圧電トランスデューサによる触覚フィードバックの改善

ほとんどのタッチスクリーンパネルには、限られたタイプの触覚フィードバックがあるか、まったくありません。これは、時計、タッチパッド、キーボード、マウスなど、多くの種類のハンドヘルドまたはウェアラブルデバイスにも当てはまります。触覚フィードバックを改善したいという要望から、ピエゾトランスデューサを詳しく調べて触覚信号を生成する人もいます。従来の振動発生器に比べて物理的および電気的に改善されています。

この記事では、ピエゾトランスデューサの原理、理論、およびモデリングについて説明します。圧電トランスデューサの独自の特性を駆動するように特別に設計された電子回路の説明が含まれ、圧電トランスデューサを使用した触覚アプリケーションの例を共有しています。この記事では、ピエゾ負荷構成に対するアンプの入力電力の関係についても調べています。

ピエゾアクチュエータからの触覚振動は、逆ピエゾ効果（つまり、電気刺激からの振動）を使用することに注意してください。ピエゾ効果についての言及は、この電気から機械へのエネルギー伝達を指します。

圧電ハプティクスの概要

今日、ほとんどのハンドヘルドまたはポータブル電子デバイスでは、触覚振動は、電気信号を機械的振動に変換する電気機械（EM）トランスデューサーによって生成されます。これらには、偏心回転質量（ERM）アクチュエーターおよび線形共振アクチュエーター（LRA）が含まれます。これらのタイプのEMトランスデューサーは、低コストで、かなり使いやすく、バッテリーレベルの電圧から電力を供給できます。

ただし、EMトランスデューサにはいくつかの欠点があります。

• これらは特定の振動周波数を生成する共振デバイスであり、LRAの場合は、工場で確率論的な共振周波数に校正する必要があります。
• EMデバイスは物理的に大きくて背が高く（高さ3〜5 mm）、薄いエンクロージャーに取り付けることができません。
• それらは点光源の振動を生成し、表面にさまざまな周波数パターンを作成することはできません。
• それらは非効率的であり、触覚イベントごとにかなりのエネルギーを必要とします。
• LRAデバイスはやや壊れやすく、物理的または電気的な過大応力（落下など）によって破壊される可能性があります。

それに比べて、ピエゾトランスデューサはEMエネルギー変換に基づいておらず、触覚振動発生器として優れています。それらは、適用された起電力（つまり、EMF）から、通常はAC電圧源から結晶性振動を生成することにより、逆ピエゾ効果によって機械的振動を生成します。

ピエゾトランスデューサは、いくつかの重要な特性のために有利な場合があります：

• 薄く（<1 mm）、柔軟性があり、さまざまなオプションで取り付けたり、ほぼすべての希望のパターンに成形したりできます。
• 表面領域に振動を発生させ、タッチ位置に敏感になる可能性があります。
• ピエゾの駆動方法にもよりますが、非常に効率的です。
• 広い周波数範囲であらゆる振動周波数を再現できます。
• 振幅変調または周波数変調できる触覚信号のパターンを生成できます。
• 慣性がほとんどないため、応答時間が非常に速くなります。
• EMIエミッションは発生しません。

ピエゾアクチュエータは、大きな機械的振動を発生させるために比較的高い電圧駆動信号を必要とすることに注意してください。通常、ピークツーピークで60 V〜200Vです。また、ピエゾアクチュエータは主に駆動回路への容量性負荷であるため、特殊な電子駆動回路の恩恵を受けます。このテーマの詳細については、後で説明します。

ピエゾアクチュエータの構造と物理学の詳細な説明は、このホワイトペーパーの範囲を超えています。ただし、簡単な説明が続きます。ピエゾトランスデューサは、アプリケーションに応じて、さまざまな物理的構成で製造されます。触覚および音声の再生に最も一般的に使用されるピエゾアクチュエータは、たとえば、ハンドヘルドまたはウェアラブルケースまたはタッチスクリーンの一部である内面に取り付けられる（つまり、接着される）バイモルフベンダーの形を取ります。表面実装された単層ピエゾアクチュエータの例を図に示します。 1 。

図1：バイモルフピエゾアクチュエータの構造

図に示すように。 1 、バイモルフベンダーは、一般に、導電性の機械的層（真ちゅうまたは銅など）上に遮蔽された多結晶セラミック材料の1つまたは複数の層で構成されます。層が作成された後、大きなDC分極電圧がピエゾ構造全体に印加され、結晶ドメインの境界を整列させて、生成される逆ピエゾ効果力を強化します（つまり、電圧EMFごとに生成される力が増加します）。次に、分極電圧は、印加電圧によって生成される機械的な力の方向を定義します。分極電圧の方向に印加電圧を上げると、機械力または曲げ変位が大きくなります。ピエゾ層への分極は、同じ方向または反対方向に適用できます。それぞれの方法には利点があり、必要に応じてピエゾ効果を作成するために使用できます。

図の図1 は、分極電圧に直交する表面に取り付けられたピエゾアクチュエータを示しています。この構成（図のようにEMFが適用されている）では、取り付けベースに力が発生するため、ピエゾのたわみはほとんどありません。ベースがピエゾアクチュエータに垂直に取り付けられ（点線で示されている）、アクチュエータの反対側の端に拘束がない場合、ピエゾのたわみが大きくなります。

図に示す取り付けの例。 1 表面に伝導される力を生成する表示画面になります。これにより、最大の伝導力と最小のたわみが生じます。この方法は、たとえば、タッチ操作の表示画面で指に触覚振動を発生させる場合に使用できます。ピエゾと取り付け面の間に存在する材料は、機械的エネルギーを吸収し、特に材料が柔らかいか柔軟な場合は、伝導振動を減衰させる傾向があることに注意してください。

ピエゾトランスデューサを使用して、局所的な触覚フィードバックを提供することもできます。これは、たとえば、タッチスクリーンまたはキーボードディスプレイの下に多数のピエゾ要素を配置することによって実現できます。これにより、各ピエゾ要素は、その配置にローカライズされた触覚を提供します。タッチが検知されると、ディスプレイがタッチのX-Y位置を生成するだけでなく、その特定のピエゾアクチュエータに電力を供給するピエゾドライバが有効になります。これは、高電圧MUXを使用するか、個別のピエゾアンプから実現できます。

多結晶セラミックの各層は印加電圧に比例した力を生成し、n層は n を生成します 発生した力の倍。

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