שימוש באלמנטים פhיזואלקטריים עבור משוב האפטי

מקור המונח "האפטי" הוא במילה היוונית שפירושה "להבין" או "לתפוס", ובהקשרים הנדסיים הוא מתייחס לטכנולוגיות הממנפות את חוש המישוש. במערכות אלקטרוניות, השימוש בטכנולוגיית האפטיקה (Haptics) הוא נפוץ עבור מנגנוני משוב כוח או טקטילי המשולבים בהתקנים כדי לשפר את האינטראקציה בין אדם למכונה.

מנקודת מבט הנדסית, משוב האפטי ממומש בדרך כלל באמצעות מפעילים מכניים המייצרים רטט, תנועות או כוחות מבוקרים. מפעילים (Actuators‏) אלה - החל ממנועים בעלי מסה מסתובבת אקסצנטרית (ERM) ומפעילי תהודה ליניארית (LRAs‏) ועד אלמנטים פייזואלקטריים - מדמים תחושות פיזיות מהעולם האמיתי כגון לחץ, משקל ומרקם (טקסטורה) פני השטח. על ידי שילוב של אופן המישוש, ההאפטיקה משלימה אותות ויזואליים ושמיעתיים, ומאפשרת ממשקים דיגיטליים אינטואיטיביים יותר ומגיבים יותר. זה חשוב במיוחד עבור יישומים הדורשים אימות כניסה מדויק או חוויות משתמש אימרסיביות, כולל מניפולציה של אובייקטים וירטואליים.

הביקוש הגובר עבור אינטראקטיביות משופרת האיץ את אימוץ טכנולוגיות האפטיקה בתחומים רבים. החל מבקרי משחקים ומסכי מגע באלקטרוניקה לצרכנים, ועד לפקדים מבוססי-משוב בלוחות מחוונים ברכב וסימולציית כירורגיה בתחום הבריאות, טכנולוגיית ההאפטיקה הופכת למרכיב מפתח הן בחוויית המשתמש והן בפונקציונליות המערכת. מאמר זה יבחן מקרוב משוב האפטי, כולל הטכנולוגיות הבסיסיות והיתרונות של שימוש באלמנטים פייזואלקטריים בהאפטיקה.

טכנולוגיות מפעיל (Actuator‏) האפטי נפוצות

מפעילים האפטיים הם מתמרים אלקטרומכניים המייצרים תחושות מגע, כגון רטט, תזוזה או לחץ, על ידי המרת אנרגיה חשמלית לתנועה מכנית. מפעילים אלה משמשים כליבה התפקודית של מערכות משוב האפטי, ומאפשרים תגובות פיזיות מדויקות בממשקי המשתמש.

מספר טכנולוגיות הפעלה משמשות במערכות האפטיות, כל אחת עם עקרונות פעולה ומאפייני ביצועים ייחודיים:

• מפעילים פייזואלקטריים משתמשים באלמנטים פייזואלקטריים אשר מעוותים ומתנדנדים מכנית בתגובה לשדה החשמלי המופעל, ומספקים משוב בתדר גבוה ותזוזה מועטה עם שיהוי (Latency‏) קצר. (ראו את קו אלמנטי פייזו של Same Sky‏.)
• מנועי מסה מסתובבת אקסצנטרית (ERM‏) מורכבים ממסה מחוץ-למרכז המותקנת על ציר מנוע DC. במהלך הפעולה, סיבוב העומס הלא-מאוזן מייצר כוחות רטט, בדרך כלל בתדרים נמוכים יותר. אלה נפוצים בהתקנים ניידים וביישומים בעלות נמוכה.
• מפעילי פולימר אלקטרו-אקטיבי (EAP‏) משתמשים בפולימרים דיאלקטריים המתרחבים או מתכווצים תחת שדה חשמלי. חומרים אלה יכולים לייצר פרופילי תנועה חלקים וגמישים אך לעיתים קרובות דורשים מתחי דחיפה גבוהים.
• מפעילי תהודה ליניאריים (LRAs‏) פועלים על ידי הנעת מסה מגנטית לאורך ציר יחיד באמצעות שדות אלקטרומגנטיים מתחלפים. מכווננים לתדר תהודה, LRAs מספקים משוב יעיל וכיווני יותר עם זמני תגובה מהירים יותר מאשר ERMs‏.
• מפעילי סליל קול (VCAs‏) משתמשים בעקרונות כוח לורנץ, שבהם סליל התלוי בתוך שדה מגנטי נע באופן ליניארי בתגובה לזרם. VCAs מציעים פעולה ברוחב-פס רחב ובקרה מדויקת על האמפליטודה והתדר.

