휴대용 터치 스크린 설계에 향상된 촉각 피드백을 제공하는 새로운 압전 액추에이터

터치 스크린 사용자 인터페이스는 기계 인터페이스에 비해 이점이 분명하기 때문에 널리 사용되고 있습니다. 소비자의 입장에서 볼 때 인터페이스가 세련되고 직관적이며, 산업용 사용자의 입장에서도 봉인된 디스플레이로 인해 먼지 및 습기 유입 문제가 방지됩니다. 하지만 두 입장 모두에 단점도 있습니다. 예를 들어, 소비자는 기계식 스위치의 클릭 방식에서 제공하는 편의성과 만족도를 느끼지 못할 수 있으며, 산업용 사용자는 장갑 낀 손으로 터치 스크린을 작동할 경우 버튼 누름을 확인하는 데 어려움이 있습니다.

터치 스크린의 느낌이 부족한 점을 극복하기 위해 버튼 작동 시 진동이 일어나는 촉각 피드백을 사용했지만, 기존의 솔루션은 크고 복잡한 기계 시스템을 사용하는 경향이 있습니다. 여기에는 편심 회전 질량(ERM) 진동 모터와 선형 공진 액추에이터(LRA)가 포함됩니다. 압전 촉각 피드백은 더 콤팩트하고 유연한 대안입니다. 하지만 최근까지도 높은 작동 전압으로 인해 배터리로 구동되는 최종 제품의 중요 요구 사항인 저전력 소비 응용 분야에서 사용하는 데 어려움이 있었습니다.

그러나 압전 “고화질” 촉각 솔루션의 발전으로 전력 소비 문제가 해결되고, 높이가 낮은 콤팩트 폼 팩터, 강한 힘 피드백, 빠른 응답 시간 등 다른 이점이 촉각 인터페이스 설계에서 나타납니다.

이 기사에서는 ERM 및 LRA에 대한 새로운 압전 촉각 액추에이터의 이점을 살펴보고, 이전의 전력 소비 문제를 해결하는 다층 구조 및 양극 주행 모드 기반의 차세대 장치와 효과적인 전용 구동기를 소개합니다. 그런 다음 엔지니어가 TDK의 촉각 예시와 Boréas Technologies 및 Texas Instruments(TI)의 구동기를 사용하여 다음 터치 스크린 촉각 피드백 제품에서 이러한 액추에이터와 구동기를 활용할 수 있는 방법을 보여줍니다.

촉각 피드백 옵션

터치 스크린 인터페이스에 촉각 피드백을 추가하려는 설계자는 세 가지 옵션(ERM, LRA, 압전 액추에이터) 중에서 선택할 수 있습니다. 세 옵션은 모두 동일한 기본 원칙이 적용되어 작동합니다. 즉, 마이크로 컨트롤러가 작동을 감시하고 구동기가 액추에이터를 제어하여 진동을 발생합니다(그림 1). 차이점은 진동이 발생하는 방법에 있습니다. 즉, ERM에서는 편심 회전 중량을 사용하고, LRA에서는 코일 스프링에 매달린 자기 중량을 사용하고, 압전 장치에서는 전기장에 적용될 때 수정 또는 세라믹 물체의 크기를 변경시키는(반전) 압전 효과를 사용합니다.

그림 1: 촉각 터치 스크린 시스템은 마이크로 컨트롤러, 구동기, 액추에이터로 구성됩니다. 이 예에서 액추에이터는 압전 장치이지만 ERM과 LRA는 널리 사용되는 대안입니다. (이미지 출처: Boréas Technologies)

ERM 및 LRA는 저전압(약 3V) 옵션을 제공하고 간단한 구동기가 필요하므로 주로 휴대용 설계에 널리 사용되는 것으로 입증되었습니다. 이에 비해 기존 압전 장치는 우수한 소비자 경험을 구축하는 데 충분한 기계적 변형을 생성하기 위해 훨씬 더 높은 전압(최대 200V)이 필요합니다. 기존 압전 촉각 구동기 기술은 처음부터 저전력을 염두에 두고 설계되지 않고 일반적으로 축소형 오디오 증폭기 기술을 기반으로 하므로 이렇게 높은 전압이 필요합니다. 또한 전용 저전력 촉각 액추에이터 구동기가 부족하여 설계자가 비효율적인 솔루션을 선택하게 되는 설계적 문제점이 있습니다.

하지만 압전 솔루션은 고화질 촉각을 지원하여 피드백을 단순한 모노톤 진동 이상으로 개선하는 이점이 있습니다. 예를 들어, 압전 액추에이터는 주파수와 진폭에 따라 다른 진동을 생성하고 단일 버튼을 누를 때와 다른 결과를 나타낼 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 압전 촉각 액추에이터에서는 다양한 진동을 사용하여 단일 버튼을 작동할 때와 다른 결과를 나타낼 수 있습니다. (이미지 출처: Boréas Technologies)

요약하면 고화질 촉각 피드백 솔루션은 다음이 필요합니다.

