Uudet pietsosähköiset aktuaattorit parantavat kannettavien kosketusnäyttöjen haptista vastetta

Kosketusnäyttöä käyttävistä käyttöliittymistä on tulossa yhä jokapäiväisempiä, koska ne tarjoavat selkeitä etuja mekaanisiin käyttöliittymiin verrattuna. Kuluttajille käyttöliittymä on sulava ja intuitiivinen, teollisuuskäyttäjille taas tiivistetty näyttö ehkäisee lian ja kosteuden aiheuttamia ongelmia. Siinä on kuitenkin myös huonoja puolia molemmille käyttäjäryhmille. Kuluttajat saattavat kaivata mekaanisen kytkimen naksauksen tuomaa tunnetta, kun taas teollisuuskäyttäjien voi olla vaikea vahvistaa näppäimen painallusta, jos kosketusnäyttöä käytetään käsine kädessä.

Haptista palautetta, jossa painikkeen käyttö ilmaistaan värinällä, on käytetty korvaamaan kosketusnäytöistä puuttuvaa tunnetta, mutta nykyiset ratkaisut tapaavat olla kookkaita ja kompleksisia mekaanisia järjestelmiä. Näihin lukeutuvat ERM-moottorit (epäkeskomassamoottorit) sekä LRA-aktuaattorit (lineaariset resonoijat). Pietsosähköinen haptinen palaute on kompaktimpi ja joustavampi vaihtoehto. Viime aikoihin asti haptisen palautteen vaatima korkea käyttöjännite on kuitenkin tehnyt sen käytöstä vaikeaa matalavirtaisissa sovelluksissa – jollaisia akku- ja paristokäyttöiset tuotteet luonnollisesti ovat.

Pietsosähköiset erittäin tarkat haptiset toteutukset ovat kuitenkin kehittyneet ja tarjoavat paitsi ratkaisuja virrankulutusongelmiin, myös muita hyötyjä haptisten käyttöliittymien suunnitteluun, kuten kompaktin ja matalan koon, voimakkaan palautteen ja nopean vasteajan.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti uusien pietsosähköisten haptisten aktuaattoreiden etuja verrattuna ERM- ja LRA-tyyppeihin ja esitellään sitten uusi laitesukupolvi, jonka monikerroksinen rakenne ja bipolaariset ohjaustilat yhdessä hyötysuhteeltaan tehokkaiden ja juuri tähän käyttöön tarkoitettujen ohjainten kanssa poistavat aiemmat virrankulutusongelmat. Sen jälkeen artikkelissa kerrotaan, miten suunnittelija voi hyödyntää näitä aktuaattoreita ja ohjaimia seuraavassa haptista palautetta hyödyntävässä tuotteessaan. Esimerkkeinä käytetään TDK:n aktuaattoreita sekä Boréas Technologiesin ja Texas Instrumentsin (TI) ohjaimia.

Haptisen palautteen toteutusvaihtoehdot

Suunnittelijoilla, jotka haluavat lisätä kosketuskäyttöliittymäänsä haptisen palautteen, on valittavanaan kolme vaihtoehtoa: ERM, LRA ja pietsosähköiset aktuaattorit. Kaikki kolme toimivat samalla periaatteella, jossa mikrokontrolleri ohjaa toimintaa ja ohjain säätelee aktuaattoria, joka synnyttää värinän (kuva 1). Erot syntyvät siitä, miten värinä synnytetään: ERM käyttää epäkeskistä pyörivää painoa, LRA käyttää kierrejousien varaan ripustettua magneettipainoa ja pietsosähköinen laite perustuu (käänteiseen) pietsosähköiseen ilmiöön, jossa kiteen tai keraamisen esineen mitat muuttuvat kun siihen kohdistuu sähkökenttä.

Kuva 1: Haptiset kosketusnäyttöjärjestelmät koostuvat mikrokontrollerista, ohjaimesta ja aktuaattorista. Tässä esimerkissä aktuaattori on pietsosähköinen laite, mutta myös ERM ja LRA ovat suosittuja vaihtoehtoja. (Kuvan lähde: Boréas Technologies)

