Perché gli elementi piezoelettrici sono ideali per il feedback aptico nell’elettronica

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Di Jeff Smoot, Same Sky

Che cos’è il feedback aptico?

Il termine “aptico” deriva da una parola greca che significa afferrare o percepire. Nell’uso moderno, l’aptica si riferisce specificamente al senso del tatto. In varie applicazioni elettroniche viene anche utilizzato per denominare il feedback di forza e tattile incorporato in un dispositivo per migliorare l’interazione dell’utente con quel prodotto o sistema.

Utilizzando vibrazioni, movimenti e forze prodotte da diverse tecnologie di attuatori meccanici, il feedback aptico può simulare realisticamente le caratteristiche fisiche di un oggetto, come la pressione, il peso e la consistenza. Il feedback aptico aggiunge il terzo senso del tatto (oltre a vista e udito) all’interazione tra utente e macchina. Questo serve a migliorare l’interazione fisica con un’interfaccia digitale attraverso il miglioramento degli input del dispositivo e la conferma delle azioni dell’utente. Può anche simulare la manipolazione di oggetti nel mondo virtuale.

La facilitazione dell’esperienza dell’utente con la tecnologia aptica ha portato a una rapida accettazione e crescita del suo utilizzo nei mercati consumer, industriali, commerciali e militari, compresi i prodotti e i sistemi nei settori del gioco, dell’automobile e della sanità.

Cosa sono gli attuatori aptici?

Le sensazioni fisiche nei prodotti sono prodotte da attuatori aptici, dispositivi elettromeccanici che generano vibrazioni, movimenti o pressioni. Gli attuatori aptici utilizzano diverse tecnologie per produrre il movimento, tra cui:

• L’attuazione piezoelettrica utilizza un elemento piezoelettrico che si deforma e vibra quando viene applicato un campo elettrico. Visualizza l’offerta di elementi piezoelettrici dei prodotti Same Sky.
• L’azionamento del motore a vibrazione (o massa rotante eccentrica) utilizza un peso sbilanciato collegato a un albero motore per produrre vibrazioni a bassa frequenza .
• L’attuazione dei polimeri elettroattivi sfrutta la deformazione del materiale polimerico in un campo elettrico per produrre vibrazioni.
• L’attuazione a risonanza lineare utilizza un magnete che oscilla ad una frequenza specifica grazie ad una forza elettromagnetica applicata per produrre vibrazioni.
• L’azionamento della bobina mobile utilizza il movimento di una bobina in un campo magnetico quando viene applicata una corrente per produrre varie frequenze e vibrazioni.

Ciascuna di queste tecnologie offre ai progettisti caratteristiche diverse per quanto riguarda la frequenza di vibrazione, il consumo energetico o il livello di precisione, rendendole adatte a molte applicazioni di prodotto diverse a seconda del livello di feedback aptico desiderato.

Che cos’è l’effetto piezoelettrico?

L’effetto piezoelettrico è la capacità di alcuni materiali di produrre una carica elettrica quando viene loro applicata una sollecitazione meccanica. Questo processo è anche reversibile, il che significa che l’applicazione di un campo elettrico ai materiali piezoelettrici provocherà una deformazione meccanica che si tradurrà in vibrazioni o movimenti.

Come vengono utilizzati gli elementi piezoelettrici nei progetti di feedback aptico?

L’effetto piezoelettrico inverso viene impiegato negli elementi piezoelettrici utilizzati nei progetti aptici. Grazie all’effetto piezoelettrico, gli elementi piezoelettrici possono essere utilizzati anche come sensori di forza in un prodotto o in un sistema, se necessario.

Alcuni elementi piezoelettrici sono costituiti da due strati incollati tra loro con polarizzazione opposta. Quando viene applicata una tensione, uno strato si espande e l’altro si contrae, provocando la flessione dell’attuatore. Questo porta al nome comune di “piezo bender” per gli elementi piezo. Questo movimento di flessione, rispetto a quello lineare, è utile nelle applicazioni che richiedono uno spostamento preciso e su piccola scala.

Gli elementi piezoelettrici multistrato sono costruiti con più strati di materiale piezoelettrico e producono una forza e uno spostamento maggiori a tensioni inferiori rispetto agli elementi monostrato. Questa caratteristica è preziosa per le applicazioni che richiedono movimenti più ampi a una potenza inferiore e che dispongono di spazio per il dispositivo più grande.

Questa deflessione, o flessione, degli elementi piezoelettrici è direttamente proporzionale al segnale di controllo e può essere mantenuta in una posizione fissa o fatta vibrare. Questo controllo indipendente della posizione e dell’ampiezza può consentire di ottenere segnali dettagliati in grado di trasmettere più informazioni rispetto ad altre tecnologie di attuatori.

Un elemento piezoelettrico può essere spostato con un segnale relativamente piccolo

Quali sono i vantaggi degli elementi piezoelettrici nei progetti di feedback aptico?

