Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Till exempel kan konsumenter sakna tydligheten som ett klick från en mekanisk brytare ger och inom industri kan det vara svårt att få knapptryckningar att registreras på pekskärmar när användaren har handskar.
Haptisk återkoppling, där vibrationer indikerar att knappar aktiveras, har använts för att skapa beröringsåterkoppling från pekskärmar, men dagens lösningar använder ofta skrymmande och komplexa mekaniska system. Dessa inkluderar vibrationsmotorer med excentrisk roterande massa (ERM) och linjära resonanta aktuatorer (LRA:er). Piezo­elektrisk haptisk återkoppling är ett mer kompakt och flexibelt alternativ. Till nyligen gjorde dock den höga driftspänningen tekniken svår att använda i tillämpningar med låg effektförbrukning, vilket är ett viktigt krav i batteridrivna slutprodukter.

Framsteg inom piezoelektriska haptiska lösningar med hög upplösning adresserar problemet med hög effektförbrukning, men ger också andra fördelar när ett haptiskt gränssnitt konstrueras. Några exempel är ett kompakt format med låg profil, återkoppling med hög kraft och snabb responstid.

Den här artikeln tar först upp fördelarna med nya piezoelektriska haptiska aktuatorer jämfört med ERM:er och LRA:er. Därefter presenteras en ny kretsgeneration som bygger på flerlagerstrukturer och bipolära teknik, som tillsammans med effektiva drivkretsar åtgärdar tidigare problem kring effektfförbrukning. Artikeln visar även hur konstruktörer kan utnyttja dessa aktuatorer och drivkretsar i produkter med pekskärmar med haptisk återkoppling.

Konstruktörer som vill lägga till haptisk återkoppling i sina pekskärmsgränssnitt kan välja mellan tre alternativ: ERM:er, LRA:er och piezoelektriska aktuatorer. Alla tre utnyttjar samma grundprincip där en styrkrets övervakar driften och en drivkrets styr ett aktuator som skapar vibrationer (figur 1). Skillnaderna ligger i hur vibrationerna skapas. ERM använder en excentrisk roterande vikt, LRA använder en magnetisk vikt upphängd i fjädrar och den piezoelektriska enheten bygger på den omvända piezoelektriska effekten som orsakar en förändring i dimensionerna hos en kristall eller ett keramiskt objekt när den exponeras för ett elektriskt fält.

ERM:er och LRA:er har varit populära i bärbara konstruktioner eftersom de erbjuder ett lågspänningsalternativ (ca 3 V) och endast behöver enkel drivning. Konventionella piezoelektriska enheter kräver mycket högre spänningar – upp till 200 V – för att skapa tillräcklig mekanisk återkoppling, och därmed en bra användarupplevelse. De höga spänningarna krävs för att enheterna som driver typiskt bygger på nedskalad teknik för ljudförstärkare. De har inte utformats med tanke på låg strömförbrukning. Ytterligare en utmaning har varit bristen på specialiserade strömsnåla haptiska drivare för aktuatorer, vilket tvingat konstruktörerna att välja mind­re effektiva lösningar.

Piezoelektriska lösningar har fördelen att de stödjer högupplöst haptik som förbättrar återkopplingen jämfört med enkla, monotona vibrationer. Exempelvis kan piezoelektriska aktuatorer skapa vibrationer som varierar i frekvens och amplitud, och de kan användas för att uttrycka olika känslor vid en knapptryckning (figur 2).

Lösningar med högupplöst haptisk återkoppning kräver:
• Bred bandbredd – ger många olika ­vibrationsfrekvenser och lägen
• Hög acceleration [g] – ger starkare ­återkopplingskraft
• Stor rörelsefrihet – ökar känsligheten i den haptiska återkopplingen
• Kort fördröjning – snabb svarstid ökar omfånget av återkopplingen

Tabell 1 sammanfattar prestanda för var och en av de haptiska återkopplingslösningarna och visar att piezoelektriska lösningar är det enda alternativet för högupplösta tillämpningar eftersom de erbjuder en kombination av alla egenskaper nämnda ovan.

Drivkretsar för piezoelektriska aktuatorer är mer komplexa eftersom de kan alstra anpassade vågformer, vilket ERM och LRA inte har stöd för.

