Улучшение тактильной обратной связи с помощью пьезоэлектрических преобразователей

Большинство сенсорных панелей имеют ограниченный тип тактильной обратной связи или вообще не имеют. Это также верно для многих типов портативных или носимых устройств, таких как часы, сенсорные панели, клавиатуры, мыши и т.д. физических и электрических улучшений по сравнению с традиционными генераторами вибрации.

В этой статье рассматриваются принципы, теория и моделирование пьезопреобразователей. В нем обсуждаются электронные схемы, специально разработанные для управления уникальными характеристиками пьезопреобразователей, и приводятся примеры тактильных приложений с использованием пьезоэлектрических преобразователей. В статье также исследуется взаимосвязь входной мощности усилителя с конфигурациями пьезонагрузки.

Обратите внимание, что тактильная вибрация от пьезоприводов использует обратный пьезоэффект (т. Е. Вибрацию от электрического стимула). Любое упоминание пьезоэффектов относится к передаче электрической энергии в механическую.

Введение в пьезоэлектрические тактильные ощущения

Сегодня в большинстве портативных электронных устройств тактильная вибрация создается электромеханическим (ЭМ) преобразователем, который преобразует электрические сигналы в механические колебания. К ним относятся приводы с эксцентриковой вращающейся массой (ERM) и линейные резонансные приводы (LRA). Эти типы ЭМ-преобразователей недороги, довольно просты в использовании и могут питаться от напряжения уровня заряда батареи.

Однако у электромагнитных преобразователей есть ряд недостатков:

• Это резонирующие устройства, которые создают определенную частоту вибрации, и в случае LRA она должна быть откалибрована на резонансную частоту, которая является стохастической на заводе.
• ЭМ-устройства имеют большие размеры и высоту (от 3 до 5 мм), что снижает возможность их установки в тонкие корпуса.
• Они создают вибрации точечного источника и не могут создавать на поверхности различные частотные паттерны.
• Они неэффективны и требуют значительного количества энергии на каждое тактильное событие.
• Устройства LRA в некоторой степени хрупки и могут быть разрушены физическим или электрическим перенапряжением (например, падением).

Для сравнения, пьезоэлектрические преобразователи не основаны на преобразовании энергии ЭМ и превосходят их как генератор тактильных колебаний. Они генерируют механические колебания через обратный пьезоэффект, создавая кристаллические колебания от приложенной электродвижущей силы (т. Е. ЭДС), обычно от источника переменного напряжения.

Пьезоэлектрические преобразователи могут быть полезны благодаря нескольким важным свойствам:

• Они тонкие (<1 мм), гибкие, их можно устанавливать в различных вариантах и ​​придавать им практически любой желаемый узор.
• Они создают вибрацию на поверхности и могут реагировать на прикосновения.
• Они очень эффективны, в зависимости от способа управления пьезоэлектрическим преобразователем.
• Они могут воспроизводить любую частоту вибрации в широком диапазоне частот.
• Они могут генерировать набор тактильных сигналов, которые могут модулироваться по амплитуде или частоте.
• У них очень небольшая инерция и, следовательно, очень быстрое время отклика.
• Они не производят выбросов EMI.

Обратите внимание, что пьезоприводы требуют относительно высокого управляющего сигнала напряжения для создания значительной механической вибрации, обычно от 60 до 200 В от пика к пику. Кроме того, пьезоприводы в первую очередь представляют собой емкостную нагрузку для схемы возбуждения и, следовательно, имеют преимущества специальной электронной схемы возбуждения. Подробнее на эту тему мы поговорим позже.

Детальное обсуждение конструкции и физики пьезоактуатора выходит за рамки данной статьи; однако следует краткое описание. Пьезоэлектрические преобразователи производятся во множестве различных физических конфигураций в зависимости от области применения. Пьезопривод, который чаще всего используется для тактильного воспроизведения и воспроизведения звука, принимает форму биморфного изгиба, который может быть установлен (то есть приклеен) к внутренней поверхности, которая является частью портативного или переносного футляра, или, например, сенсорного экрана. Пример однослойного пьезопривода, устанавливаемого на поверхность, показан на рис. 1 .

Рис. 1. Конструкция биморфного пьезоактуатора

Как показано на рис. 1 биморфный изгибатель обычно состоит из одного или нескольких слоев поликристаллического керамического материала, экранированного на проводящем механическом слое (например, латуни или меди). После создания слоев большое напряжение поляризации постоянного тока прикладывается к пьезоструктуре, чтобы выровнять границы кристаллических доменов, чтобы усилить обратную силу пьезоэффекта, которая будет генерироваться (т. Е. Увеличивающаяся сила, генерируемая на ЭДС напряжения). Поляризационное напряжение затем определяет направление механической силы, создаваемой приложенным напряжением. Увеличение приложенного напряжения в направлении поляризующего напряжения увеличивает механическую силу или смещение изгиба. Поляризацию к пьезослоям можно применять в том же направлении или в противоположных направлениях. Каждый метод имеет свои преимущества и может использоваться для создания пьезоэффектов по желанию.

Иллюстрация на рис. 1 показан пьезопривод, установленный на поверхности, ортогональной поляризующему напряжению. Эта конфигурация (с приложенной ЭДС, как показано) создает силу в монтажном основании, и, следовательно, есть небольшое отклонение пьезоэлемента. Если основание было установлено вертикально на пьезоприводе (показано пунктирными линиями), а противоположный конец привода не был ограничен, это привело бы к большему отклонению пьезоэлектрического элемента.

Пример монтажа показан на рис. 1 будет к экрану дисплея, генерирующему силу, которая проводится к поверхности. Это создает максимальную проводящую силу и минимальное отклонение. Этот метод можно использовать, например, для создания тактильной вибрации пальцев на экране сенсорного дисплея. Следует отметить, что любой материал, находящийся между пьезоэлементом и монтажной поверхностью, поглощает механическую энергию и имеет тенденцию ослаблять кондуктивную вибрацию, особенно если материал мягкий или податливый.

Пьезоэлектрический преобразователь также может использоваться для обеспечения локальной тактильной обратной связи. Это может быть достигнуто путем размещения ряда пьезоэлементов под сенсорным экраном или дисплеем клавиатуры, например, так, чтобы каждый пьезоэлемент создавал тактильное ощущение, локализованное в его месте размещения. При обнаружении прикосновения на дисплее не только отображается положение касания по осям X и Y, но и активируется пьезодвигатель, который приводит в действие этот конкретный пьезопривод. Этого можно добиться с помощью высоковольтного мультиплексора или отдельных пьезоусилителей.

Каждый слой поликристаллической керамики создает силу, пропорциональную приложенному напряжению, а n-слои создают n умноженное на созданную силу.

>> Продолжить чтение статьи полностью опубликовано на нашем дочернем сайте Electronic Products.