Maxim. Soluciones táctiles de votos utilizando actuadores piezoeléctricos

 

NOTA DE SOLICITUD 4706

 

Por:
Blankenship Tim, definidor del producto

Resumen: Implementación táctil (háptica) comentarios en los dispositivos electrónicos de consumo, mejora la experiencia del usuario.Proporciona un sentido del tacto en un diseño de interfaz de usuario y es el más nuevo interfaz principal en los teléfonos inteligentes y otros dispositivos portátiles de electrónica de consumo. Varias tecnologías hápticas están disponibles ahora, incluyendo pero no limitado a la impulsión del motor de vibración, de accionamiento piezoeléctrico, y la actuación de polímeros electro-activos. En este artículo se explican los conceptos básicos de actuación basado en piezoeléctricos y la forma en que ofrece un rápido tiempo de respuesta, el perfil delgado y de baja potencia, todos los cuales son importantes en las aplicaciones de computadora de mano.
Una versión de esta nota de aplicación fue publicado por Planeta analógica en dos partes, la parte 1 apareció el 17 de noviembre de 2010 y la parte 2 apareció el 22 de noviembre de 2010.

Introducción

Con la llegada de las pantallas táctiles sustituir botones mecánicos en los dispositivos portátiles de mano de los consumidores, la pérdida de la retroalimentación táctil ha creado la necesidad de retroalimentación en tiempo real. Los usuarios están familiarizados con el "empuje para activar" la sensación de comentarios mecánica para indicar una entrada exitosa, por ejemplo, en un teclado ( Figura 1 ).Recientemente, la falta de retroalimentación táctil buena ha impulsado la demanda de la adición de base retroalimentación táctil sistemas eléctricos.

Figura 1. Push-to-activar botones basados ​​en software.
Uno de los enfoques más prometedores para el tiempo real de retroalimentación táctil utiliza accionamiento piezoeléctrico, que ha estado disponible en un pequeño número de dispositivos de consumo durante varios años. Basada en tacto Piezo ofrecen varias ventajas, incluyendo un rápido tiempo de respuesta , perfil delgado, de baja potencia, y una amplia gama de características piezo disponibles y técnicas de montaje.

Piezo Características y Comparación

Piezos están disponibles en muchas formas, tamaños, grosores, rangos de tensión, fuerza, y clasificaciones de la capacitancia. Pueden ser hechos en formas personalizadas para aplicaciones específicas o restricciones de embalaje, y se ofrecen como una sola capa o de las estructuras de múltiples capas. piezos múltiples se pueden utilizar para proporcionar una respuesta más fuerte y más haptic feedback táctil localizada.
aplicaciones del actuador piezoeléctrico para la operación en o cerca de la resonancia son:

• Vibración la estimulación y la cancelación
• Microbombas
• Microengraving sistemas
• Ultrasónico de perforación y soldadura / cuchillos / escalpelos / escalares

Las solicitudes de operación muy por debajo de la resonancia son:

• Retroalimentación táctil
• Estabilización de la imagen
• Sistemas de enfoque automático
• la alineación de fibra óptica
• deformaciones estructurales
• Use una indemnización

Los fundamentos de la Operación Piezo

Muy por debajo de la resonancia, el piezoeléctrico puede ser modelado como un simple condensador. Sobre la base de su configuración y la forma física, el piezo va a cambiar la forma como DC) de voltaje (se aplica a través de sus terminales ( Figura 2 ).

Figura 2. Modelo simplificado piezoeléctricos.
estados la ley de Coulomb que Q = CV. Pero en el piezo, C no es constante ya que el espaciamiento entre los cambios de electrodos con voltaje aplicado.
Cuando se aplica tensión a la piezoeléctrica, la capacidad también cambia porque la distancia entre los electrodos está cambiando (Figura 3A). El desplazamiento de los piezoeléctricos es proporcional al campo eléctrico, y el campo eléctrico es una función de las tensiones de los electrodos y la distancia entre los electrodos. tensión aplicada mantiene una relación bastante proporcional con la fuerza generada por el actuador piezoeléctrico (Figura 3C).
Carga en la capacidad piezo tiene una buena relación proporcional con el desplazamiento en la mayor parte de actuador piezoeléctrico de la gama de movimiento. El desplazamiento se mantiene incluso si los electrodos están desconectados de la tensión de la fuente , a excepción de la pequeña corriente de fuga que se encuentran con las normales de condensadores.

Figura 3. El desplazamiento y la fuerza vs voltaje aplicado.
La fuerza es proporcional al voltaje aplicado a través de la presión ( Figura 3 ). Fuerza (en función del tiempo) es el factor dominante en la retroalimentación táctil, sino que determina un "buen" usuario se sienta. Mejorar el desplazamiento se puede lograr utilizando múltiples capas (pilas) de piezos.

Un modelo Piezo

El sistema electromecánico de movimiento en un piezoeléctrico es modelada por LRC en serie en paralelo con el primario del dieléctrico del condensador, C, _P ( Figura 4 ). Impedancia rueda fuera como una capacidad hasta de resonancia que se llegó. De funcionamiento muy por debajo de la frecuencia de resonancia, el piezoeléctrico puede ser modelado como un simple condensador, C _P .

Figura 4. Piezo impedancia contra frecuencia.
Piezos se puede utilizar en la frecuencia de resonancia para el free-running, las solicitudes de frecuencia fija, tales como vibradores ultrasónicos. Sin embargo, los actuadores piezoeléctricos utilizados para la regeneración táctil suelen funcionar muy por debajo de resonancia natural.
Para la retroalimentación táctil, la cuestión central no es la eficiencia de la conducción del piezoeléctrico, un concepto a menudo asociados con aplicaciones de audio. El principal problema se trata de "sentir" un toque humano. Frecuencias superiores a unos pocos cientos de Hertz no proporcionan una buena respuesta táctil y consumir energía innecesaria. veces más rápido que el giro de unos pocos milisegundos proporcionar una sensación táctil fuerte, pero producen un sonido audible indeseables haga clic .
Figura 5 muestra una forma de onda típica de una buena sensación táctil. Esta forma de onda imita la sensación de una prensa típica y la liberación en un botón mecánico. El flanco ascendente de la onda, P0 y P1, proporciona la respuesta táctil abajo de la uva, mientras que el flanco de bajada de la onda, P2 a P3, proporciona la respuesta táctil liberación. El tiempo de P1 a P2 es el tiempo que el usuario tiene la "mecánica" botón de abajo; ese intervalo será determinado por el usuario.

Figura 5. Ejemplo de forma de onda de una "buena" respuesta de retroalimentación táctil.
Al implementar un sistema de retroalimentación táctil basado en piezoeléctricos, una de las primeras decisiones es si se debe usar una sola capa o piezo actuadores de múltiples capas ( Figura 6 ). Una breve comparación de los dos tipos piezoeléctricos se muestra en laTabla 1 .
Tabla 1. Beneficio de comparación entre una capa y actuadores piezoeléctricos de múltiples capas

Disco de una capa (SLD)
Franja de multicapa (MLS)

Costo
Baja
Alto

Capacidad de carga
Baja
Alto

Voltaje de la impulsión necesaria
Alto
Baja

Fuerza
Bueno
Bueno

Montaje
Limitada
Bueno

Producción de estado
En la producción
Muestreo / bajo volumen

Disponibilidad (fuentes)
Muchos
Pocos

Figura 6. Un 100V _PP capa piezoeléctrica disco-single (SLD) a la izquierda, un 120 _PP (superior derecha) y 30V _PP (abajo a la derecha) tira piezoeléctrico multicapa (MLS).

Las decisiones de diseño

Una sola capa o de múltiples capas de configuración?

La información de la Tabla 1 sugiere el uso de la capa de actuadores piezoeléctricos sola. Ellos están más disponibles y ya en los volúmenes de producción; piezos de múltiples capas, mientras que en la producción, están menos disponibles. Además, una capa piezo sencillo cuesta mucho menos, un factor que se vuelve más importante en las soluciones con más de un piezoeléctrico. Por ejemplo, varios teléfonos inteligentes en el mercado tienen una sola capa de varios discos montados detrás de la pantalla. Una solución de múltiples capas piezoeléctrico similar costaría mucho más.

Discretos o componentes de una solución single-Chip?

Uno de los inconvenientes de la base hápticos piezo-ha sido tradicionalmente la complejidad de la solución. Típica de soluciones basadas en piezo-han utilizado componentes discretos para implementar el sistema de retroalimentación táctil completa, los componentes discretos adicionales incluyen un microcontrolador, impulso del tiempo de retorno o de carga de la bomba del circuito integrado , transformador del tiempo de retorno o inductor, las resistencias de varios, condensadores, diodos y transistores. Compare eso con-motor a base de tacto-DC que requieren pocos o ningún componente externo.
Un solo chip háptica solución monolítica como la MAX11835 tiene varias ventajas sobre los diseños discretos mayores de esa edad: menores de circuito impreso ( PCB ), la huella, una energía más baja, más baja del cuenta-de-materiales (BOM) de costos, y soporte de software simple. Si unimos esto con el bajo perfil que ofrece piezos y MAX11835 se convierte en una solución atractiva para los dispositivos portátiles de mano.
Figura 7 presenta el diagrama de bloques de una tensión háptica actuador controlador de alto monolítico.

Figura 7. Diagrama del circuito para una solución táctil de la regeneración utilizando actuadores piezoeléctricos.
La solución MAX11835 monolítica está optimizada para proporcionar:

• De una sola capa y el apoyo de múltiples capas del actuador piezoeléctrico
• Definibles por el usuario, de forma de onda en el chip de almacenamiento (a través de la interfaz en serie )
• forma de onda en el chip generador de
• Construido en CC-CC regulador del alza
• Suministro rango que admite voltajes típicos batería del teléfono celular
• pequeño factor de forma de minimizar la huella de PCB
• De baja potencia de operación

La importancia de la administración de energía

actuadores piezoeléctricos por sí mismos requieren muy poca energía en comparación con, por ejemplo, actuadores de motor de corriente continua. Sin embargo, hay otros factores de potencia a tener en cuenta:

• El poder de toma de la fuente principal para cada evento háptica
• El tipo de forma de onda para cada evento háptica
• El número de eventos por segundo
• La potencia consumida por el circuito de impulso de alta tensión

El consumo de energía mediciones se realizaron en diversos actuadores piezoeléctricos y condensadores de alta tensión con el controlador háptico actuador MAX11835. El MAX11835 reproduce una forma de onda almacenadas utilizando un software de control, fly-back convertidor elevador en un circuito de retroalimentación. Las formas de onda de prueba incluye una onda sinusoidal de 100 Hz y 20 Hz en pista.
Figuras 8 y 9A y 9B muestran la salida de la conducción de un MAX11835 175V 100Hz de onda senoidal. la corriente primaria del transformador El trazado también.

Figura 8. Salida de forma de onda y aumentar de forma de onda de alimentación de corriente de la MAX11835.

Figura 9A. Potencia vs carga para una onda senoidal continua 100Hz.

Figura 9B. impulsar la máxima fuente de alimentación de corriente de carga vs. Condiciones de ensayo: = frecuencia de onda sinusoidal de 100 Hz; elevación de tensión de alimentación = 4,2 V; disociación aumentar el suministro = 10μF; transformador de 6:1.
Un pulsar el botón es una característica común. La forma de onda en la figura 10 utiliza una carga de 40 ms, 10 ms de descarga. La carga lenta es imperceptible al tacto, y la descarga rápida se siente como un botón mecánico estar deprimido.

Figura 10. presione el botón de simulación de forma de onda.

Figura 11. Potencia vs piezo tensión parcela. pulse el botón emulado con piezos discos simples y múltiples. El rápido aumento en el poder por encima de 180V se produce cuando la pinza de primaria en el MAX11835 se enciende.
En la figura 11 la forma de onda es de funcionamiento continuo. Las escalas de apagado linealmente a medida que el ciclo de trabajo se reduce. No hubo diferencias evidentes en los datos de piezoeléctrico entre una carga mecánica (la mitad de bloqueo de la fuerza) y un actuador piezoeléctrico descargada.
Figura 12 presenta la eficiencia de los proceso de impulsar la MAX11835, medida como la energía entregada a la carga y la energía extraída de la fuente de alimentación impulso (V _Esp ).

Figura 12. la transferencia de la eficiencia energética: la energía almacenada en la carga y la pérdida de energía en V _Esp . El rápido aumento de la eficiencia por encima de 180V se produce cuando la pinza de primaria en el MAX11835 se enciende.
En la Figura 12 hay que señalar el aumento de la eficiencia como la capacidad de carga aumenta. Esto se debe a la quieta potencia requerida por el circuito del alza.

MAX11835 energía contra energía Actuador Motor

Energía consumida por el MAX11835 se compara favorablemente con base actuadores de motor, incluyendo rotación de masa excéntrica (MTC), lineal actuador resonante (LRA), y la bobina tipos de voz.
actuadores de motor basado normalmente requieren bajos voltajes (1,8 V a 3V), pero las corrientes pueden ser bastante grandes.Además, el encendido y apagado de los motores de características, tipos, especialmente el MTC, son menos que ideales para la respuesta háptica nítida necesaria para emular los botones y texturas.
Las medidas comparativas se realizaron en los actuadores se muestra en la Tabla 2 y Figura 13 . Hay dos tipos de mediciones han sido recogidos, la operación continua y la puesta a punto. La operación continua generalmente no es un caso realista, ya que muchas respuestas táctiles son de corta duración, incluso para la emulación de la superficie con textura.
Tabla 2. Consumo de energía para los actuadores basados ​​en motor.

† Con ~ 3V a través del motor, el tiempo para alcanzar el 50% del máximo de RPM.
* Aproximadamente una mitad de la frecuencia resonante en 2V _RMS .

Figura 13. Los actuadores que fueron comparados y dio los datos para la Tabla 2.
La figura 14 muestra la disipación de energía para la operación continua. En este gráfico el piezos se conducen con una onda sinusoidal de 100 Hz de amplitud continua en 180V. Los actuadores otros son conducidos, ya sea con 3 V _DC o 2V _RMS (LRA y la bobina de voz).

Figura 14. La operación continua de los actuadores de varias.
La figura 15 muestra la disipación de energía para la puesta a punto. Para este gráfico los actuadores fueron conducidos con un pulso de 50 ms que emulado presionar un botón. Los actuadores piezoeléctricos se vieron obligados a 180V amplitud y los actuadores otros fueron expulsados, ya sea con 3 V _DC o 2V _RMS (LRA y de bobina de voz).

Figura 15. la puesta a punto para los actuadores de varios.

Conclusiones

Varias conclusiones pueden extraerse de la discusión previa. Es evidente que, de una sola capa, no actuadores de múltiples capas, piezoeléctricos son una solución de diseño más atractivo en la actualidad por varias razones:

• Menor costo
• Disponible a partir de muchas fuentes
• En la producción en masa
• Diseños personalizados disponibles
• Se puede montar detrás o al lado de la pantalla LCD

Los datos muestran que el poder debe ser calculado para el circuito de retroalimentación háptica de la red eléctrica. La amplitud de la onda, tipo y duración afecta el uso de energía como resultado y respuesta háptica.
El número de eventos por segundo también afecta el uso de energía. Considere los eventos de desplazamiento o la textura vs tocando o escribiendo lento. Por último, la normalización de las mediciones a un evento por segundo hace comparaciones simples.
El autor desea agradecer a sus colegas en Maxim para apoyar este proyecto y recopilar datos sobre los actuadores hápticos diferentes.

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