CN107112991B

CN107112991B - 压电传感器、利用压电通道的装置和方法

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Publication number: CN107112991B
Application number: CN201580060642.3A
Authority: CN
Inventors: J.里希亚霍
Original assignee: Aito BV
Current assignee: Aito BV
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2035-11-10
Also published as: CN107112991A; EP3219014B1; US20170324020A1; JP2017537577A; US10665771B2; WO2016075131A1; EP3219014A1; JP6595611B2; EP3018824A1

Abstract

为了简化电路设计，提出一种压电传感器（2’）。压电传感器（2’）包括：微控制器（26）；多个压电传感器元件（20），其中至少两个：i）可用于利用升压变换器（1101）生成的电压（HV）产生触觉信号，所述升压变换器（1101）经相应的开关（1105）与每个压电传感器元件（20）相连，以及ii）连接至微控制器（26）的压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）。压电传感器（2’）进一步包含用于单独控制每个开关（1105）的多路复用器（80），如果出现来自升压管脚（53）的使能信号（DRVP），则用于每个开关（1105）的信号出现在连接至各个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的数字选择线上。微控制器（26）被配置为：i）将每个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）用作传感器通道以从各个压电传感器元件（20）读取传感器输入；以及ii）响应于在至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）内检测到传感器输入，a）在升压管脚（53）上设置使能信号（DRVP）和/或在使能信号管脚（54）上设置信号（HVEN）（DRVP，HVEN），以及iib）将信号设置到其内检测到传感器输入的至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3），从而借助各个压电传感器元件（20）产生触觉信号，使得以相对于传感器输入的时间交织方式设置信号。

Description

压电传感器、利用压电通道的装置和方法

技术领域

本发明涉及压电输入传感器和其中采用这类压电传感器的装置。

背景技术

本申请人以公开号为EP2770638A1公布的欧洲专利申请（该申请的内容以引用方式包含在此，以下称为’638公开）描述了一种具有至少一个压电传感器元件的压电开关电路。该申请的图10被重新绘制为本申请的图1并且示出了具有两个压电传感器元件的压电开关电路。

‘637公开中的并且也在图1中示出的压电开关电路的压电传感器元件不仅可用于检测因为压电传感器元件弯曲而产生的信号（弯曲源于压电传感器元件受到（例如由人的手指）施加于表面的压力或力而引起的力，其中压电传感器元件附接于该表面之下），而且还可用于产生通过所述表面而被（例如人的手指）感测到的触觉信号。

发明内容

发明目标

压电开关电路被配置为检测作为电路一部分的至少一个压电传感器元件因为弯曲而产生的信号并且还产生触觉信号，就像在’638公开中揭示的压电开关电路那样，其中，通过在压电传感器元件之上开关升压变换器，由该升压变换器产生触觉信号（参见图1：升压变换器1101产生高压，该高压可以是从电压的某些区域至200-400伏的范围内的任何电压，并且优选地为100-200伏）。当开关（参见图1：开关1105，I或开关1105，II）断开时，各个压电传感器元件（参见图1：分别为压电传感器元件20，I或20，II）可用作触摸开关。当其中一个开关闭合时，各个压电传感器元件可被用作触觉信号发送装置。开关由微控制器（参见图1：微控制器26）通过经由管脚（参见图1：分别为管脚52，I或管脚52，II）的信号（参见图1：分别为信号DRVEN1或信号DRVEN2）控制。

应该理解的是，由于每个压电传感器元件都需要一个微控制器通道来读取传感器输入并且用于产生触觉信号的每个压电传感器元件都需要另外的微控制器通道来开关触觉信号，因此微控制器处所需的通道数量随着用于产生触觉信号的压电传感器元件的数量的增加而快速增加。这被视为一个缺点。

本发明的一个目标是简化下列场景下的电路设计：在包含多个压电传感器（其中至少两个可用于产生触觉信号发送）的压电传感器中产生触觉信号发送。

该目标可借助于按照技术方案1的压电传感器、按照技术方案6的包含压电传感器的装置和按照技术方案7的方法实现。

发明优点

压电传感器包含微控制器和多个压电传感器元件，多个压电传感器元件的至少两个：a）可用于利用升压变换器生成的电压产生触觉信号，所述升压变换器经相应的开关与每个压电传感器元件相连，以及b）连接至微控制器的压电通道。

