اصطلاح "هپتیک" از یونانی گرفته شده و به معنای "گرفتن" یا "درک" است. در مهندسی، به تکنیک استفاده از لمس اشاره دارد. در سیستم های الکترونیکی،لمس معمولاً برای توصیف نیروی یا مکانیسم های بازخورد لمسی که در دستگاه ها برای افزایش تعامل انسان و ماشین ادغام شده است استفاده می شود.
از دیدگاه مهندسی، بازخورد لمسی معمولاً از طریق محرک های مکانیکی به دست می آید. این محرک ها می توانند ارتعاشات، حرکات یا نیروهای کنترل شده تولید کنند،از جمله موتورهای دارای جرم چرخش منحرف (ERM)، محرک های رزونانس خطی (LRAs) ، و عناصر پیزو الکتریکی، که می توانند احساسات فیزیکی را در دنیای واقعی مانند فشار، وزن و بافت سطح شبیه سازی کنند.,تکنولوژی لمسی، نشانه های بصری و شنوایی را تکمیل می کند و رابط های دیجیتال را بصری تر و پاسخگوتر می کند.این امر به ویژه برای برنامه هایی که نیاز به تأیید دقیق ورودی یا تجربه کاربر عمیق دارند، مهم است.، از جمله دستکاری اشیاء مجازی.
تقاضای رو به افزایش برای تعامل تقویت شده، استفاده از تکنولوژی لمسی را در زمینه های مختلف تسریع کرده است.از کنترل کننده های بازی و صفحه نمایش لمسی در الکترونیک مصرفی تا کنترل کننده های بازخورد در داشبورد خودرو و شبیه سازی جراحی در مراقبت های بهداشتیاین مقاله مقدمه ای دقیق از بازخورد لمسی را ارائه می دهد.از جمله فن آوری های پایه و مزایای استفاده از عناصر پیزو الکتریکی در فن آوری لمسی.
تکنولوژی های عمومی دستگاه های حرکتی لمسی
اکتور لمسی یک سنسور الکترومکانیکی است که احساسات لمسی مانند لرزش، جابجایی یا فشار را با تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت مکانیکی ایجاد می کند.این محرک هسته عملکردی سیستم بازخورد لمسی است، که می تواند پاسخ فیزیکی دقیق در رابط کاربری را به دست آورد.
برای سیستم های لمسی، تکنیک های مختلف حرکتی وجود دارد که هرکدام دارای اصول کار و ویژگی های عملکرد منحصر به فرد خود هستند:
محرک های پیزو الکتریکی از عناصر پیزو الکتریکی برای تولید تغییر شکل مکانیکی و نوسانات تحت تأثیر یک میدان الکتریکی خارجی استفاده می کنند و در نتیجه فرکانس بالا را فراهم می کنندجابجایی کوچک، و سیگنال های بازخورد با تاخیر کم (لطفا به مجموعه عناصر Piezoelectric Same Sky مراجعه کنید).
موتور جرم چرخش منحرف (ERM) شامل بلوک های جرم منحرف بر روی شاخه موتور DC است.چرخش یک بار نامتعادل معمولاً باعث ایجاد نیروهای ارتعاش فرکانس پایین می شوداین فناوری معمولاً در دستگاه های تلفن همراه و برنامه های کم هزینه استفاده می شود.
محرک های پلیمر الکترو فعال (EAP) از پلیمرهای دی الکتریک استفاده می کنند که تحت تأثیر یک میدان الکتریکی گسترش یا انقباض می یابند. این نوع مواد می توانند منحنی های حرکت صاف و انعطاف پذیر ایجاد کنند.اما معمولاً نیاز به ولتاژ های بالاتر دارد..
اصل کار یک محرک رزونانت خطی (LRA) این است که یک بلوک مغناطیسی را در امتداد یک محور واحد با استفاده از یک میدان الکترومغناطیسی متناوب هدایت کند.تنظیم LRA به فرکانس رزونانس می تواند بازخورد جهت دارانه ای با زمان پاسخ کارآمدتر و سریعتر فراهم کند.
عامل کویل صدا (VCA) از اصل نیروی لورنتز استفاده می کند ، به این معنی که یک کویل معلق در یک میدان مغناطیسی تحت تأثیر جریان به صورت خطی حرکت می کند.VCA در باند پهن کار می کند و می تواند به دقت دامنه و فرکانس را کنترل کند.
هر نوع محرک نیاز به تعادل بین پاسخ فرکانس، بهره وری انرژی، پیچیدگی ادغام و وفاداری بازخورد دارد.انتخاب خاص بستگی به کاربرد هدف دارد - آیا این نشانه های لمسی ظریف در دستگاه های پوشیدنی است، لمس عمیق در رابط های AR / VR، یا بازخورد قوی در صفحه های لمسی خودرو.
دانش پایه از اجزای پیزو الکتریکی در بازخورد لمسی
اثر پیزو الکتریکی به تولید بار الکتریکی در مواد خاص در هنگام قرار گرفتن در معرض استرس مکانیکی اشاره دارد. مهم است که این پدیده قابل برگشت است:هنگامی که یک میدان الکتریکی به این مواد اعمال می شوداین ویژگی برگشت پذیر اصل کار اصلی محرک های پیزو الکتریکی است که در سیستم های بازخورد لمسی استفاده می شود.
در کاربردهای لمسی، عناصر پیزو الکتریکی عمدتاً توسط اثرات معکوس برای تولید جابجایی یا ارتعاش در مقیاس کوچک بر اساس ولتاژ ورودی هدایت می شوند.این قطعات همچنین می توانند به عنوان سنسورهای فشار یا فشار پیکربندی شوند، ادغام قابلیت دوگانه در رابط های حساس لمس یا سیستم های حلقه بسته.