ERM ja LRA ovat olleet suosittuja kannettavissa toteutuksissa ensisijaisesti siksi, että ne tarjoavat mahdollisuuden käyttää matalaa jännitettä (noin 3 volttia) ja toimivat yksinkertaisemmalla ohjaimella. Sen sijaan perinteiset pietsosähköiset laitteet vaativat paljon korkeamman jännitteen (jopa 200 volttia) voidakseen synnyttää riittävän mekaanisen muodonmuutoksen, joka hyvään kuluttajakokemukseen vaaditaan. Näitä korkeita jännitteitä tarvitaan, koska perinteinen pietsosähköisesti toimiva haptinen ohjausteknologia perustuu pienennettyyn äänivahvistinteknologiaan, eikä sitä ole suunniteltu alusta alkaen vähävirtaiseksi. Lisähaaste suunnittelun näkökulmasta on ollut se, että erityisiä vähävirtaisia haptisten aktuaattoreiden ohjaimia ei ole ollut saatavana, jolloin suunnittelijoiden on täytynyt valita hyötysuhteeltaan huonompia ratkaisuja.

Pietsosähköisissä ratkaisuissa on kuitenkin se tärkeä etu, että ne tukevat paljon tarkempaa haptista palautetta kuin pelkkä monotoninen värinä. Pietsosähköiset aktuaattorit voivat esimerkiksi synnyttää taajuudeltaan ja amplitudiltaan vaihtelevaa värinää. Tällä voidaan ilmaista saman painikkeen painalluksesta seuraavia erilaisia tuloksia (kuva 2).

Kuva 2: Pietsosähköiset haptiset aktuaattorit mahdollistavat erilaisia värinöitä, joilla voidaan ilmaista erilaisia tuloksia saman painikkeen painalluksesta. (Kuvan lähde: Boréas Technologies)

Tiivistetysti voidaan sanoa, että tarkat haptiset palauteratkaisut edellyttävät seuraavaa:

• laaja kaistanleveys: mahdollistaa erilaiset värinätaajuudet ja tilat
• voimakas kiihtyvyys [g]: tarjoaa vahvemman palautevoiman
• suuri siirtymä: parantaa haptisen palautteen herkkyyttä
• alhainen latenssi: nopea vasteaika laajentaa palautemahdollisuuksia.

Taulukko 1 tiivistää kunkin haptisen palauteratkaisun suorituskyvyn ja osoittaa, että pietsosähköiset ratkaisut ovat ainoa vaihtoehto tarkkoihin toteutuksiin, koska ne tarjoavat vaadittavan kaistanleveyden, palautevoiman, herkkyyden ja latenssin yhdistelmän.

Taulukko 1: Vertailu haptisten palauteratkaisujen ominaisuuksista. Pietsosähköiset laitteet tarjoavat hyvän kiihtyvyyden (mittayksikkö on ”g”, jossa 1 g on painovoiman synnyttämä kiihtyvyys maan pinnalla (9,81 m/s²)), hyvän siirtymän ja vasteajan sekä muokatut aaltomuodot, joita tarvitaan tarkkaan haptiseen palautteeseen. (Kuvan lähde: DigiKey, kirjoittaja)

Huomaa, että osa pietsosähköisten aktuaattoreiden ohjainten monimutkaisuudesta on seurausta lisätoiminnallisuudesta, kun haptisen palautteen tarkkuutta ja kontekstia halutaan lisätä muodostamalla muokattuja aaltomuotoja. ERM ja LRA eivät tue muokattuja aaltomuotoja, joten ohjaimet ovat yksinkertaisempia.

Uusien pietsosähköisten haptisten palautelaitteiden edut

Viime aikoina esitellyt uudet pietsosähköiset aktuaattorit sekä tehokkaat, juuri tähän tarkoitukseen suunnitellut ohjaimet ovat tehneet näitä teknologioista paljon paremman ratkaisun akku- ja paristokäyttöisiin tuotteisiin. Hiljattain esitellyt pietsosähköiset haptiset tuotteet, kuten TDK:n PowerHap B54102H1020A001 (12,7 neliömillimetrin (mm²) ala) ja B54101H1020A001 (26 mm²) ovat alle 2,5 mm korkeita ja käyttävät monikerroksista rakennetta, kun äänivahvistinteknologiaan perustuvissa laitteissa käytössä on yksi kerros. Tämä monikerrosrakenne vähentää hieman ohjaimeen kohdistuvia vaatimuksia laskemalla ohjausjännitettä (60–120 volttiin).

Jokainen TDK:n monikerroksisen tuotteen kerros laajenee z-suunnassa käänteisen pietsosähköisen ilmiön vuoksi vain vähän. Koska pietsosähköisen laitteen tilavuuden on kuitenkin pysyttävä samana, kerrokset supistuvat samalla x- ja y-suunnassa.