压电传感器进一步包含用于单独控制每个开关的多路复用器，如果出现来自升压管脚的信号，则用于每个开关的信号出现在连接至各个压电通道的数字选择线上。

微控制器被配置为：

i）将每个压电通道用作传感器通道以从各个压电传感器元件读取传感器输入；以及

ii）响应于在至少一个压电通道内检测到传感器输入，在升压管脚上设置信号和/或在使能信号管脚上设置该信号，并且还将信号设置到其内检测到传感器输入的至少一个压电通道，从而借助各个压电传感器元件产生触觉信号，使得以相对于传感器输入的时间交织方式设置信号。

压电传感器使得相对于微控制器而言提供简化的电路设计成为可能，其中压电通道可同时用于从压电传感器元件采集传感器输入和将信号设置为使多路复用器作用于开关的闭合，从而在同一压电传感器上产生触觉反馈。

如果压电通道被连接至压电传感器元件以用于读取因为压电传感器元件弯曲而产生的信号，则同一压电通道可以被共享，从而既用于采集因为压电传感器弯曲而产生的信号，并且也用于将信号设置为使多路复用器作用于开关的闭合，从而在同一压电传感器上产生触觉反馈。

升压变换器可被配置为：如果在微控制器的升压管脚上和/或使能信号管脚上出现微控制器产生的信号，则产生电压。可选地，升压变换器可被配置为：如果出现由多路复用器内的多路复用器功能生成的信号，则产生电压。该信号可以由来自于微控制器的升压管脚的信号得到，在该情况下，使能信号管脚上的信号在微控制器输出处就不再是必要的。

优选地，微控制器被配置为以时间交织的方式利用压电通道，该方式用于从压电传感器元件接收传感器输入和为通往多路复用器的数字选择线提供输出。

所述装置包含一表面，按照本发明第一方面的至少一个压电传感器附接于该表面之下，使得至少一个压电传感器可经该表面用作触摸传感器和经该表面产生触觉反馈。

在利用微控制器的压电通道的方法中，压电通道被用作从多个压电传感器元件的至少一个读取传感器输入的传感器通道，并且还被用作通往多路复用器的数字选择线，从而利用由升压变换器产生的电压在同一压电传感器元件上产生触觉信号，该升压变换器经由相应的开关连接至每个压电传感器元件。

附图说明

以下参照附图中的图3和4所示的实施例，更为详尽地描述本发明，其中：

图1为显示按照现有技术的压电传感器的某些单元的简化电路；

图2A和图2B为显示按照现有技术的压电传感器的单元的详细电路；

图3为显示按照本发明第一实施例的压电传感器的某些单元的简化电路；以及

图4为显示按照本发明第二实施例的压电传感器的某些单元的简化电路。

在所有的图中，相同的标号指代相同或相似的结构单元。

具体实施方式

以下将详细描述按照本发明的压电装置2’的示例性实施例，其相对于’638公开中揭示的压电装置2作了增加和修改。出于简洁性的考虑，对于下面未被明确描述的任何单元和各个电路，请读者参照’638公开中关于这些单元和电路的详细描述。

此外，关于装置1的更为详尽的结构和压电装置2’在装置1内的布置，请读者参照’638公开的图1和说明书的各个部分。应该理解的是，压电装置2’替代压电装置2被布置在装置1中。最优地，除了以下明确描述的单元和各个电路以外，压电装置2’的结构与压电装置2的其它功能和实施方式的任何方面都是一致的。

图2A和图2B示出’638公开中揭示的压电装置2的图12，但是图2A和图2B中现有三个触觉输出开关1105。可以理解的是，随着触觉开关1105的数量增加，将需要更多的微控制器线（现在CH1用于PZF1，CH2用于PZF2，并且CH3用于PZF3）。实际上，可以将触觉输出通道的数量选择为有一个或更多个触觉输出通道。在按照’638公开的实施方式中，触觉输出开关1105的数量等于触觉输出通道的数量。

从图1可以更为容易地看出，每个触觉输出开关1105（例如触觉输出开关1105，I或触觉输出开关1105，II）都必须是可控的，这需要在微控制器26处有专用通道。当触觉输出开关1105闭合时，升压变换器1101产生的高电压（在背景技术部分中已经作了定义）被连接到各个压电传感器元件20之上，从而使得各个压电传感器元件振动以产生触觉反馈。

