Amélioration du retour haptique avec des transducteurs piézoélectriques

La plupart des écrans tactiles ont un type de retour haptique limité ou aucun. Cela est également vrai pour de nombreux types d'appareils portables ou portables comme les montres, les pavés tactiles, les claviers, une souris, etc. Le désir d'améliorer le retour haptique conduit certains à examiner de plus près les transducteurs piézoélectriques pour générer des signaux d'améliorations physiques et électriques par rapport aux générateurs de vibrations traditionnels.

Cet article passe en revue les principes, la théorie et la modélisation des transducteurs piézoélectriques. Il comprend une discussion sur les circuits électroniques spécialement conçus pour piloter les caractéristiques uniques des transducteurs piézoélectriques et partage des exemples d'applications haptiques utilisant des transducteurs piézoélectriques. L'article examine également la relation entre la puissance d'entrée de l'amplificateur et les configurations de charge piézo.

Notez que la vibration haptique des actionneurs piézo utilise l'effet piézo inverse (c'est-à-dire la vibration d'un stimulus électrique). Toute mention d'effets piézo se réfère à ce transfert d'énergie électrique-mécanique.

Introduction à l'haptique piézoélectrique

Aujourd'hui, dans la plupart des appareils électroniques portables ou de poche, une vibration haptique est créée par un transducteur électromécanique (EM) qui convertit les signaux électriques en vibrations mécaniques. Ceux-ci incluent les actionneurs à masse rotative excentrique (ERM) et les actionneurs à résonance linéaire (LRA). Ces types de transducteurs EM sont peu coûteux, assez faciles à utiliser et peuvent être alimentés à partir d'une tension de niveau de batterie.

Les transducteurs EM présentent cependant un certain nombre d'inconvénients :

• Ce sont des dispositifs de résonance qui créent une fréquence de vibration spécifique et, dans le cas d'un LRA, il doit être calibré sur une fréquence de résonance stochastique en usine.
• Les appareils EM sont physiquement grands et hauts (3 à 5 mm de haut), ce qui réduit la possibilité de les monter dans des boîtiers minces.
• Ils produisent des vibrations ponctuelles et ne peuvent pas créer divers modèles de fréquence sur une surface.
• Ils sont inefficaces et nécessitent une énergie importante par événement haptique.
• Les appareils LRA sont quelque peu fragiles et peuvent être détruits par une surcharge physique ou électrique (par exemple, une chute).

En comparaison, les transducteurs piézo ne sont pas basés sur la conversion d'énergie EM et excellent en tant que générateur de vibrations haptiques. Ils génèrent des vibrations mécaniques par l'effet piézo inverse en créant des vibrations cristallines à partir d'une force électromotrice appliquée (c'est-à-dire des champs électromagnétiques), généralement à partir d'une source de tension alternative.

Les transducteurs piézoélectriques peuvent être avantageux en raison de plusieurs propriétés importantes :

• Ils sont minces (<1 mm), flexibles et peuvent être montés dans une variété d'options et façonnés selon presque tous les motifs souhaités.
• Ils produisent des vibrations sur une surface et peuvent être sensibles au toucher.
• Ils sont très efficaces, selon la méthode utilisée pour entraîner le piézo.
• Ils peuvent reproduire n'importe quelle fréquence de vibration sur une large plage de fréquences.
• Ils peuvent générer un modèle de signaux haptiques qui peuvent être modulés en amplitude ou en fréquence.
• Ils ont très peu d'inertie et, par conséquent, ont un temps de réponse très rapide.
• Ils ne produisent aucune émission EMI.

Notez que les actionneurs piézo nécessitent un signal de commande de tension relativement élevé pour créer des vibrations mécaniques importantes, généralement de 60 V à 200 V crête à crête. De plus, les actionneurs piézo sont principalement une charge capacitive pour le circuit de commande et, par conséquent, bénéficient d'un circuit de commande électronique spécialisé. Plus d'informations sur ce sujet seront discutées plus tard.

Une discussion détaillée de la construction et de la physique des actionneurs piézo-électriques dépasse le cadre de cet article ; cependant, une brève description suit. Les transducteurs piézo sont fabriqués dans une variété de configurations physiques différentes, en fonction de l'application. Un actionneur piézo qui est le plus généralement utilisé pour la reproduction haptique et audio prend la forme d'une cintreuse bimorphe qui serait montée (c'est-à-dire collée) sur une surface interne faisant partie d'un boîtier portable ou portable ou d'un écran tactile, par exemple. Un exemple d'actionneur piézoélectrique monocouche monté en surface est illustré sur la Fig. 1 .

Figure 1 :Construction de l'actionneur piézoélectrique bimorphe

Comme le montre la Fig. 1 , une cintreuse bimorphe est généralement composée d'une ou plusieurs couches de matériau céramique polycristallin tamisé sur une couche mécanique conductrice (par exemple, du laiton ou du cuivre). Une fois les couches créées, une grande tension de polarisation CC est appliquée à travers la structure piézo pour aligner les limites du domaine cristallin afin de renforcer la force d'effet piézo inverse qui sera générée (c'est-à-dire une force croissante générée par tension EMF). La tension de polarisation définit alors la direction de la force mécanique générée avec la tension appliquée. L'augmentation de la tension appliquée dans le sens de la tension de polarisation augmente la force mécanique ou le déplacement de flexion. La polarisation des couches piézo peut être appliquée dans la même direction ou dans des directions opposées. Chaque méthode a ses avantages et peut être utilisée pour créer des effets piézo à volonté.

L'illustration de la Fig. 1 montre un actionneur piézo monté sur une surface qui est orthogonale à la tension de polarisation. Cette configuration (avec l'EMF appliqué comme illustré) génère une force dans la base de montage et, par conséquent, il y a peu de déviation du piézo. Si la base était montée verticalement sur l'actionneur piézo (indiqué en pointillés) et que l'extrémité opposée de l'actionneur n'était pas contrainte, cela entraînerait une déviation plus importante du piézo.

Un exemple de montage illustré dans la Fig. 1 serait à un écran d'affichage générant une force qui est conduite à une surface. Cela crée une force conductrice maximale et une déviation minimale. Ce procédé pourrait être utilisé, par exemple, pour générer une vibration haptique aux doigts sur un écran d'affichage activé par le toucher. Il convient de noter que tout matériau présent entre le piézo et la surface de montage absorbe l'énergie mécanique et tend à atténuer les vibrations conduites, surtout si le matériau est mou ou pliable.

Un transducteur piézo peut également être utilisé pour fournir un retour haptique localisé. Cela peut être accompli en disposant un certain nombre d'éléments piézo sous un écran tactile ou un écran de clavier, par exemple, de sorte que chaque élément piézo procure une sensation haptique localisée à son emplacement. Lorsqu'un toucher est détecté, non seulement l'affichage produit l'emplacement X-Y du toucher, mais un pilote piézo est activé qui alimente cet actionneur piézo particulier. Cela peut être accompli en utilisant un MUX haute tension ou à partir d'amplificateurs piézo séparés.

Chaque couche de céramique polycristalline produit une force proportionnelle à la tension appliquée, et les n couches produisent n fois la force générée.

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