TDK:n tuote vahvistaa tätä supistumista mekaanisesti käyttämällä pietsosähköisen laitteen päissä symbaaleja, jotka kasvattavat z-akselin liikkeen 15-kertaiseksi, jolloin siirtymä on mallista riippuen 35–65 mikrometriä (µm) (kuva 3). Kuorman ollessa 100 grammaa (g) (unipolaarinen toiminta, yksittäinen sinipulssiaalto, 200 Hz) suurempi TDK-aktuaattori saavuttaa 30 g:n kiihtyvyyden huipusta huippuun vain 1 millisekunnissa (ms). Taajuusalue ulottuu 1 hertsistä (Hz) 1000 hertsiin, joten suunnittelijat voivat kehittää erittäin tarkkoja haptisia palauteprofiileja.

Kuva 3: TDK:n pietsosähköiset haptiset aktuaattorit käyttävät monikerroksista rakennetta ja symbaaleja voimistamaan z-akselin liikettä. (Kuvan lähde: TDK)

TDK:n haptiset pietsoaktuaattorit voivat toimia joko unipolaari- tai bipolaaritilassa. Unipolaarisessa käytössä aktuaattorin yli johdetaan positiivinen jännite, kun taas bipolaarinen toiminta vaihtelee jännitettä positiivisen ja negatiivisen huippuarvon välillä. Bipolaarisen toiminnan etuna on, että samalla huipusta huippuun -jännitteellä saadaan suurempi siirtymä, tai vaihtoehtoisesti samaan siirtymään tarvitaan alempi huipusta huippuun -jännite. Tämän kääntöpuoli on se, että bipolaarinen toiminta lisää aktuaattorin mekaanista ja sähköistä kuormitusta (kuva 4).

Kuva 4: Bipolaarinen toiminta (oikealla) tarjoaa saman mekaanisen siirtymän kuin unipolaarinenkin, mutta käyttää alempaa huipusta huippuun -jännitettä. (Kuvan lähde: TDK)

Puolijohteiden toimittajat ovat myös hiljattain julkistaneet ohjainpiirejä, jotka on tarkoitettu nimenomaisesti haptisen palautteen sovelluksiin. Nämä kehittyneet mallit tarjoavat laajan valikoiman erilaisia värinätiloja laajalla taajuusalueella sekä uni- tai bipolaarisen ohjaustavan. Samalla ne toimivat huomattavasti tehokkaammin kuin aiemmat mallit. Esimerkkejä ovat Boréas Technologiesin haptinen pietso-ohjain BOS1901CQT ja Texas Instrumentsin tehokas moottoriohjain DRV2667.

Boréas Technologiesin mikropiiri on yhden piirin pietsoaktuaattoriohjain, jossa käytetään energian talteenottoteknologioita ja joka kykenee synnyttämään useita värinäsignaaleita. Piiri kykenee ohjaamaan aktuaattoreita jopa 190 voltin jännitteellä _{huipusta huippuun}, kun syöttöjännite on 3–5,5 volttia. BOS1901 käyttää nopeaa SPI-liitäntää (serial peripheral interface) ja sen kaikkia asetuksia voidaan säätää digitaalisen etuasteen kautta. Sen tyypillinen käynnistysaika on alle 300 mikrosekuntia (μs), mikä tarkoittaa alhaista latenssia.

TI:n piiri on pietsosähköinen haptinen ohjain, jossa on integroitu 105 voltin tehostuskytkin sekä digitaalinen etuaste. Sillä voidaan ohjata sekä korkean että matalan jännitteen aktuaattoreita. Digitaalinen etuaste poistaa mikroprosessorilta tarpeen pulssileveysmodulaation (PWM) generoimiseen sekä tarpeen lisätä isäntäjärjestelmään ylimääräisiä analogikanavia. Piiri sisältää aaltomuotojen tallentamiseen ja palauttamiseen tarkoitetun muistin sekä monipuolisen aaltomuotosyntetisoijan. Tyypillinen käynnistysaika on vain 2 ms, mikä vähentää latenssia, ja lämpökuormitussuojaus estää laitteen vaurioitumisen ylikuormitustapauksessa.

Haptisen pietsojärjestelmän suunnittelu

Sekä Boréas- että TI-piirit on suunniteltu kosketusta käyttävään järjestelmään, jossa on jo sovellussuoritin. Suoritin käynnistää haptisen palautteen suorituksen SPI:n kautta. Vaihtoehtoisesti suunnittelija voi käynnistää haptiset tehosteet myös analogitulon kautta (kuva 5).