De senaste piezoelektriska aktuatorerna och drivkretsarna har gjort tekniken mycket mer anpassad för batteridrivna lösningar. Det finns till exempel piezoelektriska haptiska produkter, som TDK:s PowerHap B54102H1020A001 (upptar 12,7 mm2) och B54101H1020A001 (26 mm2), som båda är lägre än 2,5 mm. De har en flerlagers- istället för enlagerstruktur, som används av enheter baserade på ljudförstärkarteknik. Flerlagerstrukturen sänker drivspänningen till 60–120 V.

Varje lager hos TDK:s flerlagerprodukt expanderar bara väldigt lite i z-riktningen på grund av den omvända piezoelektriska effekten. Samtidigt samverkar lagren i x- och y-riktning eftersom den piezoelektriska enheten måste behålla en konstant volym.

TDK:s produkter förstärker sammandragningen med något som kallas cymbaler i varje ände av den piezoelektriska enheten. Det ökar z-axelns rörelse med en faktor 15, vilket ger en rörelse på mellan 35 och 65 µm beroende av modell (figur 3). Vid en belastning på 100 gram (enpolig drift, sinusvåg med enkel puls, 200 Hz) uppnår den större aktuatorn en acceleration på 30 g från topp till topp efter bara en 1 ms. Frekvensområdet på 1–1 000 Hz gör att en konstruktör kan skräddarsy den haptiska återkopplingsprofilen.

TDK:s aktuator kan användas i antingen en- eller tvåpoligt läge. Vid enpolig drift matas en positiv spänning över aktuator medan spänningen varierar mellan positiva och negativa toppvärden vid tvåpolig funktion. Fördelen med två- jämfört med enpolig drift är att samma spänning topp till topp ger större rörelse eller så kan samma förskjutning fås med en lägre spänning topp till topp. Nackdelen är att tvåpolig funktion ökar de mekaniska och elektriska belastningarna på aktuatorn (figur 4).

Halvlvledartllverkare har även kommit med drivkretsar som är särskilt utformade för haptiska återkoppling. De kan ge ett antal vibrationslägen över ett frekvensområde och erbjuder en- eller tvåpoliga egenskaper samtidigt som de har mycket högre verkningsgrad än tidigare alternativ. Två exempel är Boréas Technologies drivkrets BOS1901CQT och Texas Instruments motordrivkrets DRV2667.

Boréas Technologies drivkrets har energi­återvinning och kan alstra flera vibrationssignaler. Den kan driva aktuatorer med upp till 190 Vtopp-topp från 3–5,5 V. BOS1901 använder ett snabbt SPI-gränssnitt och alla inställningar kan justeras via dess digitala front-end. Den typiska starttiden är på under 300 μs, vilket ger låg fördröjning.

TI:s drivkrets integrerar en boostomvandlare på 105 V och en digital front-end som kan driva både hög- och lågspända aktuatorer. Dess digitala front-end hanterar pulsbreddsmodulering (PWM) eller behovet av ytterligare analoga kanalkrav hos värdsystemet. Kretsen inkluderar dedikerat minne för att lagra och hämta vågformer samt en avancerad vågformssyntetiserare. En typisk starttid på 2 ms begränsar fördröjningen, medan det termiska överbelastningsskyddet hindrar enheten från att skadas.

Både Boréas och TI:s kretsar är konstruerade för att användas i ett beröringsaktiverat system som redan inkluderar en applikationsprocessor. Processorn triggar den haptiska återkopplingen via ett SPI, alternativt kan en analog ingång användas (figur 5).

Integreringsnivån hos de senaste drivkretsarna gör att det har blivit enklare att utforma pekskärmssystem med piezoelektrisk haptisk återkoppling, men vissa komponentval är viktiga för att optimera konstruktionens prestanda. Till exempel ska boostspänningen (BST) vara 5 V högre än toppspänningen som aktuatorn utsätts för. Detta möjliggör en grad av förstärkar-overhead som ställs in med motståndsnätet R1/R2 (figur 5).

Formeln för att beräkna motståndsvärdena är: V(BST) = V(FB) x (1 + R1/R2), där V(FB) = 1,32 volt.

För att till exempel nå TI-kretsens maximala V(BST) på 105 V kan R1 och R2 vara 768 och 9,76 kΩ.