• 폭넓은 대역폭: 광범위한 진동 주파수 및 모드 지원
• 높은 가속[g]: 더 강력한 피드백 힘 지원
• 큰 변위: 촉각 피드백 감도 향상
• 낮은 대기 시간: 빠른 응답 시간을 통해 피드백 범위 향상

표 1에서는 각 촉각 피드백 솔루션의 성능을 요약하여 설명하고, 압전 솔루션이 대역폭, 피드백 힘과 감도, 대기 시간을 필요에 따라 결합하므로 고화질 응용 분야에 유일한 선택 옵션임을 보여줍니다.

표 1: 촉각 피드백 솔루션의 작동 특성 비교. 압전 장치는 고화질 촉각 피드백에 필요한 우수한 가속(측정 단위: ‘g’, 1g = 지구 표면의 중력(9.81m/s²)에 따른 가속), 변위와 응답 시간, 맞춤형 파형을 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey, 작성자 인용)

촉각 피드백에 화질과 맥락을 제공하는 맞춤형 파형을 생성하는 데 필요한 추가 기능으로 인해 압전 액추에이터의 구동기 복잡성이 일부 추가됩니다. ERM 및 LRA는 맞춤형 파형을 지원할 수 없으므로 구동기가 더 간단합니다.

새로운 압전 촉각 피드백 장치의 이점

최근에 압전 액추에이터 및 효율적인 전용 구동기 모두를 위한 제품이 도입되면서 이러한 기술은 배터리 구동 제품에 훨씬 효율적인 솔루션이 되었습니다. 예를 들어, TDK의 PowerHap B54102H1020A001(면적 12.7mm²) 및 B54101H1020A001(면적 26mm²)과 같은 최근에 소개된 압전 촉각 제품은 높이가 2.5mm 미만이고 다층 구조를 사용합니다. 이에 반해 오디오 증폭기 기술을 기반으로 하는 장치에서는 단일 계층을 사용합니다. 이 다층 구조는 구동 전압을 60V ~ 120V 사이로 낮추어 구동기에 대한 요구 사항을 어느 정도 완화합니다.

TDK 다층형 제품의 각 계층은 반전 압전 효과로 인해 ‘z’ 방향으로 약간만 확장됩니다. 하지만 압전 장치는 일정한 볼륨을 유지해야 하므로 계층의 ‘x’ 및 ‘y’ 크기가 동시에 수축합니다.

TDK 제품은 압전 장치의 양쪽 끝에 있는 심벌즈 쌍을 사용하여 이 수축을 기계적으로 증폭하여 z축 이동을 15배 늘림으로써 모델에 따라 35µm ~ 65µm 사이의 변위가 일어납니다(그림 3). 100g 부하(단극 작동, 단일 펄스 사인파, 200Hz)에서 대형 TDK 액추에이터는 단 1ms 이내에 30g 피크 간 가속을 달성합니다. 설계자는 1Hz ~ 1000Hz 주파수 범위에서 맞춤형 고화질 촉각 피드백 프로파일을 개발할 수 있습니다.

그림 3: TDK 압전 촉각 액추에이터는 다층 구조와 심벌즈를 사용하여 z축 이동을 증폭합니다. (이미지 출처: TDK)

TDK 압전 촉각 액추에이터는 단극 모드 또는 양극 모드로 작동할 수 있습니다. 단극 작동에서는 액추에이터 전반에서 양의 전압을 적용하고, 양극 작동에서는 피크 양수 값과 음수 값 사이에서 전압이 달라집니다. 양극 작동에서는 동일한 피크 간 전압으로 더 큰 변위를 달성하거나, 더 낮은 피크 간 전압으로 동일한 변위를 달성할 수 있다는 이점이 있습니다. 하지만 양극 작동은 액추에이터에서 기계 및 전기적 부하가 증가한다는 단점이 있습니다(그림 4).

그림 4: 양극 작동(오른쪽)은 단극과 동일한 기계적 변위를 제공하지만 더 낮은 피크 간 전압을 사용합니다. (이미지 출처: TDK)

또한 실리콘 벤더들은 최근에 촉각 피드백 응용 제품용으로 특별히 고안된 구동기 칩을 발표했습니다. 이러한 향상된 설계는 양호한 주파수 범위 전반에서 다양한 진동 코드를 생성하고 이전 설계보다 훨씬 높은 효율로 작동하면서 단극 또는 양극 구동 특성을 제공할 수 있습니다. 예를 들면 Boréas Technologies의 BOS1901CQT 압전 촉각 구동기와 Texas Instruments의 DRV2667 모터 전력 구동기가 있습니다.