Kuva 5: Sovellusvirtapiirissä esitetään TI:n tehokas moottoriohjain DRV2667. Kosketusnäytön sovellussuoritin käynnistää haptiset tapahtumat, minkä jälkeen TI-piiri ohjaa pietsosähköistä haptista laitetta. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Uusimpien ohjainten integrointiasteen ansiosta pietsosähköisellä haptisella palautteella varustettujen kosketusnäyttöjärjestelmien suunnittelu on helpottunut, mutta rakenteen optimoimiseksi on tehtävä tiettyjä komponenttivalintoja. Esimerkiksi vahvistusjännitteen (BST) tulisi olla 5 volttia suurempi kuin pietsoaktuaattoriin kohdistuvan huippujännitteen. Tämä antaa vahvistimelle vähän pelivaraa ja se asetetaan kuvassa 5 esitettävän vastusjakoverkon R1/R2 avulla.

Kaava vastusten arvojen laskemiseen on V_(BST) = V_(FB) x (1 + R1/R2), missä V_(FB) = 1,32 volttia.

Jos halutaan esimerkiksi käyttää korkeinta TI:n ohjaimen tukemaa V_(BST)-jännitettä 105 volttia, R1- ja R2-arvot voisivat olla 768 kilo-ohmia (kΩ) ja 9,76 kΩ.

Vahvistusvirran huippuarvo otetaan syötöstä induktiokelan L1 kautta.  Tämän virran määrää R_(EXT), mutta on tärkeää valita induktiokela, joka kestää ohjelmoidun huippuvirran (I_LIM). Arvojen R_(EXT) ja I_LIM välinen suhde määritetään seuraavalla kaavalla:

Missä K = 10 500, V_REF = 1,35 volttia, R_INT (ohjaimen sisäinen vastus) = 60 Ω ja I_LIM = L1:n huippuvirtaraja.

Induktiokelan valinta on tärkeä haluttaessa varmistaa ohjaimen paras mahdollinen suorituskyky. TI-piirin tapauksessa induktanssin suositusarvot vaihtelevat välillä 3,3–22 mikrohenryä (μH) . Valinta tuleekin tehdä sen väliltä, valitaanko suurempi induktanssi ja vähennetään boost-muuntimen kytkentähäviöitä vaiko pienempi induktanssi, joka maksimoi lähtövirran.

Jänniteluokitus ja kapasitanssi ovat pietsosähköisen haptisen aktuaattorin tärkeimmät sähköiset ominaisuudet ohjaimen näkökulmasta. Esimerkiksi korkeimmalla TI:n ohjaimen tukemalla taajuudella 500 Hz laite on optimoitu ohjaamaan enintään 50 nanofaradin (nF) kuormaa 200 voltin jännitteellä _{huipusta huippuun} (suurin kyseisen ohjaimen tukema jännitevaihtelu). Piiri voi ohjata suurempia kapasitansseja, jos ohjelmoitua vahvistusjännitettä lasketaan ja/tai käyttäjä rajoittaa tulotaajuusalueen esimerkiksi 300 hertsiin.

Toinen tärkeä valittava komponentti on vahvistuskondensaattori (C_(BST)). Kondensaattorin jännitearvon tulee vähintään vastata vahvistusjännitettä ja mieluiten olla sitä korkeampi. Jos esimerkiksi halutaan käyttää korkeinta TI:n piirin tukemaa vahvistusjännitettä105 volttia, kondensaattoriksi suositellaan X5R- tai X7R-tyyppistä 100 nF:n kondensaattoria, jonka jänniteluokitus on 250 volttia. C_(BST)-kondensaattorin toimintakapasitanssin tulee olla vähintään 50 nF. Kun V_(BST) on 30–80 volttia, voidaan käyttää 100 voltille luokiteltua 100 nF:n kondensaattoria ja jos V_(BST) on alle 30 volttia, suositellaan 50 voltin ja 0,22 mikrofaradin (μF) kondensaattoria.

Induktiokelan viereen asennetun tasauskondensaattorin (C_BULK) käyttöä suositellaan kytkentänastan virtavaatimusten vuoksi. Suositus on X5R- tai X7R-tyyppinen keraaminen kondensaattori, jonka kapasitanssi on vähintään 1 μF.

