Революция в тактильной обратной связи: преимущества пьезоэлектрических преобразователей

Многие тачскрины и ручные устройства предлагают только базовую или никакую тактильную обратную связь. Чтобы удовлетворить растущие ожидания пользователей, инженеры обращаются к пьезоэлектрическим преобразователям, которые доставляют превосходную физическую и электрическую производительность по сравнению с обычными вибрационными моторами.

Статья рассматривает принципы, теорию и моделирование пьезо-преобразователей, и обсуждает электронные схемы, специально спроектированные для драйва уникальных характеристик этих преобразователей. Также исследуются тактильные приложения с пьезо-технологией и исследуется, как входная мощность усилителя соотносится с разными пьезо-нагрузками.

Заметьте: тактильная вибрация от пьезо-актуаторов опирается на обратный пьезо-эффект — конвертацию электрических стимулов в механическое движение. Любая отсылка к пьезо-эффекту в этом контексте относится к этому электро-механическому энергопередаче.

Введение в пьезо-тактику

В большинстве портативной электроники тактильная обратная связь генерируется электромеханическими (EM) преобразователями, такими как эксцентричные вращающиеся массы (ERM) и линейные резонансные актуаторы (LRA). Эти устройства дешёвы, просты в использовании и могут работать от батарейного напряжения.

Однако EM-преобразователи имеют несколько недостатков:

• Резонируют на фиксированной частоте, LRA-юниты должны калиброваться на заводской резонансной частоте.
• EM-устройства относительно большие (3-5 мм высотой), ограничивая интеграцию в тонкие корпуса.
• Генерируют point-source вибрации, затрудняя создание вариативных частотных паттернов по поверхности.
• Энергоэффективны, потребляя значительную мощность на тактильное событие.
• LRA моторы могут быть хрупкими и уязвимыми к физическому или электрическому оверстрессу.

Пьезо-преобразователи, с другой стороны, генерируют механические вибрации через обратный пьезо-эффект при приложении AC напряжения к кристаллическому материалу. Их ключевые преимущества:

• Ультратонкие (<1 мм) и гибкие, позволяющие монтаж в разнообразных конфигурациях.
• Поверхностно-распределённая генерация вибраций, обеспечивающая touch-location sensitivity.
• Высокая эффективность, особенно при драйве подходящей схемой.
• Широкий частотный диапазон и точный контроль вибрационных паттернов.
• Быстрый отклик благодаря пренебрежимо малой инерции.
• Нулевые EMI эмиссии.

Поскольку пьезо-актуаторы требуют относительно высокие драйв-напряжения — типично 60-200 V пик-пик — и представляют ёмкостную нагрузку, они выигрывают от специализированных драйверских схем.

Пьезо-актуаторы приходят в различных конфигурациях. Наиболее распространённая форма для тактиль и аудио — bimorph bender, клеящийся на внутреннюю поверхность — корпус устройства или тачскрин — клеем. Ниже иллюстрация single-layer surface-mounted пьезо-актуатора.

Bimorph актуатор обычно состоит из одного или нескольких слоёв поликристаллической керамики, отложенных на проводящий механический слой (латунь или медь). После фабрикации большой DC поляризующий напряжение выравнивает кристаллические домены, усиливая обратный пьезо-эффект и определяя направление генерируемой силы. Приложение напряжения в том же или противоположном направлении относительно поляризующего поля даёт разные механические отклики.

Иллюстрация на рис. 1 показывает пьезо-актуатор, смонтированный ортогонально поляризующему напряжению. В этой ориентации приложенное электрическое поле производит силу, направленную в базу монтажа, результатом чего минимальный дефлекс. И наоборот, если база смонтирована вертикально, а свободный конец неконстрейнд — актуатор испытывает больший дефлекс.

Монтаж пьезо на дисплейную панель, например, может передавать силу на поверхность, создавая тактильное ощущение для пальца пользователя. Материалы между пьезо и поверхностью монтажа могут поглощать энергию и аттенюировать вибрацию, особенно если они мягкие или гибкие.

Пьезо-преобразователи также позволяют локализованную тактильную обратную связь. Располагая множественные пьезо-элементы под тачскрином или клавиатурой, каждый элемент может быть селективно заэнергизирован при детектировании касания. Это достигается high-voltage мультиплексором или отдельными усилителями для каждого пьезо.

Каждый керамический слой генерирует силу, пропорциональную приложенному напряжению; таким образом, n-слойный актуатор производит n-кратную силу одnosлойного.

>>> Продолжение полной статьи, изначально опубликованной на нашем партнёрском сайте Electronic Products.