כל סוג מפעיל מציג פשרות מבחינת היענות התדר, נצילות ההספק, מורכבות האינטגרציה ונאמנות המשוב. הבחירה תלויה ביישום היעד - בין אם מדובר באותות טקטיליים עדינים בהתקנים לבישים, האפטיקה אימרסיבית בממשקי AR/VR, או במשוב חזק במסכי מגע לרכב.

יסודות אלמנטים פייזואלקטריים במשוב האפטי

אפקט פייזואלקטרי מתייחס ליצירת מטען חשמלי בחומרים מסוימים כאשר הם נתונים תחת מאמץ מכני. קיים גם אפקט הפוך: כאשר שדה חשמלי מופעל על חומרים אלה, הם עוברים עיוות מכני ניתן-למדידה. האפקט ההפוך הוא הבסיס לפעולתם של מפעילים פייזואלקטריים המשמשים במערכות משוב האפטי.

ביישומים האפטיים, אלמנטים פייזואלקטריים מונעים בעיקר על ידי אפקט הפוך זה, הגורם למיקרו-תזוזות או מיקרו-רטט בתגובה למתח כניסה. בשל אופיים הדו-כיווני, ניתן להגדיר אלמנטים אלה גם כחיישני כוח או לחץ, המאפשר שילוב של שתי הפונקציות בממשקים רגישים למגע או במערכות חוג-סגור.

תצורת מפעיל נפוצה אחת היא מכופף (Bender‏) פייזו, המורכב משתי שכבות פייזו עם קיטובים מנוגדים המודבקות יחד. כאשר מופעל מתח, שכבה אחת מתרחבת בעוד שהשנייה מתכווצת, מה שגורם למבנה להתכופף. תזוזה כיפופית זו היא אידיאלית עבור יישומים הדורשים דיוק גבוה ותנועה מקומית.

לעומת זאת, באלמנטי פייזו-רבי-שכבות ישנן מספר שכבות פייזו דקות במקביל, המגדילות משמעותית את התפוקה המכנית תוך הפחתת מתח הפעולה. מבנים אלה הם יתרון בתרחישים בהם נדרשים כוח או תזוזה גבוהים יותר, כגון במשטחים האפטיים גדולים יותר או במערכות משובצות בהספק נמוך עם מרווח מתח מוגבל.

אמפליטודת הכיפוף של אלמנט פייזו עומדת ביחס ישר לאות הכניסה, ומאפשרת בקרה ברזולוציה גבוהה הן של מיקום סטטי והן על פרופילי רטט דינמיים. בניגוד לסוגי מפעילים רבים אחרים, אלמנטי פייזו תומכים במודולציה מדויקת של מיקום ואמפליטודה באופן עצמאי, ולכן הם מתאימים היטב עבור יישומים שבהם ניואנסים של אות או משוב מקודד הם קריטיים.

איור 1: "כיפוף" של אלמנט פייזואלקטרי. (מקור התמונה: Same Sky)

יתרונות אלמנטי פייזו בתכני האפטיקה

אלמנטים פייזואלקטריים המשמשים במערכות משוב האפטי מנצלים את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך כדי לייצר תזוזה מכנית מהירה ובעוצמה גבוהה. תכונות החומר האינהרנטיות שלהם מאפשרות זמני תגובה שהם בדרך כלל מתחת ל-1 מילי-שנייה, מה שמאפשר משוב טקטילי בזמן-אמת עם שיהוי מינימלי - מאפיין קריטי ביישומים הדורשים דיוק גבוה ותגובת משתמש מיידית.

