Le choix du matériel adéquat est essentiel dans une solution haptique piézoélectrique. Cette solution se compose d'un actionneur piézoélectrique et d'un pilote haptique piézoélectrique (amplificateur). Ces deux éléments sont étroitement liés et dépendent l'un de l'autre pour offrir le meilleur retour tactile possible. Il est donc primordial de choisir les bons composants pour obtenir les meilleurs résultats possibles.
Pour vous aider à choisir la combinaison idéale, nous allons voir quelles sont les caractéristiques techniques à prendre en compte lors du choix des composants de votre solution haptique piézoélectrique. Cette décision impliquera de nombreux membres de votre équipe : les concepteurs de produits, les ingénieurs en mécanique et les ingénieurs en électricité vous aideront à analyser et à sélectionner les composants haptiques piézoélectriques adaptés. Commençons par la première étape : choisir l'actionneur piézoélectrique adapté à votre application.
Choisir le bon actionneur piézo-haptique
Le produit que vous concevez aura une influence déterminante sur le choix de la combinaison d'actionneur piézo-haptique et de circuit d'attaque que vous pourrez utiliser. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte, car l'intégration d'une technologie piézo-haptique dans un smartphone diffère considérablement de l'ajout d'une fonction haptique à un écran automobile. Pour choisir le meilleur actionneur, vous devez être en mesure de répondre à quatre questions :
- Quelle est la masse que vous essayez de déplacer ?
- De quel volume ou de quelle surface dispose-t-on ?
- Quelle est la source d'alimentation ?
- Avez-vous besoin d'une fonction de détection de la force dans votre produit ?
1. Messe
Avant de choisir vos composants piézoélectriques, vous devez tout d'abord tenir compte de la force requise. L'intensité de la force de rétroaction repose sur les lois du mouvement d'Isaac Newton. Pour en savoir plus sur les principes mécaniques des actionneurs haptiques piézoélectriques, cliquez ici.
La deuxième loi du mouvement de Newton stipule que la somme des forces F exercées sur un objet est égale à la masse m de cet objet multipliée par son accélération a : F = ma. (On suppose ici que la masse m est constante)
Le rôle de l'actionneur piézoélectrique est de générer une accélération. C'est le moteur de votre solution haptique. Vous devez déterminer la masse que vous souhaitez déplacer. Si cette masse est faible, comme pour remplacer un bouton sur un smartphone, vous pouvez obtenir une forte accélération avec une force (N) moindre. À l'inverse, si vous essayez de déplacer un système d'infodivertissement automobile volumineux et lourd, vous aurez besoin d'un actionneur à force (N) plus élevée pour obtenir la même accélération et le même retour tactile.
Lorsqu'on examine un actionneur donné, le fait de déplacer une masse plus importante limitera l'accélération maximale pouvant être atteinte.
2. Volume
Le deuxième élément à déterminer avant de choisir votre actionneur piézoélectrique est l'espace dont vous disposez réellement pour intégrer ce composant dans la conception de votre produit. Les actionneurs piézoélectriques se présentent souvent sous différentes formes et peuvent exercer une force selon différents axes.
Vous devez connaître l'espace dont vous disposez pour installer l'actionneur et déterminer quel axe vous utiliserez pour générer la vibration souhaitée.
Cela dépendra encore une fois de votre application et du type d'effet tactile que vous souhaitez obtenir. Vous devrez peut-être adapter votre conception en fonction de l'actionneur piézoélectrique pour pouvoir l'intégrer ; il est donc préférable de savoir dès le départ quel type d'actionneur piézoélectrique vous comptez utiliser.
3. Source d'alimentation
Un autre aspect essentiel à prendre en compte avant de choisir votre composant piézo-haptique est la source d'alimentation de votre produit. La technologie piézo-haptique nécessite une tension élevée pour fonctionner. C'est pourquoi vous avez besoin d'un circuit d'attaque piézo : il contrôle l'actionneur et amplifie la tension élevée requise provenant de la source d'alimentation. Vous devez donc tenir compte de votre source d'alimentation pour vous assurer qu'elle fournira suffisamment d'énergie pour alimenter le pilote piézo. La batterie d'un appareil mobile n'offre pas les mêmes niveaux de puissance qu'un alternateur automobile, par exemple. Les pilotes piézo sont conçus en fonction de ces paramètres et peuvent ne pas fonctionner avec toutes les sources d'alimentation. Vous devez choisir vos composants en conséquence.
4. Détection de la force
Grâce à l'effet piézoélectrique réversible, les actionneurs piézoélectriques peuvent également servir de capteurs de force. Les matériaux piézoélectriques génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont déformés. Cette caractéristique peut s'avérer très utile dans les applications où le retour d'information est déclenché par une action de l'utilisateur, comme le remplacement de boutons.
Vous disposez désormais de toutes les informations nécessaires pour choisir le meilleur actionneur piézoélectrique ! Vous pouvez désormais sélectionner un circuit d'attaque piézoélectrique adapté pour compléter votre solution haptique. N'oubliez pas qu'il est essentiel de garder à l'esprit les spécifications techniques de l'actionneur ; celles-ci vous aideront à choisir votre circuit d'attaque.
Choisir le bon module piézo-haptique
Le choix de votre amplificateur piézoélectrique dépendra de votre actionneur. Les deux fonctions principales de votre amplificateur piézoélectrique consistent à amplifier la tension de votre source d'alimentation et à commander l'actionneur. Par conséquent, les caractéristiques techniques de votre actionneur sont essentielles pour choisir le meilleur amplificateur piézoélectrique. Les caractéristiques techniques de l'actionneur dont vous avez besoin pour choisir votre amplificateur piézoélectrique sont la tension de sortie requise, la polarité, la charge capacitive et la bande passante de sortie.
