Пьезоэлектрические актуаторы TDK: вибромотор с кнопкой или кнопка с вибромотором

Пьезоэлектрические актуаторы PowerHap от компании TDK могут выступать как в качестве виброгенераторов, так и в качестве сенсорных кнопок. Такая универсальность, а также компактные габариты и минимальное потребление делают PowerHap весьма привлекательными для самых различных приложений.
1097
В избранное

Пьезоэлектрические актуаторы PowerHap от компании TDK могут выступать как в качестве виброгенераторов, так и в качестве сенсорных кнопок. Такая универсальность, а также компактные габариты и минимальное потребление делают PowerHap весьма привлекательными для самых различных приложений.

Во всех современных телефонах и смартфонах присутствует такая полезная функция, как вибросигнал. Он используется в качестве беззвучного звонка и будильника, и зачастую становится неотъемлемой частью различных мобильных игр. Вибросигнал необходим и во многих других приложениях: медицинские приборы, игровые манипуляторы, игрушки и т. д. Для создания вибрации применяются вибромоторы различной конструкции: бесколлекторные моторы с эксцентриком, вибромоторы таблеточного типа, закрытые вибромоторы, вибромоторы для монтажа на печатную плату и т.д. (рис. 1). Большинство из них оказывается достаточно громоздкими и  «прожорливыми». Эти недостатки можно устранить с помощью пьезолементов.

Конструкции генераторов вибрации

Рис.1. Конструкции генераторов вибрации 

Недавно компания TDK-Epcos начала выпуск пьезоэлектрических актуаторов PowerHap, которые могут выступать не только в качестве виброгенераторов, но и в качестве сенсорных кнопок. То есть при подаче переменного напряжения на актуатор PowerHap возникает обратный пьезоэффект, вызывающий вибрацию. При механическом нажатии на мембрану актуатора PowerHap возникает прямой пьезоэффект и формируются электрический сигнал, который может быть считан управляющим микроконтроллером.

В настоящий момент TDK выпускает три типа актуаторов PowerHap (рис. 2):

  • PowerHap™ 2.5G (код заказа Z63000Z2910Z 1Z 2) – пьезоэлектрический актуатор с номинальным ускорением 2,5g и габаритными размерами 9 x 9 x 0,6 мм.
  • PowerHap™ 7G (код заказа Z63000Z2910Z 1Z 5) – пьезоэлектрический актуатор с номинальным ускорением 7g и габаритными размерами 12,7 x 12,7 x 1 мм.
  • PowerHap™ 15G (код заказа Z63000Z2910Z 1Z 5) – пьезоэлектрический актуатор с номинальным ускорением 15g и габаритными размерами 26 x 26 x 1 мм.

Внешний вид пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Рис. 2. Внешний вид пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Конструктивно актуаторы PowerHap представляют собой пьезоэлектрическую подложку, на которой приклеена мембрана и сформированы выводы. Для простоты использования выводы «+» и «-» отличаются размерами: «+» имеет большой размер, а «-» маленький размер.

Конструктивное исполнение пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Рис. 3. Конструктивное исполнение пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Актуаторы PowerHap отличаются между собой несколькими ключевыми параметрами:

  • номинальным ускорением;
  • габаритами;
  • величиной деформации мембраны при приложении напряжения;
  • емкостью;
  • энергией переключения;
  • резонансной частотой;
  • напряжением питания.

Если с емкостью, габаритами и рабочим напряжением все понятно, то о других показателях стоит рассказать подробнее.

Номинальное ускорение является условным показателем, зависящим от рабочего напряжения и нагрузки. Например, PowerHap 2.5G имеют максимальное рабочее напряжение 60 В. Они способны достигать ускорений 2,5 g при приложении нагрузки 100 граммов. При приложении большей нагрузки ускорение уменьшается. В частности, при использовании груза 500 г ускорение падет до 0,7 g. И, наоборот, при снижении нагрузки до 20 г ускорение увеличивается до 8 g.

