Melhorando o feedback tátil com transdutores piezoelétricos

A maioria dos painéis touchscreen tem um tipo limitado de feedback tátil ou nenhum. Isso também é verdadeiro para muitos tipos de dispositivos portáteis ou vestíveis como relógios, touchpads, teclados, um mouse, etc. O desejo de um feedback tátil aprimorado está levando alguns a olhar mais de perto os transdutores piezoelétricos para gerar sinais táteis, que fornecem um número de melhorias físicas e elétricas em relação aos geradores de vibração tradicionais.

Este artigo revisa os princípios, teoria e modelagem do transdutor piezoelétrico. Inclui uma discussão sobre circuitos eletrônicos que são projetados especificamente para conduzir as características exclusivas dos transdutores piezoelétricos e compartilha exemplos de aplicações hápticas usando transdutores piezoelétricos. O artigo também examina a relação da potência de entrada do amplificador em relação às configurações de carga do piezo.

Observe que a vibração háptica de atuadores piezoelétricos usa o efeito piezoelétrico inverso (ou seja, vibração de estímulo elétrico). Qualquer menção aos efeitos piezoeléctricos refere-se a esta transferência de energia eléctrica para mecânica.

Introdução à háptica piezoelétrica

Hoje, na maioria dos dispositivos eletrônicos portáteis ou de mão, uma vibração háptica é criada por um transdutor eletromecânico (EM) que converte sinais elétricos em vibrações mecânicas. Isso inclui atuadores de massa rotativa excêntrica (ERM) e atuadores ressonantes lineares (LRAs). Esses tipos de transdutores EM são de baixo custo, bastante fáceis de usar e podem ser alimentados por uma tensão de nível de bateria.

Existem, no entanto, uma série de desvantagens para os transdutores EM:

• São dispositivos ressonantes que criam uma frequência de vibração específica e, no caso de um LRA, deve ser calibrado para uma frequência ressonante estocástica de fábrica.
• Os dispositivos EM são fisicamente grandes e altos (3 a 5 mm de altura), reduzindo a capacidade de montá-los em gabinetes finos.
• Eles produzem vibrações de origem pontual e não podem criar vários padrões de frequência em uma superfície.
• Eles são ineficientes, exigindo energia significativa por evento háptico.
• Os dispositivos LRA são um tanto frágeis e podem ser destruídos por sobrecarga física ou elétrica (por exemplo, uma queda).

Em comparação, os transdutores piezoelétricos não são baseados na conversão de energia EM e se destacam como um gerador de vibração tátil. Eles geram vibrações mecânicas através do efeito piezo inverso, criando vibrações cristalinas a partir da força eletromotriz aplicada (isto é, EMF), tipicamente de uma fonte de voltagem AC.

Os transdutores piezoelétricos podem ser vantajosos devido a várias propriedades importantes:

• Eles são finos (<1 mm), são flexíveis e podem ser montados em uma variedade de opções e moldados em quase qualquer padrão desejado.
• Eles produzem vibrações em uma área de superfície e podem ser sensíveis ao toque.
• Eles são altamente eficientes, dependendo do método usado para acionar o piezo.
• Eles podem reproduzir qualquer frequência de vibração em uma ampla faixa de frequência.
• Eles podem gerar um padrão de sinais táteis que podem ser modulados em amplitude ou frequência.
• Eles têm muito pouca inércia e, portanto, têm um tempo de resposta muito rápido.
• Eles não produzem emissões EMI.

Observe que os atuadores piezoelétricos requerem um sinal de acionamento de tensão relativamente alta para criar vibração mecânica significativa, normalmente 60 V a 200 V pico a pico. Além disso, os atuadores piezoelétricos são principalmente uma carga capacitiva para o circuito de acionamento e, portanto, se beneficiam de um circuito de acionamento eletrônico especializado. Mais sobre este assunto será discutido mais tarde.

Uma discussão detalhada sobre a construção e a física do atuador piezoelétrico está além do escopo deste artigo; no entanto, segue uma breve descrição. Os transdutores piezoelétricos são fabricados em uma variedade de configurações físicas diferentes, dependendo da aplicação. Um atuador piezoelétrico que é mais geralmente usado para reprodução háptica e de áudio assume a forma de um dobrador bimorfo que seria montado (ou seja, colado) a uma superfície interna que faz parte de um estojo portátil ou usável ou uma tela sensível ao toque, por exemplo. Um exemplo de um atuador piezoelétrico de camada única que é montado na superfície é mostrado na Fig. 1 .

Figura 1:Construção do atuador piezoelétrico bimorfo

Conforme mostrado na Fig. 1 , um dobrador bimorfo é geralmente composto por uma ou mais camadas de material cerâmico policristalino filtrado em uma camada mecânica condutora (por exemplo, latão ou cobre). Após as camadas terem sido criadas, uma grande voltagem de polarização DC é aplicada através da estrutura piezoelétrica para alinhar os limites do domínio do cristal para fortalecer a força de efeito piezoelétrico inverso que será gerada (isto é, aumentando a força gerada por EMF de voltagem). A tensão de polarização então define a direção da força mecânica gerada com a tensão aplicada. Aumentar a tensão aplicada na direção da tensão de polarização aumenta a força mecânica ou o deslocamento de flexão. A polarização para as camadas piezo pode ser aplicada na mesma direção ou em direções opostas. Cada método tem suas vantagens e pode ser usado para criar efeitos piezoelétricos conforme desejado.

A ilustração na Fig. 1 mostra um atuador piezo montado em uma superfície que é ortogonal à voltagem de polarização. Esta configuração (com o EMF aplicado conforme mostrado) gera uma força na base de montagem e, conseqüentemente, há pouca deflexão do piezo. Se a base fosse montada verticalmente no atuador piezo (mostrado em linhas pontilhadas) e a extremidade oposta do atuador não estivesse restrita, isso causaria uma deflexão maior do piezo.

Um exemplo da montagem mostrada na Fig. 1 seria para uma tela de exibição gerando uma força que é conduzida para uma superfície. Isso cria força condutiva máxima e deflexão mínima. Este método pode ser usado, por exemplo, para gerar uma vibração tátil para os dedos em uma tela ativada por toque. Deve-se notar que qualquer material que esteja presente entre o piezo e a superfície de montagem absorve energia mecânica e tende a atenuar a vibração conduzida, principalmente se o material for macio ou flexível.

Um transdutor piezo também pode ser usado para fornecer feedback háptico localizado. Isso pode ser realizado organizando uma série de elementos piezo sob uma tela sensível ao toque ou teclado, por exemplo, de modo que cada elemento piezo proporcione uma sensação tátil localizada em sua colocação. Quando um toque é detectado, não apenas a tela produz a localização X-Y do toque, mas um driver piezo é habilitado para energizar aquele atuador piezo específico. Isso pode ser feito usando um MUX de alta tensão ou amplificadores piezoelétricos separados.

Cada camada de cerâmica policristalina produz uma força proporcional à voltagem aplicada, e n-camadas produzem n vezes a força gerada.

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