1. Tension
L'effet piézoélectrique désigne l'interaction entre le potentiel mécanique et le potentiel électrique dans les matériaux cristallins. L'application d'une tension à un matériau piézoélectrique modifie la polarisation électrique des cristaux et provoque une déformation mécanique (le matériau peut se dilater ou se contracter).
Allongement du condensateur TDKPowerHap™ 0904H014V060 mesuré entre les embouts en forme de cymbale en fonction de la tension. Source : Fiche technique du 0904H014V060
Le mouvement mécanique de l'actionneur piézoélectrique résulte du champ électrique appliqué au matériau. Il est donc essentiel de respecter les exigences de tension minimale de votre circuit d'attaque piézoélectrique. Une tension inférieure à celle requise entraînera un mouvement réduit du matériau et une réponse moindre de l'actionneur.
Diagramme force-coursedu TDKPowerHap™ 0904H014V060 avec différents ressorts de charge. Rigidité typique : 150 N/mm. Source : Fiche technique 0904H014V060
2. Polarité
En ce qui concerne la polarité du matériau, vous devez faire attention lorsque vous choisissez votre transducteur piézoélectrique. Certains actionneurs sont bipolaires, ce qui signifie qu'ils peuvent supporter des formes d'onde présentant à la fois des amplitudes positives et négatives, tandis que d'autres sont unipolaires, c'est-à-dire qu'ils ne fonctionnent qu'avec des formes d'onde à tension positive.
Notre circuit d'attaque piézoélectrique BOS1901 est bipolaire ; il peut fournir une tension de 190 volts crête à crête (+95 et –95 V).
Vous devez connaître la polarité de votre actionneur pour choisir un circuit d'attaque piézoélectrique qui fonctionne correctement. En général, un circuit d'attaque bipolaire peut piloter un actionneur piézoélectrique unipolaire, mais l'inverse n'est pas vrai.
3. Charge capacitive
Les actionneurs piézoélectriques possèdent une capacité inhérente, ce qui signifie qu'ils se comportent électriquement comme un condensateur. Cette capacité, qui varie généralement de quelques nF à quelques µF pour les actionneurs piézoélectriques haptiques, détermine la quantité d'énergie nécessaire pour générer une tension suffisante afin de provoquer une déformation du matériau piézoélectrique et ainsi créer une vibration.
Une charge capacitive plus élevée nécessitera une puissance plus importante pour la charger rapidement ; assurez-vous donc que votre circuit d'attaque piézoélectrique prend en charge la capacité de l'actionneur.
4. Largeur de bande de la fréquence de sortie
Courbe d'accélération crête à crêtedu TDKPowerHap™ 0904H014V060 en fonction de la fréquence pour différentes charges. Source : Fiche technique du 0904H014V060
La fréquence joue un rôle important dans la qualité de l'haptique, et ce pour trois raisons :
- Une fréquence plus élevée correspond généralement à une accélération plus forte et à un effet perçu plus intense pour un récepteur sensoriel donné.
- Notre système somatosensoriel (sens du toucher) fait appel à différents récepteurs en fonction de la fréquence des vibrations. Selon le type d'effet tactile que vous souhaitez obtenir, vous devez veiller à utiliser la gamme de fréquences adaptée au récepteur tactile approprié.
- La fréquence de résonance propre de la masse que vous essayez de déplacer. La résonance propre est la fréquence à laquelle la masse entre en résonance lorsqu'elle vibre, ce qui signifie que le déplacement de la masse est amplifié au maximum. En règle générale, une masse plus faible augmente la fréquence propre, tandis qu'une masse plus importante la réduit. Ce concept est essentiel pour les applications visant à maximiser l'effet des vibrations continues.
Les actionneurs piézoélectriques disposent d'une large bande passante, ce qui signifie qu'ils peuvent vibrer sur une plage de fréquences continue. Il faut un circuit d'attaque piézo capable de fournir la fréquence maximale requise pour la capacité de l'actionneur ainsi que la tension maximale afin d'obtenir ses meilleures performances en termes d'accélération.
5. Consommation électrique
Bien que la consommation d'énergie ne soit pas liée à la qualité du retour d'information de l'actionneur, elle reste un facteur important dans le choix d'un pilote piézoélectrique. Une consommation d'énergie élevée épuisera la batterie de votre appareil et générera une chaleur excessive qui peut limiter la fonctionnalité ou même constituer un danger pour le système.
Tous les pilotes piézoélectriques ne sont pas économes en énergie. Les technologies de pilotes piézoélectriques précédentes utilisaient des architectures inefficaces pour amplifier la tension et générer des formes d'onde à haute tension. Elles consommaient énormément d'énergie. L'architecture de la technologie CapDrive™ de Boréas Technologies est différente. Elle récupère l'énergie de la capacité interne de l'actionneur et la réutilise au lieu de vider toute la batterie. Elle permet à nos pilotes de consommer moins d'un dixième de l'énergie des autres pilotes piézoélectriques du marché et d'éviter tout problème de surchauffe.
Bonus : fonction exclusive de détection de la forceCapDriveTM
Un autre avantage de notre Technologie CapDriveTM c'est la capacité du pilote à percevoir la pression exercée sur l'actionneur piézoélectrique. L'effet piézoélectrique étant réversible, cela signifie que l'actionneur génère une tension électrique lorsqu'une contrainte mécanique lui est appliquée. CapDriveTM Les pilotes peuvent détecter cette variation de tension et permettent d'utiliser un seul circuit intégré pour les fonctions de détection et de retour haptique. Cela signifie que, selon votre application et l'intégration de l'actionneur, vous pourriez être en mesure de remplacer l'ensemble du matériel de détection par votre solution haptique.
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