需要更少的微控制器26的通道来控制触觉信号的开关和用来检测来自压电传感器元件20的信号，因而在现有的微控制器26的配置下，有更多的通道可用。

参照图1来更为详尽地描述操作升压变换器1101以产生触觉信号的原理。电压受控的触觉输出开关1105（例如双极晶体管或FET）由微控制器26（例如PZ端口管脚）与板上生成电压（例如HVEN）之间的电压差控制。在典型的应用中，对于单个触觉通道，其中一个PZ<i>管脚被拉低至0V，而其余的管脚被拉抬至Vdd（3.3V）。通过将产生的电压HVEN取值为高于双极晶体管的VBEon阈值电压（0.6V）来实现使能选择，其中，HEVN被施加于基极节点上。发射极被拉低至0V的晶体管是导电的，而发射极电压为Vdd的晶体管是不导电的。HVEN的电压值可以是VBEon与Vdd（3.3V）之间的任何值以确保被选择的通道导电而未选择的通道不导电。未选择通道的拉抬并非绝对必要：管脚的HZ（模拟输入模式）状态足以阻止电流流动，但是在噪声环境下，强制拉抬更为安全。

优选地，当DRVP具有开关活跃性并且借助逻辑单元81（参见图2A和图2B）在下电压和上电压之间切换时，仅激活HEVN信号。由诸如二极管之类的开关元件8101对电压进行整流以仅提供对晶体管基极的正向控制，从而增强导电性。当在DRVP上结束开关时，选择晶体管的基极节点的电流经电阻器被汲取至接地，并且无论PZ管脚的电压如何，所有的选择晶体管都变得不导电。

触觉通道选择仅在触觉升压器向上驱动期间才是需要的，因为晶体管1107的向下驱动利用触觉输出开关1105内部的HV开关二极管1106从PHZ<i>节点抽取电荷。

压电传感器2’包括微控制器26和多个压电传感器元件20，多个压电传感器元件20的至少两个：

-- 可用于利用升压变换器1101生成的电压HV产生触觉信号，所述升压变换器1101经相应的开关1105与每个压电传感器元件20相连，以及

-- 连接至微控制器26的压电通道（分别为PZF1；PZF2；PZF3）。

压电传感器2’进一步包含用于单独控制每个开关1105的多路复用器80，如果出现来自升压管脚（53）的信号DRVP，则用于每个开关1105的信号出现在连接至各个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的数字选择线上。

多路复用器80可以实现为开关单元82内的单独可控开关的阵列。逻辑单元81电连接至微控制器26的升压管脚53，其被配置为单独控制开关单元82内的开关，如果升压管脚53处出现信号DRVP，则在各个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）内会出现用于这些开关的信号。因此各个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）内的信号随后控制相应的开关1105。

微控制器26被配置为：

i）将每个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）用作传感器通道以从各个压电传感器元件20读取传感器输入；

ii）响应于在至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）内检测到传感器输入，

iia）在升压管脚53上设置信号DRVP和在使能信号管脚54上设置信号HVEN，以及

iib）将信号设置到其内检测到传感器输入的至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3），从而借助各个压电传感器元件20产生触觉信号。信号将以短暂的延迟进行设置，使得以相对于传感器输入的时间交织方式在至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）处设置信号。

微控制器26被配置为以时间交织的方式利用压电通道（PZF1；PZF2；PZF3），该方式用于从压电传感器元件20接收传感器输入和为通往多路复用器80的数字选择线提供输出。

优选地，压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）连接至压电传感器元件20，以读取因为压电传感器元件20的弯曲而产生的信号。

图3示出压电传感器2’的第一实施例。多路复用器80的逻辑单元81连接至微控制器26的升压管脚53。升压管脚53进一步连接至升压变换器1101。

微控制器26的使能信号管脚54连接至升压变换器1101。当使能信号管脚52上出现信号HVEN并且升压管脚53上出现信号DRVP时，升压变换器1101产生高压。

多路复用器80被配置为操作其开关单元82，从而响应于各个输入线上信号的出现（分别来自于PZF1、PZF2、PZF3），在同时出现升压（DRVP）信号时触发其输出线（分别通向触觉输出开关1105，I；1105，II；1105，III）。

在图3所示的实施例中，升压变换器1101被配置为：如果出现由微控制器26生成的信号DRVP和/或信号HVEN，则产生电压HV。

图4显示压电传感器2’的可选实施例。现在微控制器26的使能信号管脚52不再需要，而是还采用多路复用器80的逻辑单元81，从来自微控制器26的升压管脚53的信号DRVP得到信号EN。信号EN从多路复用器的逻辑单元81的输出连接到升压变换器1101。升压变换器1101被配置为：如果出现信号EN，则产生电压HV。

