Haptische feedback verbeteren met piëzo-elektrische transducers

De meeste touchscreen-panelen hebben een beperkt type haptische feedback of helemaal geen. Dit geldt ook voor veel soorten draagbare of draagbare apparaten zoals horloges, touchpads, toetsenborden, een muis, enz. De wens voor verbeterde haptische feedback brengt sommigen ertoe om piëzo-transducers nader te bekijken om haptische signalen te genereren, die een aantal van fysieke en elektrische verbeteringen ten opzichte van traditionele trillingsgeneratoren.

In dit artikel worden de principes, theorie en modellering van piëzo-transducers besproken. Het bevat een bespreking van elektronische circuits die specifiek zijn ontworpen om de unieke kenmerken van piëzo-transducers aan te sturen en deelt voorbeelden van haptische toepassingen met behulp van piëzo-elektrische transducers. Het artikel onderzoekt ook de relatie tussen het ingangsvermogen van de versterker en piëzo-belastingsconfiguraties.

Merk op dat haptische trillingen van piëzo-actuatoren het inverse piëzo-effect gebruiken (d.w.z. trillingen van elektrische stimulus). Elke vermelding van piëzo-effecten verwijst naar deze elektrisch-naar-mechanische energieoverdracht.

Inleiding tot piëzo-elektrische haptiek

Tegenwoordig wordt in de meeste draagbare of draagbare elektronische apparaten een haptische trilling gecreëerd door een elektromechanische (EM) transducer die elektrische signalen omzet in mechanische trillingen. Deze omvatten excentrische roterende massa (ERM) actuatoren en lineaire resonante actuatoren (LRA's). Dit soort EM-transducers is goedkoop, redelijk gebruiksvriendelijk en kan worden gevoed door een spanning op batterijniveau.

Er zijn echter een aantal nadelen aan EM-transducers:

• Het zijn resonerende apparaten die een specifieke trillingsfrequentie creëren en, in het geval van een LRA, moet deze worden gekalibreerd op een resonantiefrequentie die af fabriek stochastisch is.
• EM-apparaten zijn fysiek groot en hoog (3 tot 5 mm hoog), waardoor ze niet in dunne behuizingen kunnen worden gemonteerd.
• Ze produceren puntbrontrillingen en kunnen geen verschillende frequentiepatronen op een oppervlak creëren.
• Ze zijn inefficiënt en vereisen aanzienlijke energie per haptische gebeurtenis.
• LRA-apparaten zijn enigszins kwetsbaar en kunnen worden vernietigd door fysieke of elektrische overbelasting (bijvoorbeeld een val).

Ter vergelijking:piëzo-transducers zijn niet gebaseerd op EM-energieconversie en blinken uit als een haptische trillingsgenerator. Ze genereren mechanische trillingen via het inverse piëzo-effect door kristallijne trillingen te creëren van toegepaste elektromotorische kracht (d.w.z. EMF), meestal van een wisselspanningsbron.

Piëzo-transducers kunnen voordelig zijn vanwege verschillende belangrijke eigenschappen:

• Ze zijn dun (<1 mm), zijn flexibel en kunnen in verschillende opties worden gemonteerd en in bijna elk gewenst patroon worden gevormd.
• Ze produceren trillingen over een oppervlak en kunnen aanraakgevoelig zijn.
• Ze zijn zeer efficiënt, afhankelijk van de methode die wordt gebruikt om de piëzo aan te drijven.
• Ze kunnen elke trillingsfrequentie over een breed frequentiebereik reproduceren.
• Ze kunnen een patroon van haptische signalen genereren die in amplitude of frequentie kunnen worden gemoduleerd.
• Ze hebben zeer weinig traagheid en hebben daarom een ​​zeer snelle responstijd.
• Ze produceren geen EMI-emissies.

Merk op dat piëzo-actuators een relatief hoog voltage-stuursignaal nodig hebben om significante mechanische trillingen te creëren, typisch 60 V tot 200 V piek tot piek. Piëzo-actuatoren zijn ook in de eerste plaats een capacitieve belasting van het aandrijfcircuit en profiteren daarom van gespecialiseerde elektronische aandrijfcircuits. Meer over dit onderwerp wordt later besproken.

