Actuatoarele electromecanice extind opțiunile moderne de comunicație

Actuatoarele haptice electromagnetice reprezintă elemente esențiale în interacțiunea om–mașină. Ele transformă energia electrică într-un răspuns tactil și îmbunătățesc experiența de utilizare a dispozitivelor electronice, precum telefoanele inteligente.

Majoritatea produselor transmit informații prin stimuli vizuali și acustici. În ultimii ani, însă, a început să se impună o a treia dimensiune a comunicării: simțul tactil. Acest concept, cunoscut sub numele de haptică, se regăsește în tot mai multe segmente de piață – de la realitate virtuală și augmentată (VR, AR), la internetul lucrurilor (IoT), industria auto și tehnologia medicală.

Măsurând doar 13 mm × 13 mm, HD-LA1307-SM asigură o accelerație liniară maximă de 1,8G la o frecvență de rezonanță de 154Hz. Un avantaj suplimentar: versiune compatibilă SMD.

Există mai multe tehnologii capabile să genereze un răspuns haptic, iar una dintre cele mai eficiente este cea bazată pe actuatoare haptice. Aceste dispozitive transformă energia electrică în mișcare mecanică și oferă utilizatorilor feedback tactil. Vibrațiile, senzațiile tactile și alte efecte de atingere creează interacțiuni realiste cu dispozitivele electronice, rezultând o interfață om–mașină (HMI) mai intuitivă.

Actuatoarele haptice electromagnetice sunt împărțite, în general, în trei categorii principale: mase rotative excentrice (ERM – Eccentric Rotating Mass), actuatoare rezonante liniare (LRA – Linear Resonant Actuators) și actuatoare cu bobină vocală (VCA – Voice Coil Actuators), denumite și motoare cu bobină vocală (VCM – Voice Coil Motors).

Efecte concrete ale vibrațiilor pentru telefoanele inteligente și alte dispozitive

Figura 1: Proiectarea unui actuator cu masă rotativă excentrică (ERM) (Sursa: PUI Audio)

Actuatoarele ERM generează vibrații prin intermediul unei mase rotative excentrice, atașată la un motor de curent continuu fără perii (figura 1). Atunci când se aplică o tensiune motorului, actuatorul vibrează la o frecvență egală cu cea a rotației complete a masei. Intensitatea vibrațiilor este direct proporțională cu tensiunea de control aplicată actuatorului.

Aceste actuatoare produc un feedback senzorial de frecvență joasă, ușor “zgomotos”. Efectul apare deoarece motorul rotativ are nevoie de un timp scurt pentru a ajunge la viteza dorită la aplicarea tensiunii și, în mod similar, de un interval pentru a se opri complet la frânare. Prin urmare, actuatoarele ERM sunt ideale în aplicații unde nu sunt necesare tipare precise de vibrații, dar se dorește un efect tactil distinct. Ele sunt utilizate frecvent în telefoane inteligente și controlere de jocuri.

Pentru aplicații cu un nivel ridicat de precizie și reglaj fin

Cum funcționează actuatoarele rezonante liniare

Figura 2: Proiectarea unui actuator cu rezonanță liniară (LRA) într-un model tip monedă (coin design) (Sursa: PUI Audio)

Actuatoarele rezonante liniare (LRA, figura 2) generează vibrații printr-o metodă similară tehnologiei difuzoarelor convenționale: o membrană este conectată la o bobină și la un electromagnet. Când bobina este activată electric, aceasta deplasează magnetul și membrana, producând unde sonore. În cazul unui LRA, în locul membranei este atașată o masă. Atunci când bobina este energizată, masa se mișcă, creând oscilații liniare. Mișcarea masei este determinată de frecvența și tensiunea semnalului aplicat, ceea ce permite controlul independent al intensității și frecvenței vibrațiilor.

Avantajele LRA față de ERM

Un avantaj major al actuatoarelor cu rezonanță liniară este reactivitatea lor rapidă și liniară. Spre deosebire de actuatoarele ERM, nu există timp de accelerare: vibrația este resimțită imediat ce bobina este activată, iar masa se deplasează în sus sau în jos.

LRA-urile pot genera modele de vibrații de înaltă rezoluție, care transmit informații utilizatorilor într-un mod mai precis și eficient. În plus, sunt deja disponibile circuite integrate de comandă haptică, cu biblioteci preprogramate de tipare de vibrații. Aceste cipuri includ amplificatoare complexe și circuite de stimulare (boost) pentru controlul direct al actuatorului.

