Nous avons beaucoup évoqué le fait que les actionneurs piézoélectriques offrent de meilleures performances que les actionneurs à masse rotative excentrique (ERM) et les actionneurs linéaires résonants (LRA). Si vous souhaitez en savoir plus sur les spécificités de chacune de ces technologies, nous vous invitons à lire ces trois articles que nous avons rédigés :
Le lancement de notre produit à faible consommation Architecture du moteur haptique piézoélectriqueCapDrive™ a ravivé l'intérêt du secteur pour les effets tactiles piézoélectriques. Les technologies piézoélectriques étant différentes des ERM et des LRA, il est nécessaire de rappeler quelques principes mécaniques fondamentaux afin d'optimiser leur intégration. Remplacer un ERM ou un LRA ne se résume pas à fixer un actionneur piézoélectrique au même endroit à l'aide d'un adhésif. Une telle approche donnerait des résultats décevants et orienterait votre équipe dans la mauvaise direction.
La technologie piézo-haptique repose sur un principe mécanique différent et nécessite une approche distincte pour garantir une intégration réussie offrant de meilleurs effets tactiles. Voyons en quoi la technologie piézo-haptique se distingue des ERM et des LRA, et quel sera son impact sur leur intégration.
Image d'un téléphone ouvert avec un LRA : y installer un actionneur piézoélectrique ne produira guère plus qu'un léger bruit.
Comprendre les tableaux comparatifs des actionneurs haptiques – Décrypter l'accélération
Même si les technologies haptiques s'efforcent de créer des effets sophistiqués, elles ne peuvent échapper aux lois de la physique ! Pour comprendre le fonctionnement des actionneurs haptiques, il faut se référer à certaines des lois les plus fondamentales de la mécanique classique, à savoir les lois du mouvement d'Isaac Newton :
Première loi
Dans un référentiel inertiel, un objet reste au repos ou continue de se déplacer à vitesse constante, à moins qu'une force n'agisse sur lui.
Deuxième loi
Dans un référentiel inertiel, la somme vectorielle des forces F agissant 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).
Troisième loi
Lorsqu'un corps exerce une force sur un autre corps, ce dernier exerce simultanément une force de même intensité mais de sens opposé sur le premier corps.[1]
Les tableaux comparatifs en matière d'haptique présentent quelques lacunes. La force de retour que nous ressentons correspond à la force de mouvement générée par l'actionneur. Pourquoi le secteur se réfère-t-il à l'accélération pour comparer l'intensité du retour ? Les valeurs d'accélération que l'on trouve dans ces tableaux sont basées sur des mesures effectuées à l'aide d'un accéléromètre sur une masse identique pour chaque actionneur haptique. Comme chaque actionneur est comparé sur la base d'une masse identique, on peut isoler la valeur d'accélération. Il est donc vrai que l'actionneur présentant la valeur d'accélération la plus élevée produira le retour le plus fort, mais leurs performances ne sont pas mesurées exactement de la même manière.
S'il est vrai que le simple fait de fixer un ERM ou un LRA à une masse donnée suffit à la déplacer, on ne peut pas s'attendre au même résultat en fixant un actionneur piézoélectrique. La valeur d'accélération de l'actionneur piézoélectrique est mesurée avec la masse placée au-dessus de celui-ci. Nous verrons pourquoi cela diffère et pourquoi il est nécessaire d'adopter une approche différente pour intégrer avec succès la technologie haptique piézoélectrique dans la conception de votre produit.
Composants d'actionneurs haptiques
Nous avons vu que les technologies haptiques s'appuient sur les lois du mouvement de Newton. Pour générer une force, les actionneurs haptiques ont besoin de deux éléments : une masse et un moteur permettant de lui imprimer une accélération. Lorsque l'on compare les technologies haptiques, on compare en fin de compte le type de moteur utilisé pour générer cette accélération.
Actionneur haptique = moteur + masse
Examinons les composants qui constituent chaque actionneur haptique, et nous verrons pourquoi il n'est pas possible de remplacer directement un ERM ou un LRA par un actionneur piézoélectrique.
