Utilizzare elementi piezoelettrici per il riscontro aptico

Il termine "aptico" deriva dalla parola greca che significa "afferrare" o "percepire," e in contesti ingegneristici si riferisce alle tecnologie che sfruttano il senso del tatto. Nei sistemi elettronici, l'apticità è comunemente usata per descrivere i meccanismi di forza o di riscontro tattile integrati nei dispositivi per migliorare l'interazione uomo-macchina.

Da un punto di vista ingegneristico, il riscontro aptico è tipicamente realizzato attraverso attuatori meccanici che generano vibrazioni, movimenti o forze controllate. Questi attuatori - che vanno dai motori a massa eccentrica rotante (ERM) e dagli attuatori risonanti lineari (LRA) agli elementi piezoelettrici - simulano sensazioni fisiche reali come la pressione, il peso e la trama di una superficie. Incorporando la modalità tattile, l'aptica integra le indicazioni visive e uditive, che portano a interfacce digitali più intuitive e reattive. Ciò è particolarmente importante per applicazioni che richiedono una precisa convalida dell'input o un'esperienza coinvolgente per l'utente, compresa la manipolazione di oggetti virtuali.

La crescente domanda di maggiore interattività ha accelerato l'adozione delle tecnologie aptiche in diversi settori. Dai controller di gioco e schermi tattili nell'elettronica consumer ai controlli abilitati al riscontro nei cruscotti automotive, alla simulazione chirurgica nel settore sanitario, l'aptica sta diventando una componente fondamentale sia per l'esperienza dell'utente sia per la funzionalità del sistema. Questo articolo analizza da vicino il riscontro aptico, comprese le tecnologie sottostanti e i vantaggi dell'uso di elementi piezoelettrici nell'aptica.

Tecnologie comuni agli attuatori aptici

Gli attuatori aptici sono trasduttori elettromeccanici che generano sensazioni tattili, come vibrazioni, spostamenti o pressioni, convertendo l'energia elettrica in movimento meccanico. Questi attuatori sono il nucleo funzionale dei sistemi di riscontro aptico, portando a risposte fisiche precise nelle interfacce utente.

I sistemi aptici impiegano diverse tecnologie di attuazione, ciascuna con principi di funzionamento e caratteristiche prestazionali distinte:

• Gli attuatori piezoelettrici utilizzano elementi piezoelettrici che si deformano meccanicamente e oscillano in risposta a un campo elettrico applicato, fornendo un riscontro ad alta frequenza e a basso spostamento con bassa latenza. (Vedere la gamma di elementi piezoelettrici di Same Sky).
• I motori a massa eccentrica rotante (ERM) sono costituiti da una massa decentrata montata su un albero motore c.c. Quando viene azionato, la rotazione del carico sbilanciato produce forze vibratorie, in genere a frequenze inferiori. Sono comuni nei dispositivi mobili e nelle applicazioni a basso costo.
• Gli attuatori a polimeri elettroattivi (EAP) utilizzano polimeri dielettrici che si espandono o si contraggono se soggetti a un campo elettrico. Questi materiali possono produrre profili di movimento fluidi e flessibili, ma spesso richiedono tensioni di comando elevate.
• Gli attuatori risonanti lineari (LRA) funzionano pilotando una massa magnetica lungo un singolo asse mediante campi elettromagnetici alternati. Sintonizzati su una frequenza di risonanza, gli LRA forniscono un riscontro più efficiente e direzionale con tempi di risposta più rapidi rispetto agli ERM.
• Gli attuatori a bobina mobile (VCA) sfruttano il principio della forza di Lorentz, secondo il quale una bobina sospesa in un campo magnetico si muove linearmente in risposta alla corrente. I VCA offrono un'ampia larghezza di banda e un controllo preciso dell'ampiezza e della frequenza.

Ogni tipo di attuatore porta con sé compromessi in termini di risposta in frequenza, efficienza energetica, complessità di integrazione e fedeltà di retroazione. La scelta dipende dall'applicazione finale, che si tratti di reazioni tattili nei dispositivi indossabili, di aptica immersiva nelle interfacce AR/VR o di un riscontro robusto nei touchscreen automotive.

Principi base sugli elementi piezoelettrici nel riscontro aptico

L'effetto piezoelettrico si riferisce alla generazione di una carica elettrica in alcuni materiali se sottoposti a sollecitazioni meccaniche. È importante notare che questo fenomeno è reversibile: quando si applica un campo elettrico a questi materiali, essi subiscono una deformazione meccanica misurabile. Questa proprietà reversibile è fondamentale per il funzionamento degli attuatori piezoelettrici utilizzati nei sistemi di riscontro aptici.

Nelle applicazioni aptiche, gli elementi piezoelettrici sono principalmente guidati dall'effetto inverso per produrre spostamenti o vibrazioni su microscala in risposta a una tensione di ingresso. Grazie alla loro natura bidirezionale, questi elementi possono essere configurati anche come sensori di forza o di pressione, consentendo l'integrazione bifunzionale in interfacce a sfioramento o in sistemi ad anello chiuso.