Boréas Technologies의 IC는 에너지 복구 기술을 통합하고 여러 진동 신호를 생성할 수 있는 단일 칩 압전 액추에이터 구동기입니다. 이 칩은 3V ~ 5.5V 공급 전압에서 최대 190V_pk-pk로 액추에이터를 구동할 수 있습니다. BOS1901은 고속 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)를 사용하며 디지털 프런트 엔드를 통해 모든 설정을 조정할 수 있습니다. 일반적인 시작 시간은 300μs 미만으로 낮은 대기 시간으로 해석됩니다.

TI 칩은 고전압 액추에이터와 저전압 액추에이터를 모두 구동할 수 있는 통합 105V 부스트 스위치와 디지털 프런트 엔드를 탑재한 압전 촉각 구동기입니다. 디지털 프런트 엔드는 마이크로 프로세서의 펄스 폭 변조(PWM) 생성 부담 또는 호스트 시스템의 추가 아날로그 채널 요구 사항에 대한 필요성을 완화합니다. 이 칩에는 파형 저장 및 회수를 위한 전용 메모리와 고급 파형 합성기가 포함되어 있습니다. 2ms의 일반적인 시작 시간은 대기 시간을 제한하고, 열 과부하 보호는 과부하로 인해 장치가 손상되는 것을 방지합니다.

압전 촉각 시스템 설계

Boréas 칩과 TI 칩은 모두 응용 프로세서를 이미 포함하고 있는 터치 지원 시스템에서 작동하도록 설계되었습니다. 이 프로세서는 SPI를 통해 촉각 피드백 실행을 트리거합니다. 또한 설계자는 아날로그 입력을 사용하여 촉각 효과를 트리거할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: TI DRV2667 모터 전력 구동기를 보여주는 응용 제품 회로. 촉각 이벤트는 TI 칩이 탑재된 터치 스크린 응용 프로세서에 의해 트리거된 후 압전 촉각 장치를 구동합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

최신 구동기의 통합 수준으로 인해 압전 촉각 피드백 탑재 터치 스크린 시스템의 설계가 쉬워졌지만 설계 성능을 최적화하려면 일부 부품을 잘 선택해야 합니다. 예를 들어, 부스트 전압(BST)은 압전 액추에이터에 적용되는 피크 전압보다 5V 더 높아야 합니다. 이 전압은 어느 정도의 증폭기 오버헤드를 허용하며 그림 5에 표시된 저항기 분배기 회로망 R1/R2를 사용하여 설정합니다.

저항기 값 계산 공식은 V_(BST) = V_(FB) x (1 + R1/R2)입니다. 여기서 V_(FB) = 1.32V입니다.

예를 들어, TI 구동기의 최대 V_(BST) 기능인 105V를 실현하려면 R1 값과 R2 값이 각각 768kΩ 및 9.76kΩ이어야 합니다.

피크 부스트 전류는 공급 장치에서 인덕터 L1을 통해 소모됩니다. 이 전류는 R_(EXT)에 의해 결정되지만 프로그래밍된 전류 제한(I_LIM)을 충족할 수 있는 인덕터를 선택하도록 주의해야 합니다. R_(EXT)과 I_LIM 사이의 관계는 다음 공식에 의해 결정됩니다.

여기서 K = 10,500, V_REF = 1.35V, R_INT(구동기 내부 저항) = 60Ω, I_LIM = L1의 피크 전류 제한입니다.

인덕터 선택은 최적의 구동기 성능을 보장하는 데 중요합니다. TI 칩의 경우 권장 유도 용량 범위는 3.3μH ~ 22μH입니다. 부스트 컨버터의 스위칭 손실을 줄이기 위해 더 큰 유도 용량을 선택할지 출력 전류를 최대화하기 위해 더 작은 유도 용량을 선택할지 여부를 결정하는 것이 트레이드 오프입니다.

구동기의 관점에서 압전 촉각 액추에이터에 대한 핵심 전기 사양은 정격 전압과 정전 용량입니다. 예를 들어, TI 구동기의 최대 주파수 500Hz에서 장치는 200V_pk-pk(구동기의 최고 전압 스윙 성능)에서 최대 50nF를 구동하도록 최적화되었습니다. 프로그래밍된 부스트 전압이 낮아지거나 사용자가 입력 주파수 범위를 300Hz(예시)로 제한할 경우 칩은 더 높은 정전 용량을 구동할 수 있습니다.