בניגוד למפעילים מונעי-מסה (למשל, ERMs או LRAs), התקנים פייזואלקטריים אינם מסתמכים על אינרציה או תהודה של אלמנט תלוי. כתוצאה מכך הם מציגים צריכת הספק נמוכה יותר וזמני התייצבות מהירים יותר. תכונות אלו הופכות אותם למתאימים היטב עבור שילוב במערכות מוזנות סוללות או ניידות, בהן נצילות האנרגיה וגורם הצורה מוגבלים מאוד.

הגיאומטריה הדקה והפרופיל נמוך של אלמנטי פייזו מאפשרים אינטגרציה מכנית קומפקטית. זה מאפשר למהנדסים לשלב מספר מפעילי פייזו בתוך תכן יחיד כדי להגביר את היציאה ההאפטית נטו או לספק אותות טקטיליים בעלי רזולוציה מרחבית על פני ממשק המשתמש. בתצורות כאלה ניתן להשתמש כדי לדמות תנועה, אותות כיווניים או גרדיאנטים של לחץ ביישומים כמו משטחי מגע, התקנים לבישים ומסכי מגע קיבוליים.

מפעילים פייזואלקטריים מציעים יכולת הגדרת תצורה גבוהה מבחינת תדר, אמפליטודה וצורת-הגל של האות הדוחף, ותומכים במגוון של טקסטורות ואפקטי משוב. בנוסף, הטכנולוגיה זמינה במגוון של פורמטים מכניים וחשמליים - כולל קטרים, עוביים, דירוגי מתח וסגנונות הרכבה בהתאמה-מיוחדת - המאפשרים פתרונות מותאמים-במיוחד בשוקי הרכב, רפואה, תעשייה ואלקטרוניקה לצרכנים.

שיקולי תכנון עם אלמנטים פייזואלקטריים

תכנון מערכת משוב האפטי מבוססת-פייזו דורש התייחסות מדוקדקת למספר גורמים עיקריים:

• המסה המונעת: התאימו את כוח המפעיל לעומס האינרציאלי כדי להבטיח העברת רעידות יעילה.
• סוג האלמנט: בחרו בין אלמנטים חד-שכבתיים או רב-שכבתיים בהתבסס על אילוצי מתח, תזוזה וגודל.
• המעטפת המכנית: יש לוודא שהמפעיל מתאים למרחב הזמין ולכיוון ההרכבה.
• ציר ההפעלה: הגדירו את כיוון התנועה כדי לבחור את גיאומטריית האלמנט המתאימה.
• ספק-הכוח והדוחף: התאימו את ספק-הכוח של המערכת לעומס הקיבולי של הפייזו ובחרו בדוחף תואם עבור עירור יעיל.
• דרישות התדר: כווננו את תדר התהודה של האלמנט או את רוחב-הפס הרצוי לקבלת משוב טקטילי אופטימלי.
• תנאים תרמיים: וודאו שתחום טמפרטורות הפעולה של רכיב הפייזו תואם לתנאי הסביבה של המערכת.

סיכום

שילוב משוב האפטי יעיל וידידותי למשתמש במוצר דורש הערכה מדוקדקת של ביצועי המפעיל, כולל עוצמת הרטט, רגישות התגובה, דיוק המיקום, חתימת-השטח ונצילות ההספק. אלמנטים פייזואלקטריים מתאימים היטב עבור דרישות אלו, ומציעים פעולה מדויקת בהספק נמוך במגוון רחב של תנאים. פורטפוליו הרכיבים הפייזואלקטריים של Same Sky תומך בתצורות וגדלים שונים ההופכים אותם לפתרון ורסאטילי עבור הן משוב טקטילי והן חישת רטט במערכות אלקטרוניות מודרניות.