Mejora de la retroalimentación háptica con transductores piezoeléctricos

La mayoría de los paneles de pantalla táctil tienen un tipo limitado de retroalimentación háptica o ninguna. Esto también es cierto para muchos tipos de dispositivos portátiles o portátiles como relojes, paneles táctiles, teclados, un mouse, etc. El deseo de mejorar la retroalimentación háptica está llevando a algunos a observar más de cerca los transductores piezoeléctricos para generar señales hápticas, que brindan una serie de de mejoras físicas y eléctricas sobre los generadores de vibración tradicionales.

En este artículo se revisan los principios, la teoría y el modelado de los transductores piezoeléctricos. Incluye una discusión de los circuitos electrónicos que están diseñados específicamente para impulsar las características únicas de los transductores piezoeléctricos y comparte ejemplos de aplicaciones hápticas que utilizan transductores piezoeléctricos. El artículo también examina la relación de la potencia de entrada del amplificador con respecto a las configuraciones de carga piezoeléctrica.

Tenga en cuenta que la vibración háptica de los actuadores piezoeléctricos utiliza el efecto piezoeléctrico inverso (es decir, la vibración de un estímulo eléctrico). Cualquier mención de efectos piezoeléctricos se refiere a esta transferencia de energía eléctrica a mecánica.

Introducción a la háptica piezoeléctrica

Hoy en día, en la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles o de mano, un transductor electromecánico (EM) crea una vibración háptica que convierte las señales eléctricas en vibraciones mecánicas. Estos incluyen actuadores de masa giratoria excéntrica (ERM) y actuadores de resonancia lineal (LRA). Estos tipos de transductores EM son de bajo costo, son bastante fáciles de usar y se pueden alimentar con un voltaje de nivel de batería.

Sin embargo, existen varias desventajas de los transductores EM:

• Son dispositivos resonantes que crean una frecuencia de vibración específica y, en el caso de un LRA, debe calibrarse a una frecuencia de resonancia estocástica de fábrica.
• Los dispositivos EM son físicamente grandes y altos (de 3 a 5 mm de alto), lo que reduce la capacidad de montarlos en carcasas delgadas.
• Producen vibraciones de fuente puntual y no pueden crear varios patrones de frecuencia en una superficie.
• Son ineficientes y requieren una cantidad significativa de energía por evento háptico.
• Los dispositivos LRA son algo frágiles y pueden ser destruidos por sobrecarga física o eléctrica (por ejemplo, una caída).

En comparación, los transductores piezoeléctricos no se basan en la conversión de energía EM y se destacan como un generador de vibraciones hápticas. Generan vibraciones mecánicas a través del efecto piezoeléctrico inverso al crear vibraciones cristalinas a partir de la fuerza electromotriz aplicada (es decir, EMF), generalmente de una fuente de voltaje CA.

Los transductores piezoeléctricos pueden resultar ventajosos debido a varias propiedades importantes:

• Son delgados (<1 mm), flexibles y pueden montarse en una variedad de opciones y adaptarse a casi cualquier patrón deseado.
• Producen vibraciones sobre un área de superficie y pueden ser sensibles a la ubicación táctil.
• Son muy eficientes, según el método utilizado para impulsar el piezo.
• Pueden reproducir cualquier frecuencia de vibración en un amplio rango de frecuencias.
• Pueden generar un patrón de señales hápticas que pueden ser moduladas en amplitud o frecuencia.
• Tienen muy poca inercia y, por lo tanto, tienen un tiempo de respuesta muy rápido.
• No producen emisiones EMI.

Tenga en cuenta que los actuadores piezoeléctricos requieren una señal de control de voltaje relativamente alta para crear una vibración mecánica significativa, típicamente de 60 V a 200 V pico a pico. Además, los actuadores piezoeléctricos son principalmente una carga capacitiva para el circuito de excitación y, por lo tanto, se benefician de los circuitos de excitación electrónicos especializados. Más adelante se discutirá más sobre este tema.

Una discusión detallada de la construcción y la física de los actuadores piezoeléctricos está más allá del alcance de este documento; sin embargo, sigue una breve descripción. Los transductores piezoeléctricos se fabrican en una variedad de configuraciones físicas diferentes, según la aplicación. Un actuador piezoeléctrico que se usa generalmente para la reproducción háptica y de audio toma la forma de un doblador bimorfo que se monta (es decir, se pega) a una superficie interna que es parte de un estuche portátil o portátil o una pantalla táctil, por ejemplo. En Fig. 1 .

Figura 1:Construcción del actuador piezoeléctrico bimorfo

Como se muestra en Fig. 1 , un doblador bimorfo generalmente se compone de una o más capas de material cerámico policristalino apantalladas sobre una capa mecánica conductora (por ejemplo, latón o cobre). Una vez que se han creado las capas, se aplica un gran voltaje de polarización de CC a través de la estructura piezoeléctrica para alinear los límites del dominio cristalino para fortalecer la fuerza de efecto piezoeléctrico inverso que se generará (es decir, aumentar la fuerza generada por voltaje EMF). El voltaje de polarización define entonces la dirección de la fuerza mecánica generada con el voltaje aplicado. El aumento de la tensión aplicada en la dirección de la tensión de polarización aumenta la fuerza mecánica o el desplazamiento de flexión. La polarización de las capas piezoeléctricas se puede aplicar en la misma dirección o en direcciones opuestas. Cada método tiene sus ventajas y se puede utilizar para crear efectos piezoeléctricos según se desee.

La ilustración en Fig. 1 muestra un actuador piezoeléctrico montado en una superficie que es ortogonal al voltaje de polarización. Esta configuración (con la EMF aplicada como se muestra) genera una fuerza en la base de montaje y, en consecuencia, hay poca deflexión del piezo. Si la base se montó verticalmente al actuador piezoeléctrico (que se muestra en líneas punteadas) y el extremo opuesto del actuador no estuviera restringido, esto provocaría una deflexión mayor del piezoeléctrico.

Un ejemplo del montaje mostrado en Fig. 1 sería a una pantalla de visualización que genera una fuerza que se conduce a una superficie. Esto crea una fuerza conductora máxima y una deflexión mínima. Este método podría usarse, por ejemplo, para generar una vibración háptica en los dedos en una pantalla de visualización activada por contacto. Cabe señalar que cualquier material que esté presente entre el piezo y la superficie de montaje absorbe energía mecánica y tiende a atenuar la vibración conducida, especialmente si el material es blando o flexible.

También se puede utilizar un transductor piezoeléctrico para proporcionar retroalimentación háptica localizada. Esto se puede lograr colocando varios elementos piezoeléctricos debajo de una pantalla táctil o teclado, por ejemplo, de modo que cada elemento piezo proporcione una sensación háptica localizada en su ubicación. Cuando se detecta un toque, la pantalla no solo produce la ubicación X-Y del toque, sino que se habilita un controlador piezoeléctrico que energiza ese actuador piezoeléctrico en particular. Esto se puede lograr mediante el uso de un MUX de alto voltaje o de amplificadores piezoeléctricos separados.

Cada capa de cerámica policristalina produce una fuerza proporcional al voltaje aplicado, y n capas producen n veces la fuerza generada.

>> Continúe leyendo el artículo completo originalmente publicado en nuestro sitio hermano, Electronic Products.