선택할 다른 중요한 부품은 부스트 커패시터(C_(BST))입니다. 커패시터는 정격 전압이 최소한 부스트 전압과 같아야 하며 더 높은 것이 좋습니다. 예를 들어, TI 칩의 최대 부스트 전압 105V에서 실행할 경우 X5R 또는 X7R 유형의 250V 정격 100nF 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다. C_(BST)의 최소 작동 정전 용량이 50nF 이상이어야 합니다. V_(BST)가 30V ~ 80V일 경우 100V 정격 100nF 커패시터가 허용되고, V_(BST)가 30V 미만인 경우 50V 0.22μF 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.

스위치 핀 전류 요구 사항으로 인해 인덕터 옆에 배치된 벌크 커패시터(C_BULK)를 사용하는 것이 좋습니다. 정전 용량이 1μF 이상인 X5R 또는 X7R 유형의 세라믹 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.

개발 도구

TDK의 압전 촉각 액추에이터 기능을 실험해 본 후 하드웨어에 커밋하려는 엔지니어를 위해 TDK는 단일 채널 Z63000Z2910Z 1Z 1 PowerHap 평가 키트를 제공합니다. 키트는 기본 기판, 승압 컨버터, 출력 구동기 기판, 마이크로 컨트롤러 기판으로 구성됩니다.

키트는 Windows 7 이상이 설치된 PC에서 실행되는 구성 소프트웨어와 함께 제공됩니다. 소프트웨어가 로드된 경우 키트는 USB 케이블을 통해 PC에 연결되고 12V(DC)를 공급하여 구동됩니다. 그러면 소프트웨어에서는 액추에이터의 촉각 응답을 구성하기 위해 누를 수 있는 인터페이스를 제공합니다. 이 인터페이스를 사용하여 다음 신호 파라미터를 구성할 수 있습니다(그림 6).

• 진폭 - 5% ~ 100%(115V)
• 주파수 - 20Hz ~ 300Hz
• 파형(사다리꼴, 사인 방형파, 톱니)
• 사다리꼴 듀티 사이클 - 35% ~ 75%
• 펄스 수 - 1 ~ 1000
• 트리거 수준 - 0V ~ 12V(트리거 수준이 낮을수록 액추에이터를 더 강하게 눌러야 신호가 활성화됨)
• 지연 시간(이 시간 동안에는 액추에이터에서 힘이 감지되지 않음)

그림 6: TDK PowerHap 평가 키트 소프트웨어는 신호 구성 인터페이스를 제공합니다. 설정된 경우 “구성 전송” 버튼을 통해 평가 기판 프로세서에 구성을 전송할 수 있습니다. (이미지 출처: TDK)

또한 엔지니어는 이 소프트웨어를 사용하여 맞춤형 파형을 생성할 수 있습니다. 소프트웨어를 구성하면 USB 케이블을 통해 키트의 프로세서에 정보가 전송됩니다.

두 번째 평가 키트인 PowerHap Z63000Z2910Z1Z44는 Boréas BOS1901CQT 압전 촉각 구동기를 활용하는 엔지니어를 위해 특별히 고안되었습니다. 이 키트는 기본 기판, 승압 컨버터, 구동기 두 개, 마이크로 컨트롤러를 포함합니다. 기본 키트는 하나의 TDK 압전 촉각 액추에이터와 함께 제공됩니다(그림 7).

그림 7: TDK의 Z63000Z2910Z1Z44 PowerHap 평가 키트는 Boréas 압전 촉각 구동기를 사용하고 USB 오디오 프로토콜을 준수하여 구성을 간소화합니다. (이미지 출처: TDK)

기판은 USB 케이블을 통해 PC에 연결되고 표준 USB 오디오 프로토콜을 사용하며 컴퓨터에 일반 오디오 출력으로 표시됩니다. USB 오디오 프로토콜을 사용하여 파형 시제품 제작(최대 190V_pk-pk) 및 재생을 수행하여 MATLAB, Python, Audacity 등과 같은 소프트웨어에서 촉각 효과의 시제품을 제작할 수 있습니다.

결론

압전, ERM 및 LRA 액추에이터를 사용한 촉각 피드백은 소비자 및 산업용 응용 제품 모두에서 터치 스크린 제어를 개선했습니다. 하지만 저전압 콤팩트 압전 촉각 액추에이터의 발전으로 고화질 촉각 피드백의 이점이 배터리 구동 장치로 확장되었습니다.

동시에 널리 사용되는 응용 프로세서를 연결하고 광범위한 파형을 지원하는 전용 구동기의 출시로 압전 촉각 시스템 설계가 쉬워졌습니다. 하드웨어 설계에 커밋하기 전에 TDK와 같은 제조업체에서 이러한 장치용으로 제공하는 평가 키트를 활용하여 실험하고 시제품을 제작해 볼 수 있습니다.