Для PowerHap 7G допустимое рабочее напряжение достигает 120 В, при этом номинальное ускорение составляет 7g (нагрузка 100 г). При использовании нагрузки 20…500 г ускорение изменяется в диапазоне 1,5…30 g.

PowerHap 15G также имеют допустимое рабочее напряжение 120 В, а номинальное ускорение составляет 15g (нагрузка 100 г). При изменении нагрузки 20…500 г ускорение лежит в диапазоне 5…65 g.

Актуаторы PowerHap также различаются величиной деформации мембраны. Максимальную деформацию обеспечивают модели PowerHap 15G – около 200 мкм. Наименьшей деформацией обладают модели PowerHap 2,5G – около 35 мкм. Для PowerHap 7G номинальная деформация составляет 65 мкм.

Параметры емкости, рабочего напряжения и энергии переключения определяют максимальную частоту актуаторов PowerHap. Для всех моделей максимальная частота ограничена 500 Гц при работе с прямоугольным сигналом возбуждения с предельным рабочим напряжением (60/120 В). При этом граничное значение определяется максимальным перегревом 30 °С. При снижении напряжения возбуждения без проблем можно работать в диапазоне 1 Гц…1000 Гц.

Энергия на переключения пьезоэлектрических актуаторов PowerHap оказывается очень низкой: 1,8 мДж для PowerHap 2.5G, 9 и 41 мДж для PowerHap 7G и PowerHap 15G, соответственно. Это обеспечивает значительно меньшее потребление, чем у классических вибромоторов. Очевидно, что данный факт важен для всех без исключения мобильных приложений.

Большим плюсом PowerHap является возможность их использования в качестве сенсорных кнопок. В таком случае они работают с прямым пьезоэлектрическим эффектом и генерируют напряжение при приложении внешнего давления.

Существует несколько вариантов монтажа PowerHap (рис. 4). В самом простом случае PowerHap размещается в камере с зафиксированной и гибкой передней панелью. Возможно и применение подпружиненной передней панели. При этом в обоих вариантах допускается приложение некоторой начальной нагрузки смещения. Такое решение позволит увеличить быстродействие и чувствительность.

Варианты монтажа пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Рис. 4. Варианты монтажа пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

При использовании PowerHap у разработчиков могут возникнуть проблемы со схемотехнической реализацией драйверов. По этой причине на начальных этапах для ознакомления с особенностями актуаторов рекомендуется использовать один из фирменных отладочных наборов.

Z63000Z2910Z1Z7 – отладочный набор, включающий материнскую плату, один драйвер для PowerHap, плату управления от STMicroelectronics (STM32F407G-DISC1), адаптер питания 12 В, плату высоковольтного преобразователя, один пьезоэлектрический актуатор PowerHap (15G; 7G; 2.5G), USB-накопитель с документацией и программами для ПК, USB-кабель (рис. 5).

Внешний вид отладочного набора Z63000Z2910Z1Z7

Рис. 5. Внешний вид отладочного набора Z63000Z2910Z1Z7

Отладочный набор Z63000Z2910Z1Z7 имеет один драйвер и может работать с одним актуатором. Для одновременной работы с большим числом актуаторов следует использовать отладочный набор Z63000Z2910Z1Z1.

Z63000Z2910Z1Z1 – отладочный набор, по функционалу идентичный рассмотренному выше, но имеющий 5 драйверов для работы с пятью актуаторами (рис. 6). Стоит отметить, что если верить документации, то в комплекте с набором идет только один актуатор.

Внешний вид отладочного набора Z63000Z2910Z1Z1

Рис. 6. Внешний вид отладочного набора Z63000Z2910Z1Z1

Драйверы из наборов Z63000Z2910Z1Z1 построены на базе микросхем IR2184S и силовых ключей IRFR220NPbF от International Rectifier (Infineon). Их габаритные размеры оказываются достаточно громоздкими. Подобные решения вряд ли подходят для портативных систем и приложений. Однако в реальности драйвер может быть гораздо компактнее. Это легко продемонстрировать на примере отладочного набора Z63000Z2910Z1Z44.

