Thuật ngữ 'haptic' có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp và có nghĩa là 'giữ' hoặc 'nhận thức'. Trong kỹ thuật, nó đề cập đến kỹ thuật sử dụng cảm ứng.cảm ứng thường được sử dụng để mô tả cơ chế phản hồi lực hoặc cảm ứng được tích hợp vào các thiết bị để tăng cường tương tác giữa con người và máy.
Từ góc độ kỹ thuật, phản hồi cảm giác thường đạt được thông qua các bộ điều khiển cơ học.bao gồm cả động cơ có khối lượng xoay đặc (ERM), động cơ cộng hưởng tuyến tính (LRAs) và các yếu tố piezoelectric, có thể mô phỏng cảm giác vật lý trong thế giới thực như áp suất, trọng lượng và kết cấu bề mặt.,công nghệ cảm giác bổ sung cho các tín hiệu thị giác và thính giác, làm cho giao diện kỹ thuật số trực quan hơn và đáp ứng nhanh hơn.Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng đòi hỏi xác thực đầu vào chính xác hoặc trải nghiệm người dùng nhập vai, bao gồm cả thao tác đối tượng ảo.
Nhu cầu ngày càng tăng về sự tương tác tăng cường đã đẩy nhanh việc áp dụng công nghệ cảm giác trong nhiều lĩnh vực.Từ các bộ điều khiển trò chơi và màn hình cảm ứng trong thiết bị điện tử tiêu dùng đến các bộ điều khiển phản hồi trong bảng điều khiển xe hơi và mô phỏng phẫu thuật trong y tế, công nghệ cảm giác đang trở thành một thành phần quan trọng của trải nghiệm người dùng và chức năng hệ thống.bao gồm các công nghệ cơ bản và lợi thế của việc sử dụng các yếu tố piezoelectric trong công nghệ cảm giác.
Công nghệ thiết bị điều khiển cảm giác chung
Máy điều khiển cảm ứng là một cảm biến điện cơ tạo ra cảm giác cảm ứng như rung động, dịch chuyển hoặc áp suất bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học.Động lực này là lõi chức năng của hệ thống phản hồi cảm giác, có thể đạt được phản ứng vật lý chính xác trong giao diện người dùng.
Có nhiều kỹ thuật điều khiển có sẵn cho các hệ thống cảm giác, mỗi hệ thống có nguyên tắc hoạt động và đặc điểm hiệu suất độc đáo của riêng nó:
Các thiết bị điều khiển piezoelectric sử dụng các yếu tố piezoelectric để tạo ra biến dạng và dao động cơ học dưới tác động của một trường điện bên ngoài, do đó cung cấp tần số cao,dịch chuyển nhỏ, và tín hiệu phản hồi chậm trễ thấp (làm ơn tham khảo loạt các yếu tố piezoelectric Same Sky).
Động cơ khối quay đặc (ERM) bao gồm các khối khối đặc được lắp đặt trên trục động cơ DC. Khi lái xe,xoay của một tải không cân bằng thường tạo ra lực rung tần số thấpCông nghệ này thường được sử dụng trong các thiết bị di động và các ứng dụng chi phí thấp.
Máy điều khiển polymer điện hoạt (EAP) sử dụng các polyme dielektrik mở rộng hoặc co lại dưới tác động của một trường điện.nhưng thường đòi hỏi điện áp lái xe cao hơn.
Nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển cộng hưởng tuyến tính (LRA) là điều khiển một khối từ theo một trục duy nhất bằng cách sử dụng trường điện từ xoay chiều.điều chỉnh LRA theo tần số cộng hưởng có thể cung cấp phản hồi hướng thời gian phản hồi hiệu quả hơn và nhanh hơn.
Máy điều khiển cuộn dây giọng nói (VCA) sử dụng nguyên tắc lực Lorentz, có nghĩa là một cuộn dây treo trong một từ trường sẽ di chuyển tuyến tính dưới tác động của dòng điện.VCA hoạt động trong băng thông rộng và có thể điều khiển chính xác chiều rộng và tần số.
Mỗi loại động cơ đòi hỏi sự cân bằng giữa phản ứng tần số, hiệu quả điện, độ phức tạp tích hợp và độ trung thực phản hồi.Sự lựa chọn cụ thể phụ thuộc vào ứng dụng mục tiêu - cho dù đó là tín hiệu cảm giác tinh tế trong các thiết bị đeo, cảm ứng nhập vai trong giao diện AR / VR, hoặc phản hồi mạnh mẽ trong màn hình cảm ứng xe hơi.
Kiến thức cơ bản về các thành phần piezoelectric trong phản hồi cảm giác
Hiệu ứng piezoelectric đề cập đến việc tạo ra điện tích trong một số vật liệu khi chịu căng thẳng cơ học. Quan trọng là hiện tượng này có thể đảo ngược:khi một trường điện được áp dụng cho các vật liệu nàyĐặc điểm đảo ngược này là nguyên tắc hoạt động cơ bản của các thiết bị điều khiển piezoelectric được sử dụng trong các hệ thống phản hồi cảm giác.
Trong các ứng dụng cảm giác, các yếu tố piezoelectric chủ yếu được điều khiển bởi các hiệu ứng ngược để tạo ra sự dịch chuyển quy mô vi mô hoặc rung động dựa trên điện áp đầu vào.Các thành phần này cũng có thể được cấu hình như cảm biến lực hoặc áp suất, tích hợp chức năng kép vào các giao diện cảm ứng nhạy cảm hoặc hệ thống vòng kín.
