如果反复在常温状态和高温状态之间转换,其应力可能会使引线等材料产生热疲劳,从而导致设备劣化或损坏。

用户使用时的安全性问题

皮肤长时间接触发热的电子设备,可能会发生低温烫伤。尤其是XR设备等可穿戴设备,如果带有热量,可能会威胁到人体安全。

对于上述热量问题,可以从设计阶段开始进行热量模拟,然后使用热量控制构件等降低风险。

太阳金网株式会社提供XR设备的EMI或热问题的咨询服务

太阳金网株式会社利用热量控制、EMI屏蔽等技术,提供各种产品。如果您有XR设备的热量方面或EMI方面的问题,请务必咨询本公司。

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应对XR设备及周边设备的EMI和热量的构件

为了解决XR设备的EMI和热量问题,可采用以下方法和应对部件。

XR设备的EMI对策构件

对于因辐射噪声造成的EMI问题,特别有效的应对措施是“EMI屏蔽”。EMI屏蔽利用屏蔽材料的电磁波反射、衰减、多次反射的“屏蔽效果”来减少电磁波能量的泄漏量。

XR设备的EMI对策构件

EMI屏蔽的类型

为了通过EMI屏蔽降低电磁波的穿透率,理想的做法是用类似金属框体的高导电率材料包围住噪声发生源。但是,由于设备设计上的限制等原因,采用以下EMI屏蔽部件比较有效。

根据设备结构和使用目的,EMI屏蔽选择以下材料。

屏蔽材料 详细信息
海绵垫片 将导电面料包覆海绵的EMI屏蔽垫片
导电性垫片 在硅胶中填充导电性填料的绳状EMI屏蔽垫片
Cho-Form (FIP Gasket) 自动安装在金属或塑料框体上的导电性硅基垫片
屏蔽罐 EMI屏蔽用精密钣金部件
导电塑料 通过将镀镍石墨纤维分散到PC-ABS中来赋予导电性能的导电塑料
导电胶带 内侧涂有导电性感压胶水的金属箔(铜或铝)胶带
电波吸收体 用于吸收电磁噪声的EMI对策构件。有原理不同的“抑制型电波吸收体”和“共振型电波吸收体”。

XR设备的热量控制构件

为了将XR设备的热量快速散热至外部而避免故障,可以通过下列方法进行散热等热量控制。

热量控制 对策方法 具体的散热部件
增大传热面积 使用散热部件 散热片
将热量扩散到框体等构件上 TIM(界面材料)
热扩散器
石墨片
热导板
提高热传导率 对流散热 局部冷却风扇
辐射散热 使用高辐射材料
降低设备的内部温度 换气 换气风扇
设置通风口
隔绝热源 用隔热材料阻断传热
变更部件配置

XR设备及周边设备难以安装风扇,要将内部产生的热量高效地扩散到框体和散热片上,这一点非常重要。因此,必须降低CPU等热源与框体等散热部分的边界面的接触热阻抗。

降低接触热阻抗的有效方法是,使用TIM(导热界面材料)填满构件之间以及框体与构件之间的细缝。

降低接触热阻抗的有效方法是,使用TIM(导热界面材料)填满构件之间以及框体与构件之间的细缝。

TIM的类型和特点

TIM有不同的类型和特点,如果不根据用途和使用位置进行适当的选择,可能无法获得预期的热量控制效果。

TIM的类型 特点
导热硅脂 可实现薄膜化,热阻抗较小
热传导片材(填隙料) 即使在有高度差的位置也能使用,具有较高的重复使用性
导热凝胶 反弹性低,可填充各种缝隙
PCM(Phase Change Materials) 设备的运行温度会使其软化紧密贴合接合面
导热胶带 能够在贴合散热片的同时确保散热性能

太阳金网株式会社提供EMI和热量控制构件的咨询服务

XR设备的热量控制构件或EMI屏蔽,不仅要根据使用环境选择材料,还必须事先验证效果。太阳金网株式会社提供包括填隙料、导热凝胶、热传导片材在内的各类热量控制产品或EMI屏蔽产品。

关于各种产品,请确认产品页面。

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