Verbesserung des haptischen Feedbacks mit piezoelektrischen Wandlern

Die meisten Touchscreen-Panels haben eine begrenzte Art von haptischem Feedback oder gar keine. Dies gilt auch für viele Arten von Handheld- oder Wearable-Geräten wie Uhren, Touchpads, Tastaturen, Maus usw. Der Wunsch nach verbessertem haptischem Feedback führt dazu, dass einige Piezo-Wandler genauer unter die Lupe nehmen, um haptische Signale zu erzeugen, die eine Zahl liefern von physikalischen und elektrischen Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Vibrationsgeneratoren.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Prinzipien, die Theorie und die Modellierung von Piezowandlern. Es enthält eine Diskussion elektronischer Schaltungen, die speziell entwickelt wurden, um die einzigartigen Eigenschaften von Piezo-Wandlern zu steuern, und zeigt Beispiele für haptische Anwendungen mit piezoelektrischen Wandlern. Der Artikel untersucht auch die Beziehung der Verstärkereingangsleistung in Bezug auf die Piezo-Lastkonfigurationen.

Beachten Sie, dass die haptische Schwingung von Piezoaktoren den inversen Piezoeffekt verwendet (d. h. Schwingung durch einen elektrischen Reiz). Jede Erwähnung von Piezoeffekten bezieht sich auf diese elektrische-zu-mechanische Energieübertragung.

Einführung in die piezoelektrische Haptik

Heutzutage wird in den meisten handgehaltenen oder tragbaren elektronischen Geräten eine haptische Schwingung durch einen elektromechanischen (EM) Wandler erzeugt, der elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandelt. Dazu gehören Aktoren mit exzentrischer rotierender Masse (ERM) und Linearresonanzaktoren (LRAs). Diese Arten von EM-Wandlern sind kostengünstig, relativ einfach zu verwenden und können mit Batteriespannung betrieben werden.

EM-Wandler haben jedoch eine Reihe von Nachteilen:

• Es handelt sich um Resonanzgeräte, die eine bestimmte Schwingungsfrequenz erzeugen und im Falle eines LRA auf eine stochastische Resonanzfrequenz ab Werk kalibriert werden müssen.
• EM-Geräte sind physisch groß und hoch (3 bis 5 mm hoch), sodass sie nicht in dünne Gehäuse eingebaut werden können.
• Sie erzeugen Punktquellenvibrationen und können keine verschiedenen Frequenzmuster auf einer Oberfläche erzeugen.
• Sie sind ineffizient und benötigen pro haptischem Ereignis viel Energie.
• LRA-Geräte sind etwas zerbrechlich und können entweder durch physische oder elektrische Überbeanspruchung (z. B. durch einen Sturz) zerstört werden.

Im Vergleich dazu basieren Piezo-Wandler nicht auf EM-Energieumwandlung und zeichnen sich als haptischer Schwingungserzeuger aus. Sie erzeugen mechanische Schwingungen durch den inversen Piezoeffekt, indem sie kristalline Schwingungen aus der aufgebrachten elektromotorischen Kraft (d. h. EMF) erzeugen, typischerweise von einer Wechselspannungsquelle.

Piezo-Wandler können aufgrund mehrerer wichtiger Eigenschaften von Vorteil sein:

• Sie sind dünn (<1 mm), sind flexibel und können in einer Vielzahl von Optionen montiert und in nahezu jedes gewünschte Muster gebracht werden.
• Sie erzeugen Schwingungen über eine Fläche und können berührungsempfindlich sein.
• Sie sind hocheffizient, abhängig von der Antriebsmethode des Piezos.
• Sie können jede Vibrationsfrequenz über einen weiten Frequenzbereich reproduzieren.
• Sie können ein Muster haptischer Signale erzeugen, das amplituden- oder frequenzmoduliert werden kann.
• Sie haben eine sehr geringe Trägheit und haben daher eine sehr schnelle Reaktionszeit.
• Sie produzieren keine EMI-Emissionen.

Beachten Sie, dass Piezoaktoren ein relativ hohes Spannungsansteuersignal benötigen, um erhebliche mechanische Schwingungen zu erzeugen, typischerweise 60 V bis 200 V Spitze-Spitze. Außerdem sind Piezoaktoren in erster Linie eine kapazitive Last für die Ansteuerschaltung und profitieren daher von einer speziellen elektronischen Ansteuerschaltung. Mehr zu diesem Thema wird später besprochen.

Eine detaillierte Diskussion der Konstruktion und Physik von Piezoaktoren würde den Rahmen dieses Papiers sprengen; Es folgt jedoch eine kurze Beschreibung. Piezowandler werden je nach Anwendung in einer Vielzahl unterschiedlicher physikalischer Konfigurationen hergestellt. Ein Piezoaktor, der am häufigsten für die Haptik- und Audiowiedergabe verwendet wird, hat die Form eines bimorphen Biegers, der beispielsweise an einer Innenfläche eines tragbaren oder tragbaren Gehäuses oder eines Touchscreens montiert (d. h. geklebt) wird. Ein Beispiel für einen oberflächenmontierten einschichtigen Piezoaktor ist in Abb. 1 .

Abbildung 1:Bimorpher Piezoaktoraufbau

Wie in Abb. 1 B. besteht ein bimorpher Bieger im Allgemeinen aus einer oder mehreren Schichten eines polykristallinen Keramikmaterials, das auf eine leitfähige, mechanische Schicht (z. B. Messing oder Kupfer) gesiebt ist. Nachdem die Schichten erzeugt wurden, wird eine große DC-Polarisationsspannung über die Piezostruktur angelegt, um die Kristalldomänengrenzen auszurichten, um die erzeugte inverse Piezoeffektkraft zu verstärken (d. h. die pro Spannungs-EMF erzeugte Kraft zu erhöhen). Die Polarisationsspannung definiert dann die Richtung der mechanischen Kraft, die mit angelegter Spannung erzeugt wird. Eine Erhöhung der angelegten Spannung in Richtung der Polarisationsspannung erhöht die mechanische Kraft oder Biegeverschiebung. Die Polarisation der Piezoschichten kann gleichsinnig oder gegensinnig erfolgen. Jede Methode hat ihre Vorteile und kann verwendet werden, um nach Wunsch Piezo-Effekte zu erzeugen.

Die Illustration in Abb. 1 zeigt einen Piezoaktor, der an einer zur Polarisationsspannung orthogonalen Oberfläche montiert ist. Diese Konfiguration (mit der angelegten EMF wie gezeigt) erzeugt eine Kraft in die Montagebasis und folglich gibt es eine geringe Biegung des Piezos. Wenn die Basis senkrecht zum Piezoaktor (gestrichelt dargestellt) montiert und das gegenüberliegende Ende des Aktors nicht eingeschränkt wäre, würde dies zu einer größeren Auslenkung des Piezos führen.

Ein Beispiel für die in Abb. 1 wäre ein Bildschirm, der eine Kraft erzeugt, die auf eine Oberfläche geleitet wird. Dies erzeugt maximale Leitkraft und minimale Durchbiegung. Dieses Verfahren könnte beispielsweise verwendet werden, um eine haptische Vibration an den Fingern auf einem berührungsaktivierten Bildschirm zu erzeugen. Es sollte beachtet werden, dass jedes Material, das sich zwischen dem Piezo und der Montagefläche befindet, mechanische Energie absorbiert und dazu neigt, die übertragenen Schwingungen zu dämpfen, insbesondere wenn das Material weich oder biegsam ist.

Ein Piezo-Wandler kann auch verwendet werden, um ein lokalisiertes haptisches Feedback bereitzustellen. Dies kann erreicht werden, indem beispielsweise eine Anzahl von Piezoelementen unter einem Touchscreen oder einer Tastaturanzeige angeordnet wird, so dass jedes Piezoelement ein auf seine Platzierung lokalisiertes haptisches Gefühl vermittelt. Wenn eine Berührung erfasst wird, erzeugt das Display nicht nur die X-Y-Position der Berührung, sondern es wird auch ein Piezotreiber aktiviert, der diesen bestimmten Piezoaktor aktiviert. Dies kann durch die Verwendung eines Hochspannungs-MUX oder von separaten Piezo-Verstärkern erreicht werden.

Jede Schicht polykristalliner Keramik erzeugt eine Kraft proportional zur angelegten Spannung, und n-Schichten erzeugen n mal die erzeugte Kraft.

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