Termin "haptic" pochodzi z greckiego i oznacza "uchwycić" lub "odczuwać".dotyk jest powszechnie używany do opisania siły lub mechanizmów reakcji dotykowej zintegrowanych z urządzeniami w celu zwiększenia interakcji między człowiekiem a maszyną.
Z inżynieryjnego punktu widzenia wrażenia dotykowego jest zazwyczaj osiągane za pomocą mechanicznych siłowników.włącznie z silnikami o ekscentrycznej obrotowej masie (ERM)W celu uzyskania odpowiednich wyników, należy wykorzystać urządzenia, które są w stanie symulować fizyczne odczucia w świecie rzeczywistym, takie jak ciśnienie, waga i tekstura powierzchni.,Technologia dotykowa uzupełnia sygnały wizualne i słuchowe, dzięki czemu interfejsy cyfrowe są bardziej intuicyjne i wrażliwe.Jest to szczególnie ważne dla aplikacji wymagających precyzyjnej walidacji danych wejściowych lub wciągającego doświadczenia użytkownika., w tym manipulacja obiektami wirtualnymi.
Rosnące zapotrzebowanie na zwiększoną interakcję przyspieszyło stosowanie technologii dotykowej w wielu dziedzinach.Od sterowników gier i ekranów dotykowych w elektronikach konsumenckich po sterowniki zwrotnego przekazu w pulpach rozdzielczych samochodów i symulacje chirurgiczne w służbie zdrowiaW tym artykule przedstawiono szczegółowe wprowadzenie do informacji zwrotnych dotykowych.w tym podstawowe technologie i zalety stosowania elementów piezoelektrycznych w technologii dotykowej.
Wspólne technologie aktuatorów dotykowych
Aktuator dotykowy jest czujnikiem elektromechanicznym, który generuje odczucia dotykowe, takie jak wibracje, przemieszczanie lub ciśnienie poprzez przekształcanie energii elektrycznej w ruch mechaniczny.Ten siłownik jest funkcjonalnym rdzeniem układu odbioru dotykowego, który może osiągnąć precyzyjną fizyczną odpowiedź w interfejsie użytkownika.
Istnieje wiele dostępnych technik uruchamiania układów dotykowych, z których każdy ma swoją unikalną zasadę działania i charakterystykę działania:
Aktywatory piezoelektryczne wykorzystują pierwiastki piezoelektryczne do generowania mechanicznych deformacji i oscylacji pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego, zapewniając w ten sposób wysoką częstotliwość,niewielkie przesunięcie, oraz sygnały zwrotne o niskim opóźnieniu (zob. seria elementów piezoelektrycznych Same Sky).
Silnik z ekcentryczną masą obrotową (ERM) składa się z ekscentrycznych bloków mas zainstalowanych na wałku silnika prądu stałego.obrót nierównoważonego obciążenia zazwyczaj wytwarza siły drgań niskiej częstotliwościTechnologia ta jest powszechnie stosowana w urządzeniach mobilnych i w niskich kosztach.
Aktywatory z polimerów elektroaktywnych (EAP) wykorzystują polimery dielektryczne, które rozszerzają się lub kurczą pod wpływem pola elektrycznego.ale zazwyczaj wymaga wyższych napięć napędowych.
Zasada działania aktuatora rezonansowego liniowego (LRA) polega na napędzaniu bloku magnetycznego wzdłuż jednej osi przy użyciu zmieniającego się pola elektromagnetycznego.dostosowanie LRA do częstotliwości rezonansowej może zapewnić bardziej wydajne i szybsze oddziaływanie czasu.
Wykonujący cewki głosowe (VCA) wykorzystuje zasadę siły Lorentza, co oznacza, że cewka zawieszona w polu magnetycznym będzie poruszać się liniowo pod wpływem prądu.VCA działa w szerokopasmowym zakresie i może precyzyjnie kontrolować amplitudę i częstotliwość.
Każdy typ siłownika wymaga kompromisu między odpowiedzią częstotliwości, wydajnością energetyczną, złożonością integracji i wiernością sprzężenia zwrotnego.Specyficzny wybór zależy od docelowego zastosowania - czy to subtelne sygnały dotykowe w urządzeniach noszonych, wciągający dotyk w interfejsach AR/VR lub silne sprzężenie zwrotne w ekranach dotykowych samochodów.
Podstawowa znajomość elementów piezoelektrycznych w zakresie oddziaływania dotykowego
Efekt piezoelektryczny odnosi się do wytwarzania ładunków elektrycznych w niektórych materiałach pod wpływem naprężeń mechanicznych.w przypadku zastosowania pola elektrycznego do tych materiałówTa odwracalna właściwość jest podstawową zasadą działania siłowników piezoelektrycznych stosowanych w układach zwrotów dotykowych.
W zastosowaniach dotykowych pierwiastki piezoelektryczne są głównie napędzane przez odwrotne efekty w celu generowania przemieszczenia w mikroskali lub wibracji w oparciu o napięcie wejściowe.te elementy mogą być również skonfigurowane jako czujniki siły lub ciśnienia, włączając podwójną funkcjonalność do czułych na dotyk interfejsów lub systemów zamkniętych.