Toppboostströmmen dras från matningen via induktorn L1. Strömmen avgörs av R(EXT), men du måste vara noga med att välja en induktor som kan hantera den programmerade strömgränsen (ILIM). Förhållandet mellan R(EXT) och ILIM bestäms med formeln:

Där K = 10 500, VREF = 1,35 V, RINT (drivkretsens interna motstånd) = 60 Ω och ILIM = toppströmsgränsen för L1.

Valet av induktor är viktigt för att säkerställa bästa prestanda hos drivkretsen. För TI-kretsen ligger den rekommenderade induktanser mellan 3,3 och 22 μH. Avvägningen är mellan att använda en högre induktans för att sänka switchningsförlusterna för boost-omvandlaren eller en mindre induktans för att maximera utgångsströmmen.

De viktigaste elektriska specifikationerna för den piezoelektriska haptiska aktuatorn från drivkretsperspektiv är spänning och kapacitans. Vid TI-kretsens maximala frekvens på 500 Hz är till exempel enheten optimerad att driva upp till 50 nF vid 200 Vtopp-till-topp (drivkretsens högsta spänningssvängningskapacitet). Kretsen kan driva större kapaciteter om den programmerade förstärkningsspänningen har sänkts och/eller användaren begränsar ingångsfrekvensen till 300 Hz.

Ett annat viktigt komponentval är förstärkningskondensatorn (C(BST)). Kondensatorn måste ha en spännig som är minst lika hög som laddningsspänningen eller helst högre. Till exempel rekommenderas en 100 nF-kondensator av X5R- eller X7R-typ, klassad för 250 V när TI-kretsens maximala förstärkningsspänning på 105 V används. C(BST) måste ha en minimal arbetskapacitans på 50 nF. För V(BST) från 30 till 80 V är en 100 nF-kondensator klassad för 100 V godtagbar och för V(BST) lägre än 30 V rekommenderas en 0,22 μF-krets klassad för 50 V.

En bulkkondensator (CBULK) placerad nära induktorn rekommenderas på grund av switchstiftets strömkrav. En keramisk kondensator av X5R- eller X7R-typ med kapacitans på minst 1 μF rekommenderas.

För konstruktörer som vill experimentera med egenskaperna hos TDK:s piezo­elektriska haptiska aktuatorer innan de väljer hårdvara finns den enkanaliga Power­­­Hap-utvärderingssatsen Z63000Z2910Z 1Z 1. Satsen innehåller ett baskort, en step-up-omvandlare, en utgångsdrivkrets och ett styrkretskort.

Satsen levereras med konfigurationsprogramvara som körs på en dator med Windows 7 (eller senare). När programvaran laddats ansluts satsen till datorn via en USB-kabel och drivs med 12 V. Programvaran tillhandahåller ett gränssnitt för att konfigurera det haptiska svaret från aktuatorn när det trycks in. Gränssnittet tillåter konfiguration av följande signalparametrar (figur 6):

• Amplitud: 5 till 100 procent (115 volt)
• Frekvens: 20–300 Hz
• Vågform: trapetsvåg, sinusfyrkantvåg, sågtandsvåg
• Trapetsarbetscykel: 35 till 75 procent
• Pulsantal: 1 till 1000
• Utlösningsnivå: 0 till 12 V (ju lägre utlösningsnivå desto hårdare måste aktuatorn tryckas in för att aktivera signalen)
• Fördröjning (då aktuatorn inte känner av någon kraft)

Programvaran gör det även möjligt för konstruktören att skapa anpassade vågformer. När programvaran har konfigurerats skickas informationen till satsens processor via USB-kabeln.

En andra utvärderingssats, PowerHap Z63000Z2910Z1Z44, är utformad för konstruktörer som använder Boréas BOS1901CQT piezoelektriska haptiska drivkrets. Den här satsen inkluderar ett baskort, en step-up-omvandlare, två drivkretsar och en styrkrets. Bassatsen kommer med en piezoelektrisk haptisk aktuator från TDK (figur 7).

Kortet ansluts till en dator via en USB-kabel, det använder det standardiserade USB-ljudprotokollet, och fungerar som en normal audioutgång för alla datorer. USB-ljudprotokollet kan användas för att konstruera prototyper av haptiska effekter i programvara som MATLAB, Python och Audacity. Det går att skapa vågformer upp till 190 Vtill-topp och att utföra uppspelning.