'Haptik' terimi Yunanca'dan gelir ve 'tutmak' veya'algılamak' anlamına gelir. Mühendislikte dokunma tekniğini ifade eder. Elektronik sistemlerde,dokunuş genellikle insan-makine etkileşimini artırmak için cihazlara entegre güç veya dokunmatik geri bildirim mekanizmalarını tanımlamak için kullanılır.
Mühendislik açısından, dokunmatik geri bildirim tipik olarak mekanik aktüatörler aracılığıyla elde edilir.Eksantrik döner kütle (ERM) motorları dahil, doğrusal rezonans aktüatörleri (LRA) ve basınç, ağırlık ve yüzey dokuları gibi gerçek dünyadaki fiziksel hisleri taklit edebilen piezoelektrik elemanlar.,dokunmatik teknoloji görsel ve işitsel ipuçlarını tamamlar, dijital arayüzleri daha sezgisel ve duyarlı hale getirir.Bu, hassas giriş doğrulama veya sürükleyici kullanıcı deneyimi gerektiren uygulamalar için özellikle önemlidir., sanal nesne manipülasyonu da dahil.
Geliştirilmiş etkileşim için artan talep, dokunmatik teknolojinin birden fazla alanda uygulanmasını hızlandırdı.Tüketici elektroniklerinde oyun kontrolörlerinden ve dokunmatik ekranlardan, araba gösterge panellerindeki geri bildirim kontrolörlerine ve sağlıkta cerrahi simülasyonlara kadar, dokunmatik teknoloji kullanıcı deneyimi ve sistem işlevselliğinin önemli bir bileşeni haline geliyor.Temel teknolojileri ve dokunmatik teknolojide piezoelektrik elemanların kullanımının avantajlarını içeren.
Ortak dokunmatik aktüatör teknolojileri
Dokunmatik aktüatör, elektrik enerjisini mekanik harekete dönüştürerek titreşim, yer değiştirme veya basınç gibi dokunmatik duygular üreten bir elektromekanik sensördür.Bu aktüatör dokunmatik geri bildirim sisteminin işlevsel çekirdeğidir.Kullanıcı arabiriminde kesin fiziksel yanıt elde edebilir.
Her biri kendine özgü çalışma prensibi ve performans özelliklerine sahip dokunmatik sistemler için birden fazla hareket tekniği mevcuttur:
Piezoelektrik aktüatörler, dış bir elektrik alanının etkisi altında mekanik deformasyon ve salınım üretmek için piezoelektrik elemanları kullanır ve böylece yüksek frekanslı,küçük yer değiştirme, ve düşük gecikme geri bildirim sinyalleri (Lütfen Same Sky piezoelektrik eleman serisine bakın).
Eksantrik Döner Kütle (ERM) motoru, DC motor şaftına monte edilmiş eksantrik kütle bloklarından oluşur.dengesiz bir yükün dönüşü genellikle düşük frekanslı titreşim kuvvetleri üretirBu teknoloji genellikle mobil cihazlarda ve düşük maliyetli uygulamalarda kullanılır.
Elektroaktif polimer (EAP) aktüatörleri, elektrik alanının etkisi altında genişleyen veya daralan dielektrik polimerler kullanır.ama genellikle daha yüksek sürüş voltajları gerektirir.
Bir doğrusal rezonanslı aktüatörün (LRA) çalışma prensibi, bir manyetik bloğu alternatif bir elektromanyetik alan kullanarak tek bir eksen boyunca sürmektir.LRA'yı rezonans frekansına ayarlamak daha verimli ve daha hızlı yanıt süresi yönlü geri bildirim sağlayabilir.
Ses bobini aktüatörü (VCA), manyetik alanda askıya alınan bir bobinin akımın etkisi altında doğrusal olarak hareket edeceği anlamına gelen Lorentz kuvveti ilkesini kullanır.VCA geniş bantta çalışır ve amplitudu ve frekansı doğru bir şekilde kontrol edebilir..
Her bir aktüatör tipi frekans tepkisi, güç verimliliği, entegrasyon karmaşıklığı ve geri bildirim sadakati arasında bir dengeleme gerektirir.Özel seçim hedef uygulamaya bağlıdır - giyilebilir cihazlarda ince dokunmatik ipuçları olsun, AR / VR arayüzlerinde sürükleyici dokunuş veya araba dokunmatik ekranlarında güçlü geri bildirim.
Dokunmatik geri bildirimde piezoelektrik bileşenlerin temel bilgisi
Piezoelektrik etki, mekanik strese maruz kaldıklarında bazı malzemelerde elektrik yüklerinin üretilmesini ifade eder.Bu malzemelere elektrik alanı uygulandığında, ölçülebilir mekanik deformasyon meydana gelir. Bu geri dönüştürülebilir özellik, dokunmatik geri bildirim sistemlerinde kullanılan piezoelektrik aktüatörlerin temel çalışma ilkesidir.
Dokunmatik uygulamalarda, piezoelektrik elemanlar, giriş voltajına bağlı olarak mikro ölçekli yer değiştirme veya titreşim üretmek için esas olarak ters etkilerle çalıştırılır.Bu bileşenler güç veya basınç sensörleri olarak da yapılandırılabilir., çift işlevselliği dokunma duyarlı arayüzlere veya kapalı döngü sistemlerine entegre eder.
Piezoelektrik bükme cihazı, bir gerilim uygulandığında birbirine bağlanan karşıt kutuplaşmalara sahip iki piezoelektrik katmandan oluşan ortak bir aktüatör yapısıdır.Bir katman genişlerken diğer katman daralır.Bu tür bükülme hareketleri, yüksek hassasiyet ve yerel hareket gerektiren uygulamalar için çok uygundur.
Buna karşılık, çok katmanlı piezoelektrik elemanlar paralel olarak birçok ince piezoelektrik katmanı yığar, çalışma voltajını azaltırken mekanik çıkış gücünü önemli ölçüde arttırır.Daha fazla güç veya yer değiştirme gerektirdiği durumlarda, örneğin büyük dokunuş yüzeylerine veya sınırlı voltaj genişliklerine sahip düşük güçlü gömülü sistemlerde, bu yapıların önemli avantajları vardır.
Piezoelektrik elemanların bükülme amplitudu giriş sinyaline orantılıdır, böylece statik konumlandırmanın ve dinamik titreşim eğrilerinin yüksek çözünürlüklü kontrolüne ulaşılır.Diğer birçok aktüatör türünün aksine, piezoelektrik elemanlar konumlarını ve amplitudlarını bağımsız olarak ayarlayabilir, bu da onları ince sinyal farklılıkları veya kodlama geri bildirimi gerektiren uygulamalar için son derece uygundur.
Piezoelektrik bileşenlerin bükülmesi
Şekil 1: Piezoelektrik bileşenlerin "eğilmesi" (Görüntü kaynağı: Aynı Gökyüzü)
Pyezoelektrik elemanların dokunmatik tasarımdaki avantajları
Dokunmatik geri bildirim sistemlerinde kullanılan piezoelektrik elemanlar, hızlı, yüksek kuvvetli mekanik yer değiştirme üretmek için anti piezoelektrik etkisini kullanır.Piezoelektrik elemanların doğal malzeme özellikleri tipik olarak 1 milisaniyeden daha az bir yanıt süresi ile sonuçlanır, yüksek hassasiyet ve anlık kullanıcı yanıtını gerektiren uygulamalarda çok önemli olan en az gecikme ile gerçek zamanlı dokunmatik geri bildirim sağlar.
ERM veya LRA gibi kütle tahrikli aktüatörlerin aksine, piezoelektrik cihazlar süspansiyon bileşenlerinin inersi veya rezonansına dayanmaz.Piezoelektrik cihazlar daha düşük güç tüketimine ve daha hızlı stabilizasyon süresine sahiptirBu özellikler, pizoelektrik cihazları, enerji verimliliği ve dış boyutları sıkı bir şekilde sınırlı olan pil ile çalışan veya taşınabilir sistemlere entegre edilmek için özellikle uygundur.
Piezoelektrik elemanların ince ve düz geometrik şekli kompakt mekanik entegrasyonu kolaylaştırır.Mühendisler, dokunmatik ağ çıkışını güçlendirmek veya kullanıcı arabiriminde dokunmatik sinyallerin mekansal dağılım analizini elde etmek için birden fazla piezoelektrik aktüatörü tek bir tasarıma yerleştirebilirler.Dokunmatik tabletler, giyilebilir cihazlar ve kapasitif dokunmatik ekranlar gibi uygulamalarda, bu yapılandırmalar hareket, yönsel ipuçları veya basınç gradiyenti taklit etmek için kullanılabilir.
Piezoelektrik aktüatörler, çeşitli geri bildirim dokularını ve etkilerini destekleyen sürüş sinyali frekansı, amplitudu ve dalga şekli açısından yüksek yapılandırılabilirliğe sahiptir.Teknoloji ayrıca çeşitli mekanik ve elektrik biçimleri sunar., otomotiv, tıbbi, endüstriyel ve tüketici elektroniği pazarları için özel çözümler sağlayan özel çaplar, kalınlıklar, nominal voltajlar ve kurulum yöntemleri de dahil.
Piezoelektrik bileşenler için tasarım düşünceleri
Pyezoelektrik teknolojisine dayalı dokunmatik geri bildirim sisteminin tasarlanması, aşağıdaki kilit faktörleri dikkatlice göz önünde bulundurmayı gerektirir:
Sürüş bloğu: Etkili titreşim iletimini sağlamak için itme çubuğu gücünü inersi yükü ile eşleştirin.
Bileşen tipi: Tek katmanlı veya çok katmanlı bileşenleri voltaj, yer değiştirme ve boyut sınırlamalarına göre seçin.
Mekanik kabuk yüzeyi: Etkinleştirici mevcut alanın içinde yerleştirildiğinden emin olun.
Etkinleştirme ekseni: Bileşen setinin uygun şeklini seçmek için hareket yönünü belirleyin.
Güç kaynağı ve sürücü: Sistem güç kaynağını piezoelektrik cihazın kapasitif yükü ile eşleştirin ve verimli uyarı elde etmek için uyumlu sürücüler seçin.
Frekans gereksinimi: En iyi dokunmatik geri bildirim elde etmek için bileşenin rezonans frekansını veya gerekli bant genişliğini belirleyin.
Termal koşullar: Piezoelektrik elemanın çalışma sıcaklık aralığının sistemin çevresel koşullarını karşıladığını doğrulayın.