Kehitystyökalut

TDK tarjoaa yksikanavaista PowerHap-arviointisarjaa Z63000Z2910Z 1Z 1 suunnittelijoille, jotka haluavat kokeilla yhtiön pietsosähköisten haptisten aktuaattoreiden ominaisuuksia ennen sitoutumista tiettyyn laitteistoon. Sarjassa on peruskortti, jännitettä nostava muunnin, lähdön ohjainkortti sekä mikrokontrollerikortti.

Sarjan mukana toimitetaan konfigurointiohjelmisto, joka toimii Windows 7:ää (tai uudempaa versiota) käyttävällä tietokoneella. Kun ohjelmisto on ladattu, sarja liitetään tietokoneeseen USB-kaapelilla ja siihen syötetään 12 voltin jännite (DC). Tämän jälkeen ohjelmisto tarjoaa käyttöliittymän, jolla voidaan määrittää aktuaattorin vaste painallukseen. Käyttöliittymän kautta voidaan määrittää seuraavat signaaliparametrit (kuva 6):

• Amplitudi 5–100 % (115 volttia)
• Taajuus 20–300 Hz
• Aaltomuoto (trapetsi, sini, neliöaalto, sahalaita)
• Trapetsiaallon käyttöjakso 35–75 %
• Pulssimäärä 1–1000
• Käynnistystaso 0–12 volttia (mitä alempi käynnistystaso on, sitä voimakkaammin aktuaattoria on painettava signaalin aktivoimiseksi)
• Viiveaika (jonka kuluessa aktuaattori ei tunnista voimaa)

Kuva 6: TDK:n PowerHap-arviointisarjan ohjelmisto tarjoaa käyttöliittymän signaalin konfiguroimiseksi. Kun konfigurointi on tehty, se voidaan lähettää arviointikortin suorittimelle painikkeella ”Transmit configuration” (Lähetä konfiguraatio). (Kuvan lähde: TDK)

Suunnittelija voi luoda ohjelmiston avulla myös muokattuja aaltomuotoja. Kun ohjelmisto on konfiguroitu, tiedot lähetetään sarjan suorittimelle USB-kaapelin kautta.

Toinen arviointisarja, PowerHap Z63000Z2910Z1Z44, on tarkoitettu erityisesti suunnittelijoille, jotka haluavat käyttää Boréasin haptista pietso-ohjainta BOS1901CQT. Tähän sarjaan kuuluu peruskortti, jännitettä nostava muunnin, kaksi ohjainta ja mikrokontrolleri. Perussarjan mukana toimitetaan yksi TDK:n pietsosähköinen haptinen aktuaattori (kuva 7).

Kuva 7: TDK:n PowerHap-arviointisarja Z63000Z2910Z1Z44 käyttää Boréasin haptisia pietso-ohjaimia ja se tukee USB-ääniprotokollaa, mikä helpottaa konfigurointia. (Kuvan lähde: TDK)

Kortti liitetään tietokoneeseen USB-kaapelilla ja se käyttää normaalia USB-ääniprotokollaa, jolloin se näkyy normaalina äänilähtönä mille tahansa tietokoneelle. Aaltomuotojen prototyyppien suunnittelu (jopa 190 V_{huipusta huippuun}) ja toisto voidaan tehdä USB-ääniprotokollan avulla, jolloin haptisia tehosteita voidaan suunnitella esimerkiksi MATLAB-, Python- ja Audacity-ohjelmistoissa.

Yhteenveto

Haptinen palaute pietsosähköisillä sekä ERM- ja LRA-aktuaattoreilla on parantanut kosketusnäyttöohjausta sekä kuluttaja- että teollisuussovelluksissa. Matalampaa jännitettä käyttävien ja kompaktien pietsosähköisten haptisten aktuaattoreiden kehitys on kuitenkin tuonut tarkan haptisen palautteen hyödyt myös akku- ja paristokäyttöisiin laitteisiin.

Samaan aikaan pietsosähköisten haptisten järjestelmien suunnittelu on helpottunut, kun markkinoille on tullut nimenomaisesti tähän tarkoitukseen suunniteltuja ohjaimia, jotka tarjoavat rajapinnat suosituille sovellussuorittimille ja tukevat monia eri aaltomuotoja. Arviointisarjojen saatavuus näille laitteille TDK:n kaltaisilta toimittajilta mahdollistaa kokeilun ja prototyyppien luomisen ennen sitoutumista tiettyyn laitteistototeutukseen.