DE212018000085U1

DE212018000085U1 - Treiberschaltung zur Auswertung und Ansteuerung eines piezoelektrischen Bauelements und Taste mit haptischer Rückmeldung

Info

Publication number: DE212018000085U1
Application number: DE212018000085.9U
Authority: DE
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: CN110419165A; WO2018172220A1; TW201841462A; JP2020507223A; TWI670925B; DE102017106188B3; JP6886017B2; US20200007128A1; EP3513495A1; CN110419165B; US11223356B2

Abstract

Treiberschaltung, umfassend
- einen Signalport mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss,
- einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten,
- einen Komparator mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang,
- einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang,
wobei
- der erste Anschluss mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist,
- der zweite Anschluss mit dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators elektrisch leitend verbunden ist,
- der invertierende Eingang des Komparators mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch leitende verbunden ist,
- der erste Knoten mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist,
- der invertierende Eingang des Komparators mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist und
- der zweite Knoten mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft Treiberschaltungen zur Auswertung und Ansteuerung eines piezoelektrischen Bauelements. Das piezoelektrische Bauelement kann, mit einer Taste verbunden oder als Teil einer Taste, eine haptische Rückmeldung für einen Benutzer liefern. Ferner betrifft die Anmeldung eine solche Taste.
Tasten mit kleinem Hub unterstützen den Trend zur Miniaturisierung. Je kleiner der Hub einer Taste ist, umso geringer ist der Betrag der Taste zur Bauhöhe beziehungsweise Dicke eines elektrischen Geräts, in dem die Taste verbaut ist.
Mit kleiner werdendem Hub verändert sich auch der haptische Eindruck beim Betätigen der Taste. Um einem Benutzer einen gewohnten Eindruck beim Betätigen einer Taste zu vermitteln, ist es möglich, die Taste mit einem Aktuator zu versehen, der mechanisch mit der Tastenoberfläche verbunden ist und eine Bewegung der Tastenoberfläche bewirkt. Dadurch ist es auch möglich, dem Benutzer aufzuzeigen, dass ein Betätigen der Taste, z. B. auf einer relativ glatten, sich homogen anfühlenden Oberfläche, überhaupt stattgefunden hat.
Schaltungen, die dafür vorgesehen sind, auf eine Eingabe eines Benutzers zu reagieren, sind beispielsweise aus der US 8,605,053 B2 bekannt.
Sensorschaltungen mit einem piezoelektrischen Bauelement sind aus der EP 3,018,824 A1 bekannt.
Aus der EP 3,065,029 A1 und aus der EP 2,600,224 A1 sowie aus der EP 2,472,365 B1 sind ebenfalls elektrische Schaltungen mit piezoelektrischen Elementen bekannt.
Gewünscht sind Tasten mit haptischer Rückmeldung, die zusätzliche Informationen vermitteln können, einen geringeren Energieverbrauch haben und weniger anfällig für Defekte sind. Dafür notwendig sind neue Schaltungen zum Auslösen der Aktivierungszustände und zum Ansteuern solcher Schalter sowie Verfahren zum Ansteuern der mechanischen Elemente der Schalter.
Dazu sind in den unabhängigen Ansprüchen eine Treiberschaltung zum Ansteuern und eine Taste angegeben. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
Die Treiberschaltung umfasst einen Signalport mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss. Die Schaltung hat ferner einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten. Außerdem weist die Treiberschaltung einen Komparator mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang auf. Ferner hat die Treiberschaltung einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang. Der erste Anschluss ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden. Der zweite Anschluss ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators elektrisch leitend verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden. Der erste Knoten ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden. Der zweite Knoten ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden.
Der Signalport ist dabei dazu vorgesehen, mit einem piezoelektrischen Bauelement elektrisch leitend verbunden zu werden. Dazu kann der erste Anschluss des Signalports mit einer ersten Elektrode des piezoelektrischen Bauelements verbunden sein. Der zweite Anschluss des Signalports kann mit einer zweiten Elektrode des piezoelektrischen Bauelements verbunden sein.