Thiết bị uốn cong piezoelectric là một cấu trúc actuator phổ biến bao gồm hai lớp piezoelectric với các phân cực đối diện liên kết với nhau.một lớp sẽ mở rộng trong khi lớp khác sẽ co lạiLoại dịch chuyển uốn cong này rất phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và chuyển động cục bộ.
Ngược lại, các yếu tố piezo điện đa lớp xếp chồng nhiều lớp piezo điện mỏng song song, tăng đáng kể công suất đầu ra cơ học trong khi giảm điện áp hoạt động.Trong các tình huống đòi hỏi lực lượng hoặc dịch chuyển lớn hơn, chẳng hạn như trong các hệ thống nhúng năng lượng thấp với bề mặt cảm giác lớn hoặc kích thước điện áp hạn chế, các cấu trúc này có lợi thế đáng kể.
Phạm vi lệch của các yếu tố piezoelectric là tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào, do đó đạt được kiểm soát độ phân giải cao của vị trí tĩnh và đường cong rung động động.Không giống như nhiều loại động cơ khác, các phần tử piezoelectric có thể tự điều chỉnh vị trí và kích thước của chúng, làm cho chúng rất phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi sự khác biệt tín hiệu tinh tế hoặc phản hồi mã hóa.
Các thành phần piezoelectric "bẻ cong"
Hình 1: "Việc uốn cong" của các thành phần piezoelectric (nguồn hình: Same Sky)
Ưu điểm của các yếu tố piezoelectric trong thiết kế cảm giác
Các yếu tố piezoelectric được sử dụng trong các hệ thống phản hồi cảm giác sử dụng hiệu ứng chống piezoelectric để tạo ra sự dịch chuyển cơ học nhanh chóng, lực cao.Các tính chất vật liệu vốn có của các yếu tố piezoelectric thường dẫn đến thời gian phản ứng dưới 1 millisecond, cho phép phản hồi cảm giác theo thời gian thực với sự chậm trễ tối thiểu, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và phản hồi ngay lập tức của người dùng.
Không giống như các thiết bị điều khiển bằng khối lượng như ERM hoặc LRA, các thiết bị piezoelectric không dựa vào quán tính hoặc cộng hưởng của các thành phần treo.Các thiết bị piezoelectric có mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn và thời gian ổn định nhanh hơnCác đặc điểm này làm cho các thiết bị piezo điện đặc biệt phù hợp để tích hợp vào các hệ thống chạy bằng pin hoặc di động, nơi hiệu quả năng lượng và kích thước bên ngoài bị hạn chế nghiêm ngặt.
Hình dạng hình học mỏng và phẳng của các yếu tố piezoelectric tạo điều kiện cho sự tích hợp cơ học nhỏ gọn.các kỹ sư có thể nhúng nhiều bộ điều khiển piezoelectric trong một thiết kế duy nhất để khuếch đại đầu ra lưới cảm giác hoặc đạt được phân tích phân phối không gian của tín hiệu cảm giác trên giao diện người dùngTrong các ứng dụng như bàn phím cảm ứng, thiết bị đeo và màn hình cảm ứng dung lượng, các cấu hình này có thể được sử dụng để mô phỏng chuyển động, tín hiệu hướng hoặc gradient áp suất.
Các bộ điều khiển sợi điện có khả năng cấu hình cao về tần số tín hiệu điều khiển, kích thước và hình dạng sóng, hỗ trợ các kết cấu và hiệu ứng phản hồi khác nhau.công nghệ cũng cung cấp một loạt các hình thức cơ học và điện, bao gồm đường kính, độ dày, điện áp định giá và phương pháp lắp đặt tùy chỉnh, cung cấp các giải pháp phù hợp cho thị trường ô tô, y tế, công nghiệp và điện tử tiêu dùng.
Các cân nhắc thiết kế cho các thành phần piezoelectric
Thiết kế một hệ thống phản hồi cảm giác dựa trên công nghệ piezoelectric đòi hỏi phải xem xét cẩn thận các yếu tố chính sau:
Khối truyền động: Khớp lực thanh đẩy với tải độ trật để đảm bảo truyền rung hiệu quả.
Loại thành phần: Chọn các thành phần một lớp hoặc nhiều lớp dựa trên điện áp, thay thế và giới hạn kích thước.
Bề mặt bao bì cơ học: Đảm bảo rằng bộ điều khiển được lắp đặt trong không gian có sẵn.
Trục kích hoạt: Xác định hướng chuyển động để chọn hình dạng phù hợp của bộ thành phần.
Nguồn cung cấp điện và trình điều khiển: Khớp nguồn cung cấp điện của hệ thống với tải trọng dung lượng của thiết bị piezoelectric, và chọn các trình điều khiển tương thích để đạt được kích thích hiệu quả.
Yêu cầu tần số: Xác định tần số cộng hưởng hoặc băng thông yêu cầu của thành phần để có được phản hồi cảm giác tối ưu.
Điều kiện nhiệt: Xác nhận rằng phạm vi nhiệt độ hoạt động của phần tử piezoelectric đáp ứng các điều kiện môi trường của hệ thống.