Dimensiuni compacte și aplicații portabile

LRA-urile sunt disponibile în cele mai compacte dimensiuni dintre actuatoarele haptice. Sunt, de asemenea, extrem de eficiente din punct de vedere energetic, ceea ce le face foarte populare în dispozitivele portabile.

Dezvoltarea lor continuă aduce și versiuni compatibile SMD, cu modele aflate în curs de brevetare. Un exemplu este dispozitivul HD-LA1307-SM de la PUI Audio, cu dimensiuni de doar 13 mm × 13 mm, capabil să asigure o accelerație liniară maximă de 1,8 G la o frecvență de rezonanță de 154 Hz.

Pentru o gamă largă de efecte haptice

Figura 3: Proiectarea unui actuator cu bobină vocală (VCA) (Sursa: PUI Audio)

Motoarele cu bobină vocală (VCM) sau actuatoarele cu bobină vocală (VCA) utilizează o bobină plasată într-un câmp magnetic pentru a produce o mișcare liniară (figura 3). Prin această tehnologie se pot genera o gamă variată de efecte haptice realiste: vibrații continue, mișcări direcționale sau reacții la forță. VCA-urile oferă o precizie haptică ridicată și un control avansat asupra efectelor produse, motiv pentru care sunt utilizate pe scară largă în aplicații VR.

VCM-urile/VCA-urile sunt, în general, mai mari decât LRA-urile, ceea ce le permite să creeze vibrații mai puternice și mai realiste decât cele generate de un LRA. Această performanță sporită le face ideale pentru dispozitive haptice performante, însă presupune și un consum energetic mai ridicat comparativ cu LRA-urile.

Alegerea tehnologiei de acționare potrivite pentru fiecare aplicație

Factori de decizie în selecția actuatorului

Figura 4: Comparație între diferitele tehnologii de actuatoare (Sursa: PUI Audio)

Încorporarea feedback-ului tactil prin intermediul tehnologiei haptice permite proiectanților de produse să regândească modul de transmitere a informațiilor către utilizatori. Pentru a obține efecte haptice realiste și o precizie haptică ridicată, este esențial ca aceștia să cunoască diferitele tehnologii de acționare și să selecteze soluția optimă pentru produsul lor. Alegerea actuatorului adecvat depinde de mai mulți factori: cerințe de performanță, dimensiuni, eficiență energetică, greutate, caracteristici de vibrații și costuri. Figura 4 prezintă o comparație între aceste tehnologii.

Limitări și avantaje ale LRA, VCA și ERM

Atât LRA-urile, cât și VCA-urile au o frecvență specifică la care întregul sistem funcționează optim, generând cea mai mare intensitate a vibrațiilor. Înseamnă că aceste dispozitive haptice performante au un domeniu de funcționare relativ restrâns în aplicațiile de zi cu zi. Dezvoltatorii sunt sfătuiți să optimizeze punctul de operare al hardware-ului sau software-ului astfel încât acesta să se alinieze cu intervalul respectiv.

ERM-urile, în schimb, nu sunt afectate de această limitare, deoarece vibrațiile variază doar în funcție de tensiunea aplicată și nu de frecvență. Această caracteristică le permite să acopere o gamă extinsă de frecvențe de vibrație.

Recomandări pentru proiectanți

Tipul adecvat de vibrație trebuie stabilit încă din faza de proiectare a produsului, prin evaluarea atentă a avantajelor și limitărilor fiecărui tip de actuator. Consultarea experților în tehnologia actuatoarelor poate oferi informații valoroase pentru alegerea soluției optime.

Autor: Samet Kaya, Corporate Product Sales Manager Inductors la Rutronik
Rutronik | https://www.rutronik.com

Glosar de termeni

Haptică – domeniu al tehnologiei care oferă feedback tactil utilizatorului prin vibrații sau mișcări.
ERM (Eccentric Rotating Mass) – actuator bazat pe masă rotativă excentrică pentru generarea vibrațiilor.
LRA (Linear Resonant Actuator) – actuator cu rezonanță liniară, oferă vibrații precise și rapide.
VCA/VCM (Voice Coil Actuator/Motor) – actuator cu bobină vocală, utilizat pentru efecte haptice realiste și puternice.
HMI (Human-Machine Interface) – interfața dintre om și mașină, prin care utilizatorul interacționează cu dispozitivele.