Una configurazione comune di attuatore è il bender piezoelettrico, che consiste in due strati piezoelettrici incollati con polarizzazione opposta. Quando viene applicata una tensione, uno strato si espande e l'altro si contrae, provocando la flessione della struttura. Questo spostamento flessionale è ideale per le applicazioni che richiedono un'elevata precisione e un movimento localizzato.

Gli elementi piezoelettrici multistrato invece impilano in parallelo numerosi strati piezoelettrici sottili, aumentando notevolmente la resa meccanica e riducendo al contempo la tensione di funzionamento. Queste strutture sono vantaggiose negli scenari in cui è richiesta una forza o uno spostamento maggiori, come nelle superfici aptiche più grandi o nei sistemi embedded a basso consumo con una tensione limitata.

L'ampiezza di deflessione di un elemento piezoelettrico è direttamente proporzionale al segnale di ingresso e ciò porta a un controllo ad alta risoluzione sia del posizionamento statico sia dei profili di vibrazione dinamici. A differenza di molti altri tipi di attuatori, gli elementi piezoelettrici supportano una modulazione precisa della posizione e dell'ampiezza in modo indipendente, il che li rende adatti ad applicazioni in cui la sfumatura del segnale o il riscontro codificato sono fondamentali.

Figura 1: La "flessione" di un elemento piezoelettrico. (Immagine per gentile concessione di Same Sky)

Vantaggi dell'elemento piezoelettrico nella progettazione aptica

Gli elementi piezoelettrici utilizzati nei sistemi di riscontro aptico sfruttano l'effetto piezoelettrico inverso per generare spostamenti meccanici rapidi a forza elevata. Le proprietà intrinseche del materiale offrono tempi di risposta tipicamente inferiori a 1 millisecondo, permettendo un riscontro tattile in tempo reale con una latenza minima, fondamentale nelle applicazioni che richiedono un'elevata precisione e una risposta istantanea da parte dell'utente.

A differenza degli attuatori a massa (ad esempio, ERM o LRA), i dispositivi piezoelettrici non si basano sull'inerzia o sulla risonanza di un elemento sospeso. Di conseguenza, presentano un consumo energetico inferiore e tempi di assestamento più brevi. Questi attributi li rendono particolarmente adatti all'integrazione in sistemi portatili o alimentati a batteria, dove l'efficienza energetica e il fattore di forma sono estremamente vincolanti.

La geometria a profilo stesso e ribassato degli elementi piezoelettrici ne facilita l'integrazione meccanica compatta. Ciò consente agli ingegneri di incorporare più attuatori piezoelettrici in un unico progetto per amplificare l'uscita tattile netta o fornire segnali tattili spazialmente risolti in un'interfaccia utente. Tali configurazioni possono essere utilizzate per simulare il movimento, le indicazioni direzionali o i gradienti di pressione in applicazioni come touchpad, dispositivi indossabili e schermi tattili capacitivi.

Gli attuatori piezoelettrici offrono un'elevata configurabilità in termini di frequenza, ampiezza e forma d'onda del segnale di pilotaggio, supportando una serie di texture ed effetti di retroazione. Inoltre, la tecnologia è disponibile in diversi formati meccanici ed elettrici, tra cui diametri, spessori, tensioni nominali e stili di montaggio personalizzati, portando a soluzioni su misura per i mercati automotive, medicale, industriale e dell'elettronica consumer.

Considerazioni sulla progettazione di un elemento piezoelettrico

La progettazione di un sistema di riscontro aptico piezoelettrico richiede un'attenta considerazione di diversi fattori chiave:

• Massa: abbinare la forza dell'attuatore al carico inerziale per garantire una trasmissione efficace delle vibrazioni.
• Tipo di elemento: scegliere tra elementi monostrato o multistrato in base ai vincoli di tensione, spostamento e dimensione.
• Inviluppo meccanico: assicurarsi che l'attuatore si adatti allo spazio disponibile e all'orientamento di montaggio.
• Asse di attuazione: definire la direzione del movimento per selezionare la geometria appropriata dell'elemento.
• Alimentazione e driver: allineare l'alimentazione del sistema con il carico capacitivo dell'elemento piezoelettrico e selezionare un driver compatibile per un'eccitazione efficiente.
• Requisiti di frequenza: per un riscontro tattile ottimale, scegliere la frequenza di risonanza dell'elemento o la larghezza di banda desiderata.
• Condizioni termiche: verificare che la temperature di funzionamento dell'elemento piezoelettrico corrisponda alle condizioni ambientali del sistema.

Conclusione

L'integrazione di un riscontro aptico efficace e intuitivo in un prodotto richiede un'attenta valutazione delle prestazioni dell'attuatore, tra cui la forza vibrazionale, la sensibilità di risposta, la precisione di posizionamento, l'ingombro e l'efficienza energetica. Gli elementi piezoelettrici rispondono a queste esigenze e offrono un funzionamento preciso e a basso consumo in un'ampia gamma di condizioni. Il portafoglio di elementi piezoelettrici di Same Sky supporta varie dimensioni e configurazioni e sono una soluzione versatile sia per il riscontro tattile sia per il rilevamento delle vibrazioni nei moderni sistemi elettronici.