Термин «гаптика» происходит от греческого языка и означает «схватывать» или «воспринимать». В технике это относится к технике использования прикосновения. В электронных системах прикосновение обычно используется для описания силовой или тактильной обратной связи, встроенной в устройства для улучшения взаимодействия человека и машины.
С инженерной точки зрения тактильная обратная связь обычно достигается с помощью механических приводов. Эти приводы могут генерировать контролируемые вибрации, движения или силы, включая двигатели с эксцентриковой вращающейся массой (ERM), линейные резонансные приводы (LRA) и пьезоэлектрические элементы, которые могут имитировать физические ощущения в реальном мире, такие как давление, вес и текстура поверхности. Объединив тактильные модальности, тактильные технологии дополняют визуальные и слуховые сигналы, делая цифровые интерфейсы более интуитивно понятными и отзывчивыми. Это особенно важно для приложений, которым требуется точная проверка ввода или захватывающий пользовательский интерфейс, включая манипулирование виртуальными объектами.
Растущий спрос на улучшенное взаимодействие ускорил применение тактильных технологий во многих областях. От игровых контроллеров и сенсорных экранов в бытовой электронике до контроллеров обратной связи на приборных панелях автомобилей и хирургического моделирования в здравоохранении — тактильные технологии становятся ключевым компонентом пользовательского опыта и функциональности системы. В этой статье будет представлено подробное введение в тактильную обратную связь, включая основные технологии и преимущества использования пьезоэлектрических элементов в тактильных технологиях.
Общие технологии тактильных приводов
Тактильный привод — это электромеханический датчик, который генерирует тактильные ощущения, такие как вибрация, смещение или давление, путем преобразования электрической энергии в механическое движение. Этот привод является функциональным ядром системы тактильной обратной связи, которая обеспечивает точный физический отклик в пользовательском интерфейсе.
Для тактильных систем доступно несколько методов срабатывания, каждый из которых имеет свой уникальный принцип работы и рабочие характеристики:
Пьезоэлектрические приводы используют пьезоэлектрические элементы для генерации механической деформации и колебаний под действием внешнего электрического поля, тем самым обеспечивая высокочастотные сигналы обратной связи с малым смещением и малой задержкой. (См. серию пьезоэлектрических элементов Same Sky).
Двигатель с эксцентриковой вращающейся массой (ERM) состоит из блоков эксцентриковых масс, установленных на валу двигателя постоянного тока. При движении вращение неуравновешенного груза обычно вызывает низкочастотные вибрационные силы. Эта технология обычно используется в мобильных устройствах и недорогих приложениях.
В приводах электроактивного полимера (EAP) используются диэлектрические полимеры, которые расширяются или сжимаются под действием электрического поля. Этот тип материала может создавать плавные и гибкие кривые движения, но обычно требует более высокого напряжения возбуждения.
Принцип работы линейного резонансного привода (LRA) заключается в приведении в движение магнитного блока вдоль одной оси с помощью переменного электромагнитного поля. По сравнению с ERM, настройка LRA на резонансную частоту может обеспечить более эффективную и быструю направленную обратную связь.
Привод звуковой катушки (VCA) использует принцип силы Лоренца, что означает, что катушка, подвешенная в магнитном поле, будет двигаться линейно под действием тока. VCA работает в широкополосном режиме и может точно контролировать амплитуду и частоту.
Каждый тип привода требует компромисса между частотной характеристикой, энергоэффективностью, сложностью интеграции и точностью обратной связи. Конкретный выбор зависит от целевого приложения — будь то тонкие тактильные сигналы в носимых устройствах, иммерсивное прикосновение в интерфейсах AR/VR или сильная обратная связь на сенсорных экранах автомобилей.
Базовые знания пьезоэлектрических компонентов в тактильной обратной связи.
Пьезоэлектрический эффект означает генерацию электрических зарядов в определенных материалах при воздействии механического напряжения. Важно отметить, что это явление обратимо: при приложении к этим материалам электрического поля происходит измеримая механическая деформация. Эта обратимая характеристика является основным принципом работы пьезоэлектрических приводов, используемых в системах тактильной обратной связи.
В тактильных приложениях пьезоэлектрические элементы в основном управляются обратными эффектами, создавая микромасштабное смещение или вибрацию в зависимости от входного напряжения. Благодаря своей двунаправленной природе эти компоненты также могут быть сконфигурированы как датчики силы или давления, интегрируя двойную функциональность в сенсорные интерфейсы или системы с обратной связью.