دستگاه خم کردن پیزوالکتریک یک ساختار عمومی محرک است که از دو لایه پیزوالکتریک با قطب بندی های مخالف با یکدیگر ترکیب شده است.یک لایه گسترش می یابد در حالی که لایه دیگر انقباض خواهد شداین نوع جابجایی انعطاف پذیر برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالا و حرکت محلی دارند بسیار مناسب است.
در مقابل، عناصر پیزو الکتریکی چند لایه ای بسیاری از لایه های نازک پیزو الکتریکی را به طور موازی انباشته می کنند و قدرت خروجی مکانیکی را به طور قابل توجهی افزایش می دهند در حالی که ولتاژ عملیاتی را کاهش می دهند.در مواردی که نیروی بیشتر یا جابجایی بیشتر مورد نیاز است، مانند در سیستم های جاسازی شده با قدرت کم با سطوح لمس بزرگ یا دامنه ولتاژ محدود، این سازه ها مزایای قابل توجهی دارند.
دامنه انحراف عناصر پیزو الکتریکی متناسب با سیگنال ورودی است، بنابراین کنترل وضوح بالا از موقعیت ثابت و منحنی های ارتعاش پویا به دست می آید.برخلاف بسیاری از انواع دیگر محرک ها، عناصر پیزو الکتریکی می توانند موقعیت و دامنه خود را به طور مستقل تنظیم کنند، که آنها را برای کاربردهایی که نیاز به تفاوت های سیگنال ظریف یا بازخورد کدگذاری دارند بسیار مناسب می کند.
خم کردن قطعات پیزو الکتریکی
شکل ۱: "کج شدن" اجزای پیزو الکتریکی (منبع تصویر: Same Sky)
مزایای عناصر پیزو الکتریکی در طراحی لمسی
عناصر پیزو الکتریکی مورد استفاده در سیستم های بازخورد لمسی از اثر ضد پیزو الکتریکی برای تولید جابجایی مکانیکی سریع و با نیروی بالا استفاده می کنند.خواص ذاتی مواد عناصر پیزو الکتریکی به طور معمول منجر به زمان پاسخ کمتر از 1 میلی ثانیه می شود، امکان بازخورد لمسی در زمان واقعی با حداقل تاخیر را فراهم می کند، که در برنامه هایی که نیاز به دقت بالا و پاسخ فوری کاربر دارند بسیار مهم است.
برخلاف محرک های محرک جرم مانند ERM یا LRA ، دستگاه های پیزو الکتریکی به بی وقفه یا رزونانس اجزای تعلیق تکیه نمی کنند.دستگاه های پیزو الکتریکی مصرف برق کمتری دارند و زمان تثبیت سریع تری دارنداین ویژگی ها دستگاه های پیزو الکتریکی را به ویژه برای ادغام در سیستم های باتری یا قابل حمل که در آن بهره وری انرژی و ابعاد خارجی به شدت محدود است، مناسب می کند.
شکل هندسی باریک و مسطح عناصر پیزو الکتریکی یکپارچه سازی مکانیکی را تسهیل می کند.مهندسان می توانند چندین محرک پیزو الکتریکی را در یک طراحی واحد قرار دهند تا خروجی شبکه لمسی را تقویت کنند یا تجزیه و تحلیل توزیع فضایی سیگنال های لمسی را در رابط کاربری به دست آورنددر کاربردهایی مانند پد های لمسی، دستگاه های پوشیدنی و صفحه نمایش لمسی ظرفیت، این پیکربندی ها می توانند برای شبیه سازی حرکت، نشانه های جهت یا گرادیانت فشار استفاده شوند.
محرک های پیزو الکتریکی از نظر فرکانس سیگنال رانندگی، دامنه و شکل موج قابل تنظیم هستند و از بافت ها و اثرات بازخورد مختلف پشتیبانی می کنند.این تکنولوژی همچنین انواع مختلفی از اشکال مکانیکی و الکتریکی را ارائه می دهد.، از جمله قطر، ضخامت، ولتاژ نامی و روش های نصب سفارشی، ارائه راه حل های سفارشی برای بازارهای خودرو، پزشکی، صنعتی و الکترونیک مصرفی.
ملاحظات طراحی اجزای پیزو الکتریکی
طراحی یک سیستم بازخورد لمسی مبتنی بر فناوری پیزو الکتریکی مستلزم بررسی دقیق عوامل کلیدی زیر است:
بلوک درایو: نیروی میله فشار را با بار بی وقفه مطابقت دهید تا انتقال ارتعاش موثر را تضمین کنید.
نوع قطعات: انتخاب قطعات تک لایه یا چند لایه بر اساس ولتاژ، جابجایی و محدودیت اندازه.
سطح پوشش مکانیکی: اطمینان حاصل کنید که محرک در فضای موجود نصب شده است.
محور فعال سازی: جهت حرکت را برای انتخاب شکل مناسب مجموعه قطعات تعیین کنید.
منبع برق و راننده: منبع برق سیستم را با بار ظرفیت دستگاه پیزو الکتریکی مطابقت دهید و راننده های سازگار را برای دستیابی به تحریک کارآمد انتخاب کنید.
نیاز به فرکانس: فرکانس رزونانس یا پهنای باند مورد نیاز قطعه را برای به دست آوردن بازخورد لمسی بهینه تعیین کنید.
شرایط حرارتی: تأیید کنید که محدوده دمای عملیاتی عنصر پیزو الکتریکی شرایط محیطی سیستم را برآورده می کند.