압전 변환기로 햅틱 피드백 개선

대부분의 터치스크린 패널에는 제한된 유형의 햅틱 피드백이 있거나 전혀 없습니다. 이는 시계, 터치패드, 키보드, 마우스 등과 같은 다양한 유형의 휴대용 또는 웨어러블 장치에도 해당됩니다. 개선된 햅틱 피드백에 대한 열망으로 인해 일부 사람들은 햅틱 신호를 생성하기 위해 압전 변환기를 자세히 살펴보고 숫자를 제공합니다. 기존의 진동 발생기에 비해 물리적, 전기적 개선 효과가 있습니다.

이 기사에서는 압전 변환기 원리, 이론 및 모델링을 검토합니다. 여기에는 압전 변환기의 고유한 특성을 구동하도록 특별히 설계된 전자 회로에 대한 설명이 포함되며 압전 변환기를 사용하는 햅틱 응용 프로그램의 예를 공유합니다. 이 기사는 또한 압전 부하 구성과 관련된 증폭기 입력 전력의 관계를 조사합니다.

피에조 액추에이터의 햅틱 진동은 역피에조 효과(즉, 전기 자극으로 인한 진동)를 사용합니다. 피에조 효과에 대한 모든 언급은 이 전기-기계 에너지 전달을 나타냅니다.

압전 햅틱 소개

오늘날 대부분의 핸드헬드 또는 휴대용 전자 장치에서 햅틱 진동은 전기 신호를 기계적 진동으로 변환하는 전자기계(EM) 변환기에 의해 생성됩니다. 여기에는 ERM(편심 회전 질량) 액추에이터 및 LRA(선형 공진 액추에이터)가 포함됩니다. 이러한 유형의 EM 변환기는 저렴하고 사용이 매우 간편하며 배터리 수준의 전압으로 전원을 공급받을 수 있습니다.

그러나 EM 변환기에는 여러 가지 단점이 있습니다.

• 특정 진동 주파수를 생성하는 공진 장치이며 LRA의 경우 공장에서 확률론적인 공진 주파수로 보정해야 합니다.
• EM 기기는 물리적으로 크고 높이가 3~5mm이므로 얇은 인클로저에 장착할 수 없습니다.
• 점 소스 진동을 생성하고 표면에 다양한 주파수 패턴을 생성할 수 없습니다.
• 비효율적이며 햅틱 이벤트당 상당한 에너지가 필요합니다.
• LRA 기기는 다소 깨지기 쉬우며 물리적 또는 전기적 과부하(예:낙하)에 의해 파손될 수 있습니다.

이에 비해 압전 변환기는 EM 에너지 변환을 기반으로 하지 않으며 햅틱 진동 발생기로서 탁월합니다. 일반적으로 AC 전압 소스에서 적용된 기전력(예:EMF)에서 결정 진동을 생성하여 역 피에조 효과를 통해 기계적 진동을 생성합니다.

피에조 변환기는 다음과 같은 몇 가지 중요한 속성으로 인해 유리할 수 있습니다.

• 얇고(<1mm) 유연하며 다양한 옵션으로 장착할 수 있으며 원하는 거의 모든 패턴으로 모양을 만들 수 있습니다.
• 표면에 진동을 생성하고 터치 위치에 민감할 수 있습니다.
• 피에조 구동 방식에 따라 매우 효율적입니다.
• 광범위한 주파수 범위에서 모든 진동 주파수를 재현할 수 있습니다.
• 진폭 또는 주파수 변조가 가능한 햅틱 신호 패턴을 생성할 수 있습니다.
• 관성이 거의 없으므로 응답 시간이 매우 빠릅니다.
• EMI 방출이 없습니다.

피에조 액츄에이터는 상당한 기계적 진동을 생성하기 위해 상대적으로 높은 전압 구동 신호(일반적으로 피크 간 60V ~ 200V)가 필요합니다. 또한 피에조 액추에이터는 주로 드라이브 회로에 대한 용량성 부하이므로 특수 전자 드라이브 회로의 이점을 누릴 수 있습니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 나중에 논의될 것입니다.

피에조 액추에이터 구성과 물리학에 대한 자세한 논의는 이 백서의 범위를 벗어납니다. 그러나 간단한 설명은 다음과 같습니다. 압전 변환기는 응용 분야에 따라 다양한 물리적 구성으로 제조됩니다. 햅틱 및 오디오 재생에 가장 일반적으로 사용되는 피에조 액추에이터는 예를 들어 핸드헬드 또는 웨어러블 케이스 또는 터치스크린의 일부인 내부 표면에 장착(즉, 접착)되는 바이모프 벤더의 형태를 취합니다. 표면 실장된 단층 압전 액추에이터의 예는 그림 1에 나와 있습니다. 1 .

그림 1:바이모프 피에조 액추에이터 구성

그림과 같이. 1 바이모프 벤더는 일반적으로 전도성 기계적 층(예:황동 또는 구리) 위에 스크리닝된 다결정 세라믹 재료의 하나 이상의 층으로 구성됩니다. 층이 생성된 후 큰 DC 분극 전압이 압전 구조를 가로질러 인가되어 결정 도메인 경계를 정렬하여 생성될 역 압전 효과 힘을 강화합니다(즉, 전압 EMF당 생성되는 힘 증가). 그런 다음 분극 전압은 적용된 전압으로 생성된 기계적 힘의 방향을 정의합니다. 분극 전압 방향으로 인가 전압을 높이면 기계적 힘 또는 굽힘 변위가 증가합니다. 압전 층에 대한 편광은 동일한 방향 또는 반대 방향으로 적용될 수 있습니다. 각각의 방법에는 장단점이 있으며 원하는 대로 피에조 효과를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

그림. 1 는 분극 전압에 직교하는 표면에 장착된 압전 액추에이터를 보여줍니다. 이 구성(그림과 같이 EMF가 적용된 상태)은 장착 베이스에 힘을 생성하고 결과적으로 피에조의 편향이 거의 없습니다. 베이스가 압전 액추에이터(점선으로 표시)에 수직으로 장착되고 액추에이터의 반대쪽 끝이 구속되지 않으면 압전의 더 큰 편향이 발생할 수 있습니다.

그림에 표시된 장착 예. 1 표면에 전달되는 힘을 생성하는 디스플레이 화면이 될 것입니다. 이것은 최대 전도력과 최소 편향을 생성합니다. 이 방법은 예를 들어 터치 활성화 디스플레이 화면에서 손가락에 햅틱 진동을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 피에조와 장착 표면 사이에 존재하는 모든 재료는 기계적 에너지를 흡수하고 전도된 진동을 감쇠시키는 경향이 있다는 점에 유의해야 합니다. 특히 재료가 부드럽거나 유연한 경우에는 더욱 그렇습니다.

압전 변환기를 사용하여 국부적인 햅틱 피드백을 제공할 수도 있습니다. 이는 예를 들어 터치스크린 또는 키보드 디스플레이 아래에 다수의 피에조 요소를 배열하여 수행할 수 있으므로 각 피에조 요소는 해당 위치에 국한된 햅틱 느낌을 제공합니다. 터치가 감지되면 디스플레이가 터치의 X-Y 위치를 생성할 뿐만 아니라 특정 피에조 액추에이터에 전원을 공급하는 피에조 드라이버가 활성화됩니다. 이것은 고전압 MUX를 사용하거나 별도의 압전 증폭기를 사용하여 수행할 수 있습니다.

다결정 세라믹의 각 층은 인가된 전압에 비례하는 힘을 생성하고 n-층은 n을 생성합니다. 생성된 힘의 배.

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