Z63000Z2910Z1Z44 – отладочный набор, который представляет собой совмещенную плату USB-адаптера для подключения к ПК и две отделяемые платы драйверов (отделены перфорацией и могут быть отломаны при необходимости) (рис. 7). Кроме отладочной платы в комплекте идут три пьезоэлектрических актуатора (PowerHap 2.5G, 04H018V060 и 204H024V060) и USB-кабель.

Внешний вид отладочной платы Z63000Z2910Z1Z44

Рис. 7. Внешний вид отладочной платы Z63000Z2910Z1Z44

Платы драйверов построены на базе микросхемы BOS1901 от компании Boreas Technologies и отличаются достаточно компактными размерами. На рис. 7 «эффективная» площадь драйверов очерчена белой линией на слое шелкографии.

Кроме скромных габаритных размеров драйверы BOS1901 от Boreas отличаются и относительно простой схемой включения (рис. 8). Каждый драйвер может управлять либо одним актуатором в дифференциальном режиме, либо парой актуаторов.

Схемы включения драйверов BOS1901

Рис. 8. Схемы включения драйверов BOS1901

Плата Z63000Z2910Z1Z44 обеспечивает несколько режимов работы. Например, актуаторы PowerHap могут использоваться либо в качестве кнопки (рис. 9), либо в качестве виброгенератора (рис. 10).

Z63000Z2910Z1Z44 позволяет использовать пьезоэлектрические актуаторы PowerHap в режиме кнопки

Рис. 9. Z63000Z2910Z1Z44 позволяет использовать пьезоэлектрические актуаторы PowerHap в режиме кнопки

Интересно, что для генерации вибраций можно использовать популярную и бесплатную программу Audacity (рис. 10). Пользователю достаточно создать звуковую дорожку с желаемой длительностью и частотой колебаний и вывести ее на актуатор. В результате отладка оказывается максимально наглядной и простой.

Создание профиля колебаний в Audacity

Рис. 10. Создание профиля колебаний в Audacity

В качестве заключения хотелось бы еще раз отметить потенциальные преимущества пьезоэлектрических актуаторов PowerHap:

  • Универсальность: работа в режиме кнопки и в режиме виброгенератора;
  • Сверхкомпактные габариты;
  • Минимальное потребление;
  • Наличие моделей с различными показателями деформаций и ускорений.

По мнению компании TDK пьезоэлектрические актуаторы PowerHap будут востребованы в мобильных устройствах (телефоны, смартфоны), медицинских портативных приборах, в автомобильной электронике, в игровых манипуляторах и т.д. (рис. 11).

Потенциальные области применения для пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Рис. 11. Потенциальные области применения для пьезоэлектрических актуаторов PowerHap

Производитель: EPCOS AG
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
Z63000Z2910Z1Z4
EPCOS AG
Арт.: 2834357
Поиск
предложений
Z63000Z2910Z1Z4
-
Поиск
предложений
Z63000Z2910Z1Z2
EPCOS AG
Арт.: 2834372
Доступно: 18 шт.
Выбрать
условия
поставки
Z63000Z2910Z1Z2 от 1 шт. от 3597,36
18 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Z63000Z2910Z1Z5
EPCOS AG
Арт.: 2834374
Доступно: 13 шт.
Выбрать
условия
поставки
Z63000Z2910Z1Z5 от 1 шт. от 4797,27
13 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: TDK Electronic Components & Systems
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
Z63000Z2910Z1Z44
Z63000Z2910Z1Z44
TDK Electronic Components & Systems
Арт.: 3158899 ИНФО
Поиск
предложений
Power Management IC Development Tools PowerHap Dev Kit with Boreas Driver
Z63000Z2910Z1Z44
-
Поиск
предложений
Z63000Z2910Z1Z1
TDK Electronic Components & Systems
Арт.: 3159019
Поиск
предложений
Z63000Z2910Z1Z1
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()