Das piezoelektrische Bauelement kann einen gestapelten Aufbau mit einem Grundkörper aus einem piezoelektrischen Material und strukturierten Elektrodenflächen in Metallisierungslagen aufweisen. Dabei sind jeweils Lagen des piezoelektrischen Materials und Lagen der Elektrodenflächen abwechselnd angeordnet. Die Elektrodenflächen sind dabei mit jeweils einer von zwei Außenelektroden elektrisch leitend verbunden. An seiner Oberseite und/oder Unterseite kann der Stapel ein „Dach“ aufweisen. Je nach elektrischer Spannung, die an den Außenelektroden des piezoelektrischen Bauelements angeordnet sind, hat der Lagenstapel eine unterschiedliche Höhe und eine unterschiedliche Breite. Das heißt, bei einer Variation der anliegenden Spannung wird eine Längenänderung induziert, die durch das Dach mit einer Hebelkonstruktion verstärkt wird.
Erfährt das piezoelektrische Bauelement entlang der Stapelrichtung einen Druck (durch einen Druck auf die Taste, an deren Innenseite der Lagenstapel befestigt ist), so ist die durch eine zugehörige Längenänderung des Lagenstapels induzierte Spannungsänderung an den Elektroden ein Maß für die Kraft, mit der auf die Taste gedrückt wird. Erfährt das piezoelektrische Bauelement über das Dach einen Druck, wird das Bauelement gedehnt. Die durch die zugehörige Dehnung des Stapels induzierte Spannungsänderung ist ein Maß für die Kraft, mit der auf die Taste gedrückt wird.
Der Hub beim aktiven oder passiven Betätigen der Taste kann dabei in der Größenordnung von einigen wenigen 100 µm, z. B. höchstens einigen wenigen 100 µm, liegen und ist für einen Tastenhub damit relativ gering.
Die induzierte Spannungsänderung, die ein Maß für die auf die Taste wirkende Kraft ist, kann ausgelesen werden. Als Reaktion darauf kann wiederum ein Spannungsimpuls oder ein Spannungssignal an das piezoelektrische Element ausgegeben werden, um eine mechanische Bewegung der Taste zu bewirken. Durch eine derartige haptische Rückkopplung erfährt der Benutzer, dass er die Taste erfolgreich betätigt hat.
Die oben angegebene Treiberschaltung hat den Vorteil, dass sie zum einen mit relativ wenigen Schaltungskomponenten auskommt. Gleichzeitig ermöglicht die angegebene Treiberschaltung ein Auslesen des auf die Taste wirkenden Drucks und eine treiberseitige Aktivierung des piezoelektrischen Bauelements, um ein haptisches Feedback zu bewirken. Die am piezoelektrischen Bauelement anliegende Spannungsänderung kann damit gleichzeitig sowohl ausgelesen als auch gesteuert oder geregelt werden.
Durch die relativ geringe Anzahl an Schaltungskomponenten, die in der Treiberschaltung verschaltet sein können, ist das Risiko eines Ausfalls der Treiberschaltung reduziert. Die Lebensdauer der Treiberschaltung ist somit erhöht.
Im Übrigen ermöglicht es die Treiberschaltung, elektrische Energie, die zum Aktivieren des piezoelektrischen Bauelements bereitgestellt wurde, wieder zu verwerten. Der Energieverbrauch ist dadurch verglichen mit Schaltungen, die bisher bekannt sind und z. B. auf Treiberendstufen mit Linearreglern passieren, verringert.
Die Treiberschaltung ermöglicht es, das piezoelektrische Bauelement hinsichtlich einer Signalform, d. h. dem zeitlichen Verlauf der Spannung, die an das Bauelement übermittelt wird, und hinsichtlich der Höhe der Ausgangsspannung an das Bauelement so anzusteuern beziehungsweise zu regeln, dass das Bauelement zuverlässig ein Feedbacksignal gibt, sobald vom piezoelektrischen Bauelement durch Druck eine Ausgangsspannung erzeugt wird. Die Signalform ist unter Einhaltung bestimmter Flankenzeiten frei konfigurierbar.
Ein beim Drücken oder beim Loslassen des piezoelektrischen Bauelements generiertes Spannungssignal oder eine Spannungsänderung wird dem Operationsverstärker zugeführt und durch ihn entsprechend aufbereitet, damit das Signal, z. B. von einem Mikrocontroller, ausgewertet werden kann.
Ferner bereitet der Operationsverstärker eine Signalvorgabe (Soll-Vorgabe) eines Mikrocontrollers so auf, dass es dem Komparator zugeführt werden kann.
Für Signale vom Operationsverstärker zu einem Mikrocontroller kann der Operationsverstärker über einen Analog/DigitalWandler (ADC: Analog/Digital Converter) verbunden sein. Für Signale vom Mikrocontroller zum Operationsverstärker kann der Mikrocontroller bzw. ein Ausgang des Mikrocontrollers über einen Digital/Analog-Wandler (DAC: Digital/Analog Converter) verbunden sein.
Ein elektrisches Signal, z. B. ein Stromsignal, kann am piezoelektrischen Bauelement, z. B. über einen niederohmigen Widerstand, gemessen und dem Komparator zugeführt werden. Dieses Signal wird mit dem Signalausgang des Operationsverstärkers verglichen. Wird der Bauteilstrom zum piezoelektrischen Bauelement und somit die Spannung am piezoelektrischen Bauelement unterschritten, wird über den Komparator, der ein weiteres Schaltungselement, z. B. eine Halbbrücke ansteuern kann, gegengesteuert. Die Halbbrücke kann dabei weitere Schaltungselemente, z. B. Transistoren, ansteuern. So ist es möglich, die am piezoelektrischen Bauelement anliegende Spannung zu erhöhen, wenn sie bezüglich eines Sollwerts zu gering ist. Umgekehrt kann die Spannung reduziert werden, wenn sie bezüglich eines aktuell eingestellten Vergleichswerts zu gering ist.
Der Operationsverstärker kann dazu eine Feedbackschleife aