CN117824477A - 压电致动器的位移检测电路和压电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电致动器的位移检测电路和压电电路。压电致动器用于响应于接收的触觉电压信号而产生触觉反馈，其中，位移检测电路包括：信号转换电路，用于将压电致动器因振动形变而产生的电荷信号转换成电压信号；比较电路，用于将电压信号与设定的阈值电压进行比较，以输出比较结果；以及逻辑控制电路，配置为每在电压信号触发阈值电压时控制信号转换电路对电压信号进行复位，直到电压信号稳定于设定的参考电压，以及对复位的次数进行计数以得到计数值，根据计数值计算得到压电致动器因形变而产生的总的极化电荷，无需设置传感器就可以检测压电元件在触觉反馈过程中的实时位移量，有利于简化电路，降低成本，提升产品性能和降低功耗。

Description

压电致动器的位移检测电路和压电电路

技术领域

本发明涉及压电致动器驱动技术领域，更具体地，涉及一种压电致动器的位移检测电路和压电电路。

背景技术

压电元件是一种能够将机械能和电能互相转换的功能性陶瓷材料，由于它具有压电特性，因此被广泛应用于各类电子器件中。压电元件同时具有正压电效应和逆压电效应，当向压电元件施加力时，压电元件可以产生电荷，该电荷可以被测量为电流或电压，因此压电元件可以被用来代替机械开关，当用户按压在包括压电元件的按钮上时，压电元件产生电压/电流来被电子设备检测到。而逆压电效应具有相反的结果，当向压电元件施加电压时，在压电材料中产生机械应变，该应变将产生力和/或压电元件的移位。示例性的应用是在触觉致动器中，电子设备可以通过将电压波形施加到触觉致动器而产生振动，以向用户提供触觉反馈。

对于同时需要感测用户按压和提供触觉反馈的系统而言，压电致动器具有很大的吸引力，因为系统可以使用压电致动器同时充当传感器和致动器。因此，压电致动器越来越被视为谐振致动器的可行替代品，被广泛应用在诸如移动电话、笔记本电脑和平板电脑等的电子设备中来提供触觉反馈。

当在简单系统中组合致动和感测功能时，我们希望在压电致动器提供触觉反馈的同时对压电致动器因驱动输出和外力作用下的形变进行持续检测。现有技术通常采用传感器来检测压电致动器的输出位移，不仅会增加系统的整体复杂性和电路成本，而且因为传感器的响应速度问题，可能导致反馈效果延时或不准确而影响效果。因此，针对特定的应用场景，需要考虑采用更为创新的位移检测方法以克服这些局限性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种压电致动器的位移检测电路和压电电路来克服现有技术的缺点，无需设置传感器就可以检测压电元件在触觉反馈过程中的实时位移量，有利于简化电路，降低成本，提升产品性能和降低功耗。

根据本发明的一方面，提供一种压电致动器的位移检测电路，所述压电致动器用于响应于接收的触觉电压信号而产生触觉反馈，其中，所述位移检测电路包括：信号转换电路，与所述压电致动器的第二端连接，用于将所述压电致动器因振动形变而产生的电荷信号转换成电压信号；比较电路，用于将所述电压信号与设定的阈值电压进行比较，以输出比较结果；以及逻辑控制电路，用于根据所述比较结果反馈控制所述信号转换电路的操作，用于在所述比较结果表征所述电压信号触发所述阈值电压时控制所述信号转换电路对所述电压信号进行复位，直到所述电压信号稳定于设定的参考电压；以及位移量计算电路，用于对所述信号转换电路执行复位的次数进行计数以得到计数值，并根据所述计数值计算得到所述压电致动器的实时位移量。

可选地，所述信号转换电路包括：运算放大器，所述运算放大器的负输入端与所述压电致动器的第二端连接，所述运算放大器的正输入端与地连接，所述运算放大器的输出端用于输出所述电压信号；电容器，其连接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间；以及复位开关，并联在所述电容器的两端之间，其中，所述复位开关用于在所述电压信号触发所述阈值电压时短暂导通，以复位所述电容器到初始状态。

可选地，所述比较电路包括窗口比较器，所述窗口比较器用于将所述电压信号与上限阈值电压和下限阈值电压进行比较，其中，所述窗口比较器用于在所述电压信号升高到所述上限阈值电压时输出第一逻辑信号；以及所述窗口比较器还用于在所述电压信号下降到所述下限阈值电压时输出第二逻辑信号，其中，所述逻辑控制电路配置为在检测到所述第一逻辑信号或第二逻辑信号时控制所述复位开关短暂导通。

可选地，所述位移量计算电路包括：增减计数器，用于在检测到所述第一逻辑信号的有效电平时将当前计数值加1，在检测到所述第二逻辑信号的有效电平时将当前计数值减1，以及在所述第一逻辑信号和所述第二逻辑信号的无效时间达到预定时间时，将累加的计数值作为最终计数值进行输出并清零。

可选地，所述位移量计算电路包括：第一计数器，用于对所述第一逻辑信号的有效电平进行计数，以得到第一计数值；第二计数器，用于对所述第二逻辑信号的有效电平进行计数，以得到第二计数值；以及减法器，用于将所述第一计数值和所述第二计数值相减，以得到最终计数值。

可选地，所述位移量计算电路根据以下公式计算得到所述压电致动器的极化电荷总量：Qtotal＝n×ΔV×C，其中，n表示所述计数值，当触发复位前所述第一逻辑信号有效时ΔV＝VREFH―VREF，当触发复位前所述第二逻辑信号有效时ΔV＝VREFL―VREF。

可选地，所述位移量计算电路还配置为按照与所述触觉电压信号的周期一致的计数周期进行计数。

可选地，所述位移量计算电路还配置为根据所述触觉电压信号计算得到所述压电致动器中的第一极化电荷，以及从极化电荷总量中减去所述第一极化电荷得到所述压电致动器因力施加而产生的第二极化电荷。

根据本发明的另一方面，提供一种压电电路，包括：压电致动器；驱动器电路，所述驱动器电路的输出与所述压电致动器的第一端连接，用于响应于力施加而向所述压电致动器输出触觉电压信号，所述压电致动器用于响应于所述触觉电压信号产生触觉反馈；以及权利要求1-8任一项所述的位移检测电路，与所述压电致动器的第二端连接，所述位移检测电路用于检测所述压电致动器因力施加和所述触觉电压信号而产生的实时位移量。

可选地，所述驱动器电路包括：波形发生器，用于响应力施加而产生具有设定周期的驱动信号；以及缓冲器，用于根据所述驱动信号向所述压电致动器提供所述触觉电压信号。

综上所述，本发明实施例提供了一种新型的用来检测压电致动器实时位移量的位移检测电路，该位移检测电路采用信号转换电路将压电致动器因振动形变而产生的电荷信号转换成便于采集和识别的电压信号，然后将该电压信号与设定的阈值电压进行比较，并在该电压信号触发阈值电压时对该电压信号进行复位操作，通过逻辑控制电路对复位的次数和极性进行计数，根据记录的复位次数和触发复位时的极性计算得到压电致动器因形变而产生的总的极化电荷。与现有技术相比，本发明的位移检测电路无需设置传感器就可以检测压电元件在触觉反馈过程中的实时位移量，有利于简化电路，降低成本，提升产品性能和降低功耗。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了根据本发明实施例的一种电子设备的示意性结构图。

图2示出了根据本发明实施例的一种控制压电致动器的控制电路的示意性结构图。

图3示出了根据本发明实施例的一种位移检测电路的示意性电路图。

图4示出了根据本发明实施例的一种驱动器电路的示意性电路图。

图5示出了根据本发明实施例的一种信号转换电路的示意性电路图。

图6示出了根据本发明实施例的一种比较电路的示意性电路图。

图7示出了根据本发明实施例的一种位移量计算电路的示意性电路图。

图8示出了根据本发明实施例的另一种位移量计算电路的示意性电路图。

图9示出了根据本发明实施例的位移检测电路的波形示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

应当理解，在以下的描述中，当称元件或电路“耦接到”另一元件或称元件/电路“耦接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接耦接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出了根据本发明实施例的一种电子设备的示意性结构图。如图1所示，电子设备10可以包括触觉反馈系统20，触觉反馈系统20可以将振动或用户的反馈提供至电子设备10，例如，触觉反馈系统20可以响应于用户的触摸(或者按压)交互来提供触觉反馈。

需要说明的是，虽然图1中将智能电话示出为电子设备10的实例，但是其仅仅是示例性的，支持触觉的电子设备10可以是例如移动电话、膝上型计算机、平板计算机、车辆用户界面设备、可穿戴设备(例如手表)或任何其他支持触觉的设备。

示例的，所述触觉反馈系统20可以包括压电致动器100和配置为控制压电致动器100的控制电路200。在一种示例性的实施方式中，压电致动器100可以包括压电材料片和限定于该压电材料片的相反的面上的两个电极。例如，顶部电极可形成于该片的顶面并且底部电极可形成于钙片的底面上。示例的，压电致动器100中的压电材料可以由任何合适的材料组成，诸如：天然存在的晶体，例如石英、合成晶体，例如硅酸镧镓和锂铌酸锂，或者合成陶瓷，例如钛酸钡、钛酸铅和锆钛酸铅(PZT)。

在进一步的实施例中，所述电子设备10可以具有外壳，外壳里可以包括支持触觉的电子设备10的其他部件，并且压电致动器100可以安装到外壳上，或者嵌入外壳的一部分内。在一种实施例中，电子设备10可以具有显示设备，并且压电致动器100可以附接到显示设备，或者嵌入在显示设备内。在一些情况下，电子设备10可以具有刚性部件，并且压电致动器100可以嵌入刚性部件中。在一些情况下，电子设备10包括经由悬架悬挂在安装表面上的触摸板或触摸屏，并且压电致动器100可以附接到该触摸板或触摸屏。

在本实施例中，控制电路200可以被配置为生成触觉电压信号来驱动压电致动器100。在一些情况下，控制电路200可以包括放大器，或者更一般地包括被配置为生成触觉电压信号的压电驱动器电路。在实施例中，控制电路120可以包括一个或多个处理器或处理器核、可编程逻辑阵列(PLA)或可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、微控制器(MCU)或任何其他控制电路。如果控制电路120包括处理器，则处理器可以是通用处理器，诸如移动电话或其他最终用户设备上的通用处理器，或者可以是专用于生成触觉效果的处理器。

图2示出了根据本发明实施例的一种控制压电致动器的控制电路的示意性结构图。如图2所示，本实施例的控制电路200可以包括压电驱动器电路201和微控制器单元MCU。压电驱动器电路201进一步包括驱动器电路210和位移检测电路220。其中，位移检测电路220被配置为响应于所述压电致动器100上高于预定阈值的压力而向微控制器单元MCU感测信号，微控制器单元MCU根据所述感测信号向驱动器电路210提供唤醒信号，驱动器电路210响应于所述唤醒信号而产生触觉电压信号Vdrv并传输到压电致动器100，以用于响应于有效的压力激活而产生触觉反馈。进一步的，所述位移检测电路220还用于在驱动器电路210提供触觉电压信号Vdrv而在压电致动器100上产生触觉反馈的同时持续检测压电致动器100上的实时位移量，并将该实时位移量提供给微控制器单元MCU以进行后续的处理。

图3示出了根据本发明实施例的一种压电驱动器电路的示意性结构图。其中，驱动器电路210的输出与压电致动器100的第一端(例如，顶部极板)连接，以响应于力施加而向所述压电致动器100输出触觉电压信号Vdrv，所述压电致动器100用于响应于所述触觉电压信号Vdrv而产生触觉反馈。所述位移检测电路220与所述压电致动器100的第二端(例如，底部极板)连接，所述位移检测电路220用于在所述触觉反馈期间检测所述压电致动器100因力施加和所述触觉电压信号Vdrv而产生的实时位移量。

图4示出了根据本发明实施例的一种驱动器电路的示意性电路图。如图4所示，本实施例的驱动器电路210包括波形发生器211和缓冲器212，其中波形发生器211用于响应于外部按压在所述压电致动器100上而产生具有设定周期的驱动信号Vpulse，驱动信号Vpulse的电压和周期可由用户给定。所述缓冲器212接收所述波形发生器211输出的驱动信号Vpulse，并将所述驱动信号Vpulse放大到可驱动压电致动器100所需的电压范围，以向所述压电致动器100提供触觉电压信号Vdrv，驱动所述压电致动器100进行振动。

继续参考图3，在一种示例性的实施方式中，位移检测电路220可以包括信号转换电路221、比较电路222、逻辑控制电路223以及位移量计算电路224。其中信号转换电路221与所述压电致动器100的第二端连接，其用于将所述压电致动器100因振动形变而产生的电荷信号转换成便于采集和识别的电压信号Vsen。比较电路222与所述信号转换电路221的输出连接，用于将所述电压信号Vsen与设定的阈值电压进行比较，以输出比较结果。所述逻辑控制电路223与所述比较电路222连接以接收所述比较电路222输出的比较结果，并根据所述比较结果反馈控制所述信号转换电路221的操作。示例的，每当所述比较结果表征所述信号转换电路221输出的电压信号Vsen达到所述阈值电压时所述逻辑控制电路223向所述信号转换电路221输出一次复位信号，以控制所述信号转换电路221执行复位操作，将所述电压信号Vsen复位，直到所述信号转换电路221输出的电压信号稳定在设定的参考电压。所述位移量计算电路224用于对所述信号转换电路221执行的复位次数进行计数以得到计数值，并根据所述计数值计算得到所述压电致动器100的实时位移量。

在本实施例中，压电致动器100因形变(包括振动和外部按压)而产生的电荷信号在信号转换电路221中实现了从电荷信号到电压信号的转变。

图5示出了根据本发明实施例的一种信号转换电路的示意性电路图。如图5所示，所述信号转换电路221例如通过电容反馈跨阻放大器(TIA)来实现，包括电容器C1、复位开关S1以及运算放大器A1。

其中运算放大器A1与电容器C1构成的电荷放大器用于实现电荷信息到电压信号的转换，电容器C1承担的功能为电荷信号积分器功能，可以把由压电致动器100产生的电荷信号线性积分，最终以电压信号输送到后级电路。

所述运算放大器A1的负输入端与所述压电致动器100的第二端连接，所述运算放大器A1的正输入端与地连接，所述运算放大器A1的输出端用于输出所述电压信号Vsen。

所述电容器C1构成了运算放大器A1的反馈电容器，其连接在所述运算放大器A1的负输入端和输出端之间。电容器C1上的电压根据压电致动器100产生的电荷信号而产生，因此电容器C1上的电压能够反映压电致动器100的压电和逆压电效应的结果。

复位开关S1并联在电容器C1的两端之间，其用于在比较电路222以及逻辑控制电路223的控制下，每在信号转换电路221输出的电压信号Vsen达到设定的阈值电压时短暂导通，以复位电容器C1到初始状态。

示例的，所述复位开关S1可以是能编程控制的模拟开关、轻触开关以及常开开关等等，其功能是在每次电压信号Vsen达到设定的阈值电压时形成短路回路以释放电容器C1中的电荷。

进一步的，如图6所示，图6示出了根据本发明实施例的一种比较电路的示意性电路图，所述比较电路222可以包括窗口比较器2201和偏置模块2202。其中，偏置模块2202用来设置窗口比较器2201的上限阈值电压VREFH以及下限阈值电压VREFL。所述窗口比较器2201的电压输入段与信号转换电路221的输出连接，根据电压信号Vsen与上限阈值电压VREFH和下限阈值电压VREFL的比较结果，窗口比较器2201输出不同的逻辑数字信号。在一种示例性的实施方式中，窗口比较器2201在电压信号Vsen大于上限阈值电压VREFH时输出第一逻辑信号S1(例如高电平信号或者逻辑“1”)；窗口比较器2201在检测电压Vsen小于下限阈值电压VREFL时输出第二逻辑信号S2(例如低电平信号或者逻辑“0”)。

图7示出了根据本发明实施例的一种位移量计算电路的示意性电路框图。在一种示例性的实施方式中，如图7所示，所述位移量计算电路224包括增减计数器2241和运算模块2242，所述增减计数器2241的输入用于接收所述窗口比较器2201输出的第一逻辑信号S1或第二逻辑信号S2，并对所述第一逻辑信号S1或第二逻辑信号S2的有效脉冲进行计数，以获得计数值。示例的，所述增减计数器2241在接收到有效的(例如，高电平)第一逻辑信号S1时将当前计数值加1，在接收到有效的(例如，低电平)第二逻辑信号S2时将当前计数值减1，直到超过预定时间之后若始终没有检测到第一逻辑信号S1或第二逻辑信号S2，则将累加的计数值作为最终的计数值Cntx进行输出，并将增减计数器2241的计数值清零。所述运算模块2242用于接收所述增减计数器2241输出的计数值Cntx，并根据所述计数值Cntx计算所述压电致动器100的实时位移量。

示例的，所述增减计数器2241还配置为在所述压电驱动器电路201提供触觉反馈期间按照一定的速率读取所述第一逻辑信号S1或第二逻辑信号S2的脉冲变化，读取速率与所述驱动器电路210输出的触觉电压信号Vdrv的周期一致即可，例如，增减计数器2241用于在触觉电压信号Vdrv处于高电平进行计数，且在第一逻辑信号S1为高电平时将当前计数值加1，当第一逻辑信号S1处于低电平时，计数值不变；在触觉电压信号Vdrv处于低电平进行计数，且在第二逻辑信号S2为低电平时将计数值减1，在第二逻辑信号S2为高电平时保持计数值不变。

继续参考图3，本实施例的位移量计算电路224还配置为根据获得的计数的变化与触觉电压信号Vdrv的变化，得到在触觉反馈期间因为外部按压而引起的极化电荷的变化。示例的，所述位移量计算电路224可以根据触觉电压信号Vdrv计算得到触觉反馈期间压电致动器100上的驱动极化电荷Qdrv。例如，驱动极化电荷Qdrv＝Vdrv*K，其中Vdrv为触觉电压信号的电压值，K为与压电致动器100的参数有关的相关系数。然后，根据公式Q＝Qtotal-Qdrv从获得的总的极化电荷Qtotal中减去因触觉电压信号产生的驱动极化电荷Qdrv即可以计算得到压电致动器100因为外部按压而引起的极化电荷Q，又因为外力按压引起压电致动器100上产生的极化电荷与外力按压的程度成正比，因此位移量计算电路224还配置为根据计算得到的极化电荷Q通过系数变换计算得到外部按压的力度。

示例的，由于压电期间本身响应稳定，电荷输出响应时间较快，但是电路内部器件之间存在差异，因此需要定期初始化校准逆压电效应从电压到电荷的传递增益，从而消除误差，提高电路的测量精度。示例的，本发明的位移检测电路220还可以包括初始化模块，该初始化模块可以根据位移量计算电路224输出的计数值的变化与触觉电压信号Vdrv波形轮廓一致的部分，以驱动波形为种子波形计算出计数变化的内积，从而获得压电期间逆压电效应的传递增益，并对该增益进行初始化校正。

图8示出了根据本发明实施例的另一种位移量计算电路的示意性电路框图。在另一种示例性的实施方式中，位移量计算电路324包括计数器TRM1、计数器TRM2、减法器3241和运算模块3242。其中，计数器TRM1用于对第一逻辑信号S1的有效脉冲进行计数，以得到计数值Cnt1；计数器TRM2用于对第二逻辑信号S2的有效脉冲进行计数，以得到计数值Cnt2；减法器3241用于将计数值Cnt1与计数值Cnt2进行相减，得到最终的计数值Cntx。

示例的，计数器TRM1和TRM2也配置为在所述压电驱动器电路201提供触觉反馈期间分别按照一定的速率读取所述第一逻辑信号S1和第二逻辑信号S2的脉冲变化，读取速率与所述驱动器电路210输出的触觉电压信号Vdrv的周期一致。例如，计数器TRM1用于在触觉电压信号Vdrv处于高电平进行计数，且在第一逻辑信号S1为高电平时将当前计数值加1，当第一逻辑信号S1处于低电平时，计数值不变，当第一逻辑信号S1处于低电平的时间超过预定时间后，将计数器TRM1累积的计数值输出为Cnt1。计数器TRM2在触觉电压信号Vdrv处于低电平进行计数，且在第二逻辑信号S2为低电平时将计数值加1，在第二逻辑信号S2为高电平时保持计数值不变，并在第二逻辑信号S2处于高电平的时间超过预定时间后，将计数器TRM2累积的计数值输出为Cnt2。然后通过减法器3241根据计数值Cnt1和Cnt2计算得到计数值Cntx，其中Cntx＝Cnt1-Cnt2。

进一步的，本发明提供的压电驱动器电路在系统处于待机时驱动器电路处于断电模式，所以具有极低的电路功耗。并且当压电致动器处感测到用户的力并且在压电致动器处产生形变时，该形变可以被位移检测电路获得并在位移检测电路中产生到微控制器单元的感测信号，微控制器单元根据感测信号唤醒驱动器电路，驱动器电路响应于该唤醒而在压电致动器处产生触觉电压信号，以响应于有效的压力激活而产生触觉反馈。因此，本发明提供的位移检测电路可以实现触觉反馈和外力作用合并侦听和检测的功能，不仅可以用来侦听是否在压电致动器处出现了外部按压以唤醒整个压电驱动器电路，而且可以在提供触觉反馈的同时检测外部按压的力度，使得微控制单元可以根据检测得到的按压力度反馈调节触觉反馈振动的波形，提高系统的稳定性和性能。

图9示出了根据本发明实施例的位移检测电路的波形示意图。参考图9，触觉电压信号Vdrv通过驱动压电致动器100振动而产生极化电荷，该电荷信号通过信号转换电路221转换为电压信号Vsen，所以电压信号Vsen从预设的参考电压VREF逐渐上升，如图4中的线条2所示那样，当所述电压信号Vsen升高到上限阈值电压VREFH时窗口比较器2201输出第一逻辑信号S1(例如高电平信号或者逻辑“1”)，所述逻辑控制电路223根据高电平信号或者逻辑“1”控制所述复位开关S1短暂导通，以对所述电容器C1进行放电，电压信号Vsen的电压值向设定的参考电压VREF靠近。如果驱动电压或者外力足够大，则此时的电路回路中可能还存在有极化电荷，电容器C1会进入反向充电状态，所述电压信号Vsen从参考电压VREF下降，如图4中的线条4所示的那样，当所述电压信号Vsen下降到下限阈值电压VREFL时窗口比较器222输出第二逻辑信号S2(例如低电平信号或者逻辑“0”)，所述逻辑控制电路223根据所述低电平信号或者逻辑“0”短暂导通所述复位开关S1，再次对所述电容器C1进行放电，从而使得电压信号Vsen的电压值向设定的参考电压VREF靠近。

进一步的，位移量计算电路224用于在所述窗口比较器2201输出第一逻辑信号S1(例如高电平信号或者逻辑“1”)时对计数值进行正向计数，以及在所述窗口比较器2201输出第二逻辑信号S2(例如低电平信号或者逻辑“0”)时对计数值进行反向计数。即，位移量计算电路224每在窗口比较器2201输出一次逻辑电平“1”时将计数值加1，每在窗口比较器2201输出一次逻辑电平“0”时将计数值减1，直到窗口比较器2201的输出逻辑不再跳变时得到最终的计数值。

在本实施例中，开关S1复位的次数代表了电容器C1放电的次数，复位的极性表示了电容器C1此前是出于正向充电状态还是反向充电状态，根据记录的复位次数(即位移量计算电路224得到的计数值)和触发复位时的极性(即窗口比较器2201的输出逻辑)，利用公式Qtotal＝n×ΔV×C(其中，n表示位移量计算电路224得到的计数值，ΔV表示上限或下限阈值与设定的参考电压VREF之间的电压差，在一个例子中，所述参考电压等于上下限阈值电压的一半，当然，本发明对此不做限制，本领域技术人员可以根据实际情况来设置上下限阈值电压以及参考电压。当触发复位前电容器C1上是正向充电时ΔV＝VREFH―VREF，当触发复位前电容器C1上是反向充电时ΔV＝VREFL―VREF)即可计算得到压电致动器100上因为形变而产生的总的极化电荷量。

进一步的，在本实施例中，由于触觉电压信号Vdrv和/或外力作用的大小不同，电容器C1的充电速率也不同。若外力作用或者触觉电压信号Vdrv较大，则电容器C1上的充电速率较快，如图4中的线条3所示的那样；反之，若外力作用或者触觉电压信号Vdrv较小，则电容器C1上的充电速率较慢，如图4中的线条1所示的那样。当外力作用很小的情况下，如移动电话放入口袋摩擦产生的外力，压电致动器100产生的形变较小，则产生的极化电荷达不到本实施例的电容电压限值，因此不会触发复位开关闭合，此时位移检测电路220不会检测到位移量，可以达到省电的效果。

所以，本发明提供的压电驱动器电路201在系统处于待机时驱动器电路210处于断电模式，所以具有极低的电路功耗。并且当压电致动器100处感测到用户的力并且在压电致动器100处产生较大的形变时，该形变产生的极化电荷可以被位移检测电路220获得并在位移检测电路220中产生到微控制器单元MCU的感测信号，微控制器单元MCU根据感测信号唤醒驱动器电路210，驱动器电路210响应于该唤醒而在压电致动器100处产生触觉电压信号Vdrv，以响应于有效的压力激活而产生触觉反馈。因此，本发明提供的位移检测电路220可以实现触觉反馈和外力作用合并侦听和检测的功能，不仅可以用来侦听是否在压电致动器100处出现了外部按压以唤醒整个压电驱动器电路，而且可以在提供触觉反馈的同时检测外部按压的力度，使得微控制单元MCU可以根据检测得到的按压力度反馈调节触觉反馈振动的波形，提高系统的稳定性和性能。

综上所述，本发明实施例提供了一种新型的用来检测压电致动器实时位移量的位移检测电路，该位移检测电路采用信号转换电路将压电致动器因振动形变而产生的电荷信号转换成便于采集和识别的电压信号，然后将该电压信号与设定的阈值电压进行比较，并在该电压信号触发阈值电压时对该电压信号进行复位操作，通过逻辑控制电路对复位的次数和极性进行计数，根据记录的复位次数和触发复位时的极性计算得到压电致动器因形变而产生的总的极化电荷。与现有技术相比，本发明的位移检测电路无需设置传感器就可以检测压电元件在触觉反馈过程中的实时位移量，有利于简化电路，降低成本，提升产品性能和降低功耗。

应当说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种压电致动器的位移检测电路，所述压电致动器用于响应于接收的触觉电压信号而产生触觉反馈，其中，所述位移检测电路包括：

信号转换电路，与所述压电致动器的第二端连接，用于将所述压电致动器因振动形变而产生的电荷信号转换成电压信号；

比较电路，用于将所述电压信号与设定的阈值电压进行比较，以输出比较结果；以及

逻辑控制电路，用于根据所述比较结果反馈控制所述信号转换电路的操作，用于在所述比较结果表征所述电压信号触发所述阈值电压时控制所述信号转换电路对所述电压信号进行复位，直到所述电压信号稳定于设定的参考电压；以及

位移量计算电路，用于对所述信号转换电路执行复位的次数进行计数以得到计数值，并根据所述计数值计算得到所述压电致动器的实时位移量。

2.根据权利要求1所述的位移检测电路，其中，所述信号转换电路包括：

运算放大器，所述运算放大器的负输入端与所述压电致动器的第二端连接，所述运算放大器的正输入端与地连接，所述运算放大器的输出端用于输出所述电压信号；

电容器，其连接在所述运算放大器的负输入端和输出端之间；以及

复位开关，并联在所述电容器的两端之间，

其中，所述复位开关用于在所述电压信号触发所述阈值电压时短暂导通，以复位所述电容器到初始状态。

3.根据权利要求2所述的位移检测电路，其中，所述比较电路包括窗口比较器，所述窗口比较器用于将所述电压信号与上限阈值电压和下限阈值电压进行比较，

其中，所述窗口比较器用于在所述电压信号升高到所述上限阈值电压时输出第一逻辑信号；以及

所述窗口比较器还用于在所述电压信号下降到所述下限阈值电压时输出第二逻辑信号，

其中，所述逻辑控制电路配置为在检测到所述第一逻辑信号或第二逻辑信号时控制所述复位开关短暂导通。

4.根据权利要求3所述的位移检测电路，其中，所述位移量计算电路包括：

增减计数器，用于在检测到所述第一逻辑信号的有效电平时将当前计数值加1，在检测到所述第二逻辑信号的有效电平时将当前计数值减1，以及在所述第一逻辑信号和所述第二逻辑信号的无效时间达到预定时间时，将累加的计数值作为最终计数值进行输出并清零。

5.根据权利要求3所述的位移检测电路，其中，所述位移量计算电路包括：

第一计数器，用于对所述第一逻辑信号的有效电平进行计数，以得到第一计数值；

第二计数器，用于对所述第二逻辑信号的有效电平进行计数，以得到第二计数值；以及

减法器，用于将所述第一计数值和所述第二计数值相减，以得到最终计数值。

6.根据权利要求3所述的位移检测电路，其中，所述位移量计算电路根据以下公式计算得到所述压电致动器的极化电荷总量：

Qtotal＝n×ΔV×C，其中，n表示所述计数值，当触发复位前所述第一逻辑信号有效时ΔV＝VREFH―VREF，当触发复位前所述第二逻辑信号有效时ΔV＝VREFL―VREF。

7.根据权利要求1所述的位移检测电路，其中，所述位移量计算电路还配置为按照与所述触觉电压信号的周期一致的计数周期进行计数。

8.根据权利要求1所述的位移检测电路，其中，所述位移量计算电路还配置为根据所述触觉电压信号计算得到所述压电致动器中的第一极化电荷，以及从极化电荷总量中减去所述第一极化电荷得到所述压电致动器因力施加而产生的第二极化电荷。

9.一种压电电路，包括：

压电致动器；

驱动器电路，所述驱动器电路的输出与所述压电致动器的第一端连接，用于响应于力施加而向所述压电致动器输出触觉电压信号，所述压电致动器用于响应于所述触觉电压信号产生触觉反馈；以及

权利要求1-8任一项所述的位移检测电路，与所述压电致动器的第二端连接，所述位移检测电路用于检测所述压电致动器因力施加和所述触觉电压信号而产生的实时位移量。

10.根据权利要求9所述的压电电路，其中，所述驱动器电路包括：

波形发生器，用于响应力施加而产生具有设定周期的驱动信号；以及

缓冲器，用于根据所述驱动信号向所述压电致动器提供所述触觉电压信号。