图4所示方式的优点在于，由于微控制器26处的一个数字输出可用于其它用途，因此可以减少微控制器26处的资源需求。

在还有一个实施例中，可以借助于微控制器26的适当配置产生同时用于升压变换器1101和多路复用器80的信号DRVP。信号HVEN在向上驱动期间于使能信号管脚54上产生。该情形下，信号HVEN可被同时送往变换器1101和多路复用器80。

在利用微控制器26的压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的方法中，压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）被用作：

- 用于从多个压电传感器元件20的至少一个读取传感器输入的传感器通道，以及

- 通往多路复用器80的数字选择线，从而利用由升压变换器1101产生的电压HV在同一压电传感器元件20上产生触觉信号，该升压变换器1101经由相应的开关1105连接至每个压电传感器元件20。

本发明的诸多特征和优点在书面描述之后变得明确。而且由于众多的修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此本发明不受限于所示例和描述的精确构造和操作。因此所有合适的修改和等同替换都归属于本发明的范围之内。

特别是，压电传感器2’的数量可以不同于3个。而且没有必要将每个压电传感器2’都配置为能够在其之上产生触觉信号。

标号列表

1 装置

2、2’ 压电传感器

20 压电传感器元件

26 微控制器

52 驱动通道

53 升压管脚

54 使能信号管脚

80 多路复用器

81 逻辑单元

82 开关单元

132 安全性&衰减网络

134 测量（输入）滤波器

135 LED输出

136 I²C总线连接器

137 音频输出

1101 升压变换器

1105 触觉输出开关

1107 晶体管

1108 电阻器

1109 电阻器

8101 开关元件（例如二极管）

Claims

1.压电传感器（2’），包括：

-微控制器（26）；

-多个压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III），其中至少两个（20，I；20，II）：

-- 可用于利用由升压变换器（1101）生成的电压（HV）产生触觉信号，所述升压变换器（1101）经由相应的开关（1105；1105，I；1105，II；1105，III）与每个压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III）相连，以及

-- 连接至微控制器（26）的压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）；

-用于单独控制每个开关（1105；1105，I；1105，II；1105，III）的多路复用器（80），如果出现来自所述微控制器（26）的升压管脚（53）的信号（DRVP），则用于每个开关（1105；1105，I；1105，II；1105，III）的信号出现在连接至各个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的数字选择线上；

并且其中微控制器（26）被配置为：

i）将每个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）用作传感器通道以从各个压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III）读取传感器输入；

iia）设置在升压管脚（53）上的信号（DRVP）和/或在使能信号管脚（54）上的信号（HVEN），以及

iib）设置去往检测到传感器输入的至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的信号，从而借助各个压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III）产生触觉信号，使得将以相对于传感器输入的时间交织方式设置去往所述至少一个压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的信号。

2.按照权利要求1的压电传感器（2’），其中：压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）连接至压电传感器元件（20，I；20，II），以用于读取因为压电传感器元件（20，I；20，II）的弯曲而产生的信号。

3.按照权利要求1或2的压电传感器（2’），还包含升压变换器（1101），其配置为：如果在升压管脚（53）和/或使能信号管脚（54）上出现由微控制器（26）生成的信号（DRVP，HVEN），则产生电压（HV）。

4.按照权利要求1或2的压电传感器（2’），还包含升压变换器（1101），其配置为：如果出现由多路复用器（80）内的多路复用器功能（82）生成的信号（EN），则产生电压（HV）。

5.按照前述权利要求1-2中的任一项的压电传感器（2’），其中：微控制器（26）被配置为以时间交织的方式利用压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）以从压电传感器元件（20；20，I；20，II）接收传感器输入和为通往多路复用器（80）的数字选择线提供输出。

6.包含至少一个按照前述权利要求任一项的压电传感器（2’）的装置，所述装置包含表面，所述至少一个压电传感器（2’）从下面附接于该表面，使得至少一个压电传感器（2’）可经该表面用作触摸传感器并且用于经该表面产生触觉反馈。

7.利用微控制器（26）的压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）的方法，压电通道（PZF1；PZF2；PZF3）被：

- 用作用于从多个压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III）的至少一个读取传感器输入的传感器通道，以及

- 在时间交织方式下还用作通往多路复用器（80）的数字选择线，从而利用由升压变换器（1101）产生的电压（HV）在同一压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III）上产生触觉信号，该升压变换器（1101）经由相应的开关（1105；1105，I；1105，II；1105，III）连接至每个压电传感器元件（20；20，I；20，II；20，III）。