Composants de l'actionneur à masse rotative excentrique (ERM)
Les vibrations des MCE sont créées par la rotation d'une masse excentrée à l'aide d'un moteur à courant continu (le moteur). Le mouvement de la masse crée une force déséquilibrée, donc une vibration.
Bien qu'il soit compliqué de calculer l'axe de mouvement de la masse excentrée, il suffit de comprendre que la force créée par la rotation de la masse déséquilibrée est transférée au moteur à courant continu. L'actionneur ERM est collé à l'appareil à la base du moteur à courant continu, de sorte que la vibration induite par le moteur à courant continu est ensuite transmise à l'appareil.
Les principes de la loi du mouvement de Newton sont respectés : La masse excentrée et la rotation du moteur créent une force de déplacement qui se transmet de l'actionneur au dispositif auquel il est lié.
Composants de l'actionneur linéaire à résonance (LRA)
Les vibrations des ARS sont créées par une masse magnétique suspendue entraînée par une bobine vocale (le moteur). L'alimentation en courant de la bobine vocale crée un champ magnétique qui peut déplacer la masse magnétique sur le même axe que celui sur lequel les ressorts sont alignés.
La masse magnétique doit osciller à une fréquence proche de sa fréquence propre pour entrer en résonance et générer la force maximale. La fréquence de résonance est déterminée par la masse et la rigidité des ressorts de suspension.
Là encore, les principes de la loi du mouvement de Newton sont respectés : Le mouvement de la masse magnétique suspendue (m), grâce à la bobine vocale (a), crée une force de déplacement qui est transférée à l'appareil par l'intermédiaire des ressorts.
Composants pour actionneurs piézoélectriques
Dans cet exemple, nous allons utiliser le Gamme d'actionneurs piézoélectriquesPowerHap™ de TDK car ils partagent tous les mêmes principes de conception. Ces actionneurs piézoélectriques ne fonctionnent pas comme les capteurs piézoélectriques. Au contraire, PowerHap se contractent mécaniquement lorsqu'ils sont sous tension (haute tension). La contraction du matériau piézoélectrique force les cymbales métalliques à se dilater. C'est ainsi que l'actionneur peut pousser contre une masse. Si vous essayez de pousser une masse d'un côté de l'actionneur, l'autre côté doit s'appuyer sur une surface qui transmettra la force à l'appareil, qui a une masse. Là encore, si votre dispositif est soumis à une force et possède une masse, la deuxième loi de Newton stipule que votre dispositif finira par vibrer.
La raison pour laquelle les actionneurs piézo-électriques ne peuvent pas remplacer directement les technologies existantes est qu'il ne s'agit pas d'actionneurs haptiques, mais de moteurs. Tout comme le moteur à courant continu de l'ERM et la bobine vocale du LRA, les actionneurs piézoélectriques n'ont pas de masse intégrée.
Si l'on considère les principes de la loi du mouvement de Newton, l'actionneur piézoélectrique est le moteur et génère une accélération (a), mais il nous manque la masse (m) pour créer une force de mouvement percutante.
Cela signifie-t-il qu'il est impossible de remplacer les LRA et les ERM par des haptiques piézoélectriques pour faire vibrer un appareil complet ? Non, cela signifie que vous devez trouver une masse à déplacer avec l'actionneur piézo pour le faire et nous pensons que c'est un avantage de la technologie ! Elle offre une plus grande flexibilité pour régler les haptiques piézoélectriques afin d'obtenir des effets tactiles optimaux en fonction de votre objectif. La combinaison d'un actionneur piézoélectrique et d'une petite masse est parfaite pour un retour d'information localisé et pour remplacer les boutons mécaniques. Associés à une masse plus lourde, les actionneurs piézoélectriques peuvent créer une force suffisante pour faire vibrer l'ensemble du dispositif auquel ils sont liés. Le dispositif peut également être la masse elle-même, comme un écran d'automobile. Ce niveau de flexibilité n'est pas offert par les technologies haptiques traditionnelles.
L'équipe d'ingénierie mécanique de Boréas Technologies – Conception de solutions sur mesure pour votre produit.
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[1] Les lois du mouvement de Newton. (14 février 2020). Consulté sur https://en.wikipedia.org/wiki/Newton's_laws_of_motion
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