Gli elementi piezoelettrici utilizzati nelle applicazioni di feedback aptico sfruttano l’effetto piezoelettrico per fornire un feedback aptico rapido, forte e nitido. Il tempo di risposta tipico degli elementi piezoelettrici utilizzati nelle applicazioni aptiche è di un millisecondo o meno, il che li rende ideali per le applicazioni che richiedono un’elevata precisione e un feedback rapido. Inoltre, funzionano a livelli di potenza inferiori rispetto alle tecnologie alternative perché non richiedono il movimento di una grande massa all’interno dell’attuatore. Questo funzionamento a bassa potenza consente inoltre di utilizzarli in sistemi alimentati a batteria per il funzionamento a distanza o la portabilità.

Il profilo compatto e sottile degli elementi piezoelettrici può anche consentire al progettista di utilizzare più elementi piezoelettrici in un progetto per fornire una risposta aptica più forte e un feedback più localizzato all’utente.

Gli elementi piezoelettrici sono ampiamente configurabili in frequenza, ampiezza e forma d’onda. La disponibilità in varie dimensioni, forme, spessori, tensioni, forze, capacità nominali e tecniche di montaggio li rende utili in un’ampia gamma di applicazioni. Possono anche essere personalizzati per soddisfare esigenze specifiche.

Considerazioni sulla progettazione degli elementi piezoelettrici per i sistemi di feedback aptico

Nella progettazione di un sistema di retroazione aptica che utilizza elementi piezoelettrici è necessario prendere in considerazione diversi fattori. Questi includono:

• Determinazione della massa che deve essere spostata (fatta vibrare) per corrispondere alla forza richiesta nell’attuatore .
• Decidere se è necessario un elemento piezoelettrico a strato singolo o multistrato
• Comprendere le dimensioni o il volume dello spazio disponibile nel progetto per il sistema aptico.
• Determinazione dell’asse di movimento richiesto dall’elemento piezoelettrico
• Verifica della fonte di alimentazione disponibile nel prodotto e del carico capacitivo dell’elemento per determinare il driver piezoelettrico appropriato
• Determinazione della gamma di frequenze o del target desiderato
• Determinare l’intervallo di temperatura operativa del prodotto o del sistema per abbinarlo all’elemento piezoelettrico appropriato.

Applicazioni di feedback aptico comuni per gli elementi piezoelettrici

Gli elementi piezoelettrici generano un feedback aptico preciso e rapido, adatto a molti prodotti e mercati esistenti ed emergenti, tra cui:

• Touch screen in computer, automobili, apparecchiature mediche e di test
• Feedback del sistema del veicolo nelle automobili e in altri mezzi di trasporto
• Smartphone
• Controlli industriali
• Controller di gioco
• Elettrodomestici smart
• Elettronica indossabile
• Sistemi di realtà virtuale per la formazione, l’istruzione o il divertimento
• Simulazione chirurgica e procedure mediche a distanza
• Dispositivi di feedback per la riabilitazione fisica

Riepilogo

La progettazione e la realizzazione di un feedback aptico utile e accettabile per l’utente in un prodotto o in un sistema richiede un’attenta considerazione dei fattori dell’attuatore, come la forza delle vibrazioni, la sensibilità, la precisione, il fattore di forma e il consumo energetico. Gli elementi piezoelettrici offrono un funzionamento preciso ed efficiente in un’ampia gamma di requisiti operativi, rappresentando il modo ideale per implementare questa tecnologia in rapida crescita. Gli elementi piezoelettrici di Same Sky offrono un’ampia gamma di dimensioni per soddisfare i requisiti di molte esigenze di rilevamento delle vibrazioni o di feedback tattile.

Punti chiave

• Il feedback aptico migliora l’interazione dell’utente con i dispositivi elettronici, simulando sensazioni tattili come vibrazioni, pressione e consistenza.
• Gli attuatori aptici sono componenti elettromeccanici che creano sensazioni fisiche utilizzando tecnologie come l’attuazione piezoelettrica, a bobina mobile e a risonanza lineare.
• Gli elementi piezoelettrici sfruttano l’effetto piezoelettrico inverso per fornire segnali tattili precisi, reattivi e a basso consumo in tempo reale.
• Gli elementi piezoelettrici e gli elementi piezoelettrici multistrato offrono diversi profili di movimento, uscite di forza e requisiti di tensione per le varie esigenze di progettazione.
• La flessibilità di progettazione è un vantaggio fondamentale degli elementi piezoelettrici, con possibilità di scelta tra forma, dimensioni, forza nominale, risposta in frequenza e stili di montaggio.
• Il basso consumo energetico e l’elevata reattività rendono gli elementi piezoelettrici ideali per le applicazioni di feedback aptico portatili e alimentate a batteria.
• I progettisti devono considerare lo spostamento della massa, l’asse di movimento, la potenza disponibile, l’intervallo di frequenza e le condizioni di temperatura per ottenere prestazioni ottimali quando utilizzano elementi piezoelettrici.
• Le applicazioni più comuni di feedback aptico includono smartphone, controlli automobilistici, dispositivi medici, sistemi industriali, giochi e piattaforme di realtà virtuale.

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