Elektromagnetiske haptiske aktuatorer er nøglekomponenter i samspillet mellem mennesker og maskiner. De konverterer elektrisk energi til taktile feedbacks og øger brugervenligheden i elektroniske produkter som blandt andet smartphones
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 11 – 2025 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Tekst: Rutronik
Illustrationer: PUI Audio
Mange produkter bruger visuelle og akustiske stimuli til at udveksle informationer med brugerne. Senest er en tredje dimension af informationsoverførsel – ud over lyd og billede – i større omfang kommet i brug, nemlig følesansen. Konceptet, der også kaldes ”haptik”, bliver nu brugt i stadigt flere markedssegmenter inklusive virtual og augmented reality (VR/AR), IoT-applikationer og i den automotive industri samt, selvfølgelig, i medicoteknikken.
Flere teknologier er i stand til at levere haptiske feedbacks, blandt andet de haptiske aktuatorer. Disse aktuatorer konverterer elektrisk energi til mekaniske bevægelser og giver dermed brugerne et taktilt feedback. Vibrationsgivere, touchsensorer og andre taktile effekter sikrer mangeartede og realistiske interaktioner med de elektroniske apparater. Det udgør altså et perfekt interface mellem mennesker og maskiner (HMI) i applikationen.
De elektromagnetiske haptiske aktuatorer kan generelt opdeles i tre overordnede kategorier, de excentriske roterende masser (ERM), de lineære resonante aktuatorer (LRA) samt voice coil-aktuatorerne (VCA)/voice coil-motorerne (VCM). LRA- og VCA/VCM-komponenterne minder konstruktionsmæssigt meget om højttalere.
Følelige vibrationseffekter i smartphones og lignende produkter
ERM-aktuatorer genererer vibrationer gennem en excentrisk roterende masse, der sidder på akslen i en børsteløs DC-motor. Når man påtrykker motoren en spænding, så vibrerer aktuatoren med en frekvens, der præcist svarer til den frekvens, hvormed motor og masse udfører en komplet omdrejning. Det giver en vibrationsstyrke, der direkte korrelerer til aktuatorens styrespænding.
Denne type af aktuatorer genererer lavfrekvente og nærmest ”rumlende” sensor-feedbacks. Det skyldes, at de roterende motorer er et vist stykke tid – omend kort – om at nå op på den ønskede hastighed, når man påtrykker motorerne en spænding, ligesom det også tager et stykke tid, når motorerne igen skal bringes til et komplet stop. ERM-aktuatorer er derfor velegnede, hvis der ikke kræves præcise vibrationsmønstre, men hvor man alligevel ønsker en udtalt vibrationseffekt. Det er typisk i smartphones og gamingcontrollere.
For applikationer med krav om præcision og fintunet feedback
De lineære resonante aktuatorer genererer vibrationer svarende til den teknologi, som man ofte finder i konventionelle højttalere, hvor en membran er forbundet til en spole og en elektromagnet. Når spolen får tilført energi, så flytter magnet og membran sig i forhold til hinanden og producerer derved lydbølger. I en LRA-komponent er en masse forbundet til spolen i stedet for membranen. Ved påtrykning af energi bevæger massen sig og danner lineære oscillationer. Massen flytter sig i forhold til den påtrykte frekvens og spænding i signaler, hvorfor man i en LRA uafhængigt kan styre såvel frekvens som amplitude af vibrationerne.
Den store fordel ved LRA-komponenterne er, at de er hurtige med en lineær respons, og modsat ERM-komponenterne er der ingen ramp-up tid. I drift vil brugeren føle vibrationen i samme øjeblik, spolen bliver energisat, og den fysiske masse bevæger sig op og ned – eller frem og tilbage.
LRA’er kan danne højopløste, engagerende vibrationsmønstre, der effektivt overgiver informationer til brugerne. Desuden findes der allerede haptiske driver-IC’er med integrerede, forudprogrammerede biblioteker af vibrationsmønstre. Disse IC’er inkluderer normalt også komplekse forstærker- og booster-kredsløb til direkte styring af aktuatorerne.
LRA’erne leveres desuden i de mindste kapslingsformer for de haptiske aktuatorer. De er desuden ekstremt energieffektive, hvilket gør dem til populære valg i eksempelvis wearables og lignende kompakte produkter.
Ydermere bliver LRA-komponenter konstant videreudviklet. En speciel funktion er de SMD-kompatible versioner, der for tiden bliver patentansøgt. HD-LA1307-SM fra PUI Audio måler kun 13mm x 13mm og giver en maksimal lineær acceleration på 1,8G ved en resonansfrekvens på 154Hz.
Til et bredt udsnit af haptiske effekter
Voice coil-motorer (VCM) eller voice coil-aktuatorer (VCA) anvender en spole placeret i et magnetfelt til at producere en lineær bevægelse. Konstruktionen tillader flere slags haptiske effekter: kontinuerte vibrationer, bevægelser og kraft-feedbacks. VCA’er giver en høj grad af præcision og styring af de genererede haptiske effekter og bruges ofte i eksempelvis VR-applikationer.
Generelt er VCM- og VCA-komponenter større end LRA-typerne. Det medfører dog også mulighed for stærkere og mere realistiske vibrationseffekter, end det er muligt at generere med en LRA. Samtidigt bruger VCA’er og VCM’er også mere energi end LRA-komponenterne.
Hvilken aktuatorteknologi til hvilke applikationer?
Et taktisk feedback via haptisk teknologi gør det muligt for produktdesignere at gentænke måderne, hvormed man udveksler information mellem produkt og bruger. Det er vigtigt for designingeniører at vurdere og forstå de forskellige aktuatorteknologier og vælge den ideelle haptiske aktuator til deres produkt. Valget af den bedst egnede aktuatorteknologi afhænger af flere faktorer. De omfatter krav til ydelsen, plads til rådighed, energieffektivitet, vægt, vibrationsmønstre, energiforbrug og selvfølgelig prisen.
Både LRA’er og VCA’er fungerer optimalt på systemniveau ved specifikke frekvenser, og det kan vælges til den højeste intensitet af vibrationerne. Det medfører, at LRA’er og VCA’er arbejder med et ret smalt område af vibrationer til de typiske funktioner. Ved designs bør man fokusere på optimering af det driftsområde, hvor hardware og software fungerer bedst muligt sammen. ERM-komponenter er ikke underlagt disse begrænsninger, da vibrationerne kun ændrer sig i forhold til spændingen og ikke frekvensen. Det giver et større udbud af vibrationsfrekvenser.
Den bedst egnede type af vibration til et design skal afgøres tidligt i et produkts designfase gennem en omhyggelig evaluering af muligheder og begrænsninger for hver slags aktuator. Det giver mening at rådføre sig med eksperter inden for aktuatorteknologier for at udbygge et værdifuldt indblik i de forskellige komponenter og teknologier.
Billedtekster:
1: Design af en aktuator med excentriske roterende masser (ERM).
2: Design af en lineær resonansaktuator (LRA) i et coin-design.
3: Design af en voice coil-aktuator (VCA).
4: Sammenligning af forskellige aktuatorteknologier.
5: Med sine mål på kun 13mm x 13mm giver HD-LA1307-SM en maksimal lineær acceleration på 1,8G ved en resonansfrekvens på 154Hz – og så er det en SMD-version.