Piezoelektryczne urządzenie gięcia jest powszechną strukturą napędu składającą się z dwóch warstw piezoelektrycznych z przeciwnymi polaryzacjami połączonymi ze sobą.Jedna warstwa będzie się rozszerzać, podczas gdy druga warstwa będzie kurczyć.Ten rodzaj przesunięcia gięcia jest bardzo odpowiedni do zastosowań wymagających wysokiej precyzji i ruchu lokalnego.
W przeciwieństwie do tego, wielowarstwowe elementy piezoelektryczne układają wiele cienkich warstw piezoelektrycznych równolegle, znacząco zwiększając moc wyjściową mechaniczną przy jednoczesnym zmniejszeniu napięcia roboczego.W sytuacjach, w których wymagana jest większa siła lub przesunięcie, np. w niskoenergetycznych systemach osadzonych o dużych powierzchniach dotykowych lub ograniczonych amplitudach napięcia, struktury te mają znaczące zalety.
Amplituda odchylenia pierwiastków piezoelektrycznych jest proporcjonalna do sygnału wejściowego, dzięki czemu osiąga się wysoką rozdzielczość sterowania pozycjonowaniem statycznym i dynamicznymi krzywymi wibracji.W przeciwieństwie do wielu innych rodzajów siłowników, pierwiastki piezoelektryczne mogą niezależnie dopasowywać swoją pozycję i amplitudę, co czyni je bardzo odpowiednimi do zastosowań, które wymagają subtelnych różnic sygnału lub kodującej informacji zwrotnej.
"Gębanie" elementów piezoelektrycznych
Rysunek 1: "Zgięcie" elementów piezoelektrycznych (źródło zdjęcia: Same Sky)
Zalety elementów piezoelektrycznych w projektowaniu dotykowym
Elementy piezoelektryczne stosowane w układach zwrotnych dotykowych wykorzystują efekt anty piezoelektryczny do generowania szybkiego, silnego przemieszczania mechanicznego.Właściwości materiałowe pierwiastków piezoelektrycznych zwykle powodują czasy reakcji mniejsze niż 1 milisekunda, umożliwiając odzwierciedlenie dotykowe w czasie rzeczywistym z minimalnym opóźnieniem, co ma kluczowe znaczenie w aplikacjach wymagających wysokiej precyzji i natychmiastowej reakcji użytkownika.
W przeciwieństwie do napędzanych masą siłowych, takich jak ERM lub LRA, urządzenia piezoelektryczne nie polegają na bezwładności lub rezonansie komponentów zawieszenia.urządzenia piezoelektryczne mają mniejsze zużycie energii i szybszy czas stabilizacjiCechy te sprawiają, że urządzenia piezoelektryczne są szczególnie odpowiednie do integracji z systemami napędzanymi bateriami lub przenośnymi, w których efektywność energetyczna i wymiary zewnętrzne są ściśle ograniczone.
Szczupły i płaski kształt geometryczny elementów piezoelektrycznych ułatwia kompaktową integrację mechaniczną.Inżynierowie mogą wbudować wiele siłowników piezoelektrycznych w jedną konstrukcję w celu wzmocnienia wydajności dotykowej sieci lub uzyskania analizy rozkładu przestrzennego sygnałów dotykowych na interfejsie użytkownikaW aplikacjach takich jak tablety dotykowe, urządzenia noszone i pojemnościowe ekrany dotykowe, te konfiguracje mogą być używane do symulacji ruchu, wskazówek kierunkowych lub gradientów ciśnienia.
Urządzenia piezoelektryczne mają wysoką konfigurowalność pod względem częstotliwości sygnału napędowego, amplitudy i formy fali, obsługując różne tekstury i efekty zwrotnego.Technologia oferuje również różne formy mechaniczne i elektryczne, w tym dostosowane średnice, grubości, napięcia nominalne i metody montażu, zapewniając dostosowane rozwiązania dla rynków motoryzacyjnych, medycznych, przemysłowych i elektroniki użytkowej.
Uważania projektowe dla elementów piezoelektrycznych
Zaprojektowanie układu zwrotnego dotykowego opartego na technologii piezoelektrycznej wymaga starannego uwzględnienia następujących kluczowych czynników:
Blok napędowy: dopasowanie siły prądu prętowego do obciążenia inercyjnego w celu zapewnienia skutecznego przenoszenia wibracji.
Rodzaj komponentu: Wybierz komponenty jednowarstwowe lub wielowarstwowe w oparciu o ograniczenia napięcia, przemieszczenia i rozmiaru.
Powierzchnia obudowy mechanicznej: Upewnij się, że siłownik jest zainstalowany w dostępnej przestrzeni.
Oś aktywacji: określa się kierunek ruchu w celu wyboru odpowiedniego kształtu zestawu części.
Zasilanie i sterownik: dopasować zasilanie systemu do obciążenia pojemnościowego urządzenia piezoelektrycznego i wybrać kompatybilne sterowniki w celu osiągnięcia efektywnego pobudzenia.
Wymóg częstotliwości: Określ częstotliwość rezonansu lub wymaganą szerokość pasma komponentu w celu uzyskania optymalnej informacji zwrotnej.
Warunki termiczne: potwierdzić, że zakres temperatury roboczej elementu piezoelektrycznego spełnia warunki środowiskowe systemu.