Een gedetailleerde bespreking van de constructie en fysica van piëzo-actuatoren valt buiten het bestek van dit artikel; er volgt echter een korte beschrijving. Piëzo-transducers worden vervaardigd in verschillende fysieke configuraties, afhankelijk van de toepassing. Een piëzo-actuator die het meest wordt gebruikt voor haptische en audioweergave, heeft de vorm van een bimorfe buiger die zou worden gemonteerd (d.w.z. gelijmd) op een intern oppervlak dat bijvoorbeeld deel uitmaakt van een draagbare of draagbare behuizing of een touchscreen. Een voorbeeld van een enkellaagse piëzo-actuator die op het oppervlak wordt gemonteerd, wordt getoond in Fig. 1 .

Figuur 1:Bimorph piëzo-actuatorconstructie

Zoals getoond in Fig. 1 , is een bimorfe buiger in het algemeen samengesteld uit een of meer lagen polykristallijn keramisch materiaal gezeefd op een geleidende, mechanische laag (bijvoorbeeld messing of koper). Nadat de lagen zijn gemaakt, wordt een grote DC-polariserende spanning aangelegd over de piëzostructuur om de kristaldomeingrenzen uit te lijnen om de inverse piëzo-effectkracht die zal worden gegenereerd te versterken (d.w.z. toenemende kracht gegenereerd per spanning EMF). De polariserende spanning definieert dan de richting van de mechanische kracht die wordt gegenereerd met de aangelegde spanning. Toenemende aangelegde spanning in de richting van de polariserende spanning verhoogt de mechanische kracht of buigverplaatsing. Polarisatie op de piëzolagen kan in dezelfde richting of in tegengestelde richtingen worden toegepast. Elke methode heeft zijn voordelen en kan worden gebruikt om naar wens piëzo-effecten te creëren.

De afbeelding in Fig. 1 toont een piëzo-actuator gemonteerd op een oppervlak dat loodrecht staat op de polariserende spanning. Deze configuratie (met de toegepaste EMF zoals getoond) genereert een kracht in de montagebasis, en bijgevolg is er weinig afbuiging van de piëzo. Als de basis verticaal op de piëzo-actuator was gemonteerd (weergegeven in stippellijnen) en het andere uiteinde van de actuator niet werd vastgehouden, zou dit een grotere doorbuiging van de piëzo veroorzaken.

Een voorbeeld van de montage getoond in Fig. 1 zou zijn voor een beeldscherm dat een kracht genereert die naar een oppervlak wordt geleid. Dit zorgt voor maximale geleidende kracht en minimale doorbuiging. Deze methode zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt bij het opwekken van een haptische trilling voor vingers op een door aanraking geactiveerd beeldscherm. Opgemerkt moet worden dat elk materiaal dat aanwezig is tussen de piëzo en het montageoppervlak mechanische energie absorbeert en de neiging heeft om de geleide trillingen te dempen, vooral als het materiaal zacht of buigzaam is.

Een piëzo-transducer kan ook worden gebruikt om gelokaliseerde haptische feedback te geven. Dit kan worden bereikt door bijvoorbeeld een aantal piëzo-elementen onder een touchscreen of toetsenborddisplay te plaatsen, zodat elk piëzo-element een haptisch gevoel geeft dat is gelokaliseerd op zijn plaats. Wanneer een aanraking wordt gedetecteerd, produceert het display niet alleen de X-Y-locatie van de aanraking, maar wordt ook een piëzo-driver ingeschakeld die die specifieke piëzo-actuator bekrachtigt. Dit kan worden bereikt door een hoogspannings-MUX te gebruiken of door afzonderlijke piëzo-versterkers te gebruiken.

Elke laag polykristallijn keramiek produceert een kracht die evenredig is met de aangelegde spanning, en n-lagen produceren n maal de gegenereerde kracht.

>> Lees het volledige artikel oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, Electronic Products.