Пьезоэлектрическое изгибающее устройство представляет собой обычную конструкцию привода, состоящую из двух пьезоэлектрических слоев с противоположной поляризацией, соединенных вместе. При приложении напряжения один слой расширяется, а другой сжимается, вызывая изгиб конструкции. Этот тип изгибного смещения очень подходит для применений, требующих высокой точности и локального перемещения.
Напротив, многослойные пьезоэлектрические элементы укладывают множество тонких пьезоэлектрических слоев параллельно, что значительно увеличивает выходную механическую мощность при одновременном снижении рабочего напряжения. В ситуациях, когда требуется большее усилие или смещение, например, в маломощных встроенных системах с большими тактильными поверхностями или ограниченными амплитудами напряжения, эти структуры имеют значительные преимущества.
Амплитуда отклонения пьезоэлектрических элементов пропорциональна входному сигналу, благодаря чему достигается управление статическим позиционированием и динамическими кривыми вибрации с высоким разрешением. В отличие от многих других типов приводов, пьезоэлектрические элементы могут независимо точно настраивать свое положение и амплитуду, что делает их очень подходящими для приложений, требующих небольших различий в сигналах или кодирования обратной связи.
«Изгиб» пьезоэлектрических компонентов
Рисунок 1: «Изгиб» пьезоэлектрических компонентов. (Источник изображения: Same Sky)
Преимущества пьезоэлектрических элементов в тактильном дизайне
Пьезоэлектрические элементы, используемые в системах тактильной обратной связи, используют антипьезоэлектрический эффект для создания быстрого механического смещения с высокой силой. Собственные свойства материала пьезоэлектрических элементов обычно приводят к времени отклика менее 1 миллисекунды, что обеспечивает тактильную обратную связь в реальном времени с минимальной задержкой, что имеет решающее значение в приложениях, требующих высокой точности и мгновенного ответа пользователя.
В отличие от приводов с массовым приводом, таких как ERM или LRA, пьезоэлектрические устройства не полагаются на инерцию или резонанс компонентов подвески. Следовательно, пьезоэлектрические устройства имеют меньшее энергопотребление и более быстрое время стабилизации. Эти характеристики делают пьезоэлектрические устройства особенно подходящими для интеграции в аккумуляторные или портативные системы, где энергоэффективность и внешние размеры строго ограничены.
Тонкая и плоская геометрическая форма пьезоэлектрических элементов облегчает компактную механическую интеграцию. Таким образом, инженеры могут встроить несколько пьезоэлектрических приводов в одну конструкцию, чтобы усилить тактильный выходной сигнал или добиться анализа пространственного распределения тактильных сигналов в пользовательском интерфейсе. В таких приложениях, как сенсорные панели, носимые устройства и емкостные сенсорные экраны, эти конфигурации можно использовать для имитации движения, указателей направления или градиентов давления.
Пьезоэлектрические приводы обладают широкими возможностями настройки частоты, амплитуды и формы управляющего сигнала, поддерживая различные текстуры и эффекты обратной связи. Кроме того, технология также предлагает различные механические и электрические формы, включая индивидуальные диаметры, толщины, номинальные напряжения и методы установки, обеспечивая индивидуальные решения для рынков автомобильной, медицинской, промышленной и бытовой электроники.
Особенности проектирования пьезоэлектрических компонентов
Проектирование системы тактильной обратной связи на основе пьезоэлектрической технологии требует тщательного рассмотрения следующих ключевых факторов:
Приводной блок: согласуйте силу толкателя с инерционной нагрузкой, чтобы обеспечить эффективную передачу вибрации.
Тип компонента: выбирайте однослойные или многослойные компоненты в зависимости от ограничений по напряжению, смещению и размеру.
Поверхность механической оболочки: Убедитесь, что привод установлен в пределах доступного пространства.
Ось активации: Определите направление движения, чтобы выбрать подходящую форму набора компонентов.
Источник питания и драйвер: согласуйте источник питания системы с емкостной нагрузкой пьезоэлектрического устройства и выберите совместимые драйверы для достижения эффективного возбуждения.
Требования к частоте: Определите резонансную частоту или необходимую полосу пропускания компонента для получения оптимальной тактильной обратной связи.
Температурные условия: Убедитесь, что диапазон рабочих температур пьезоэлектрического элемента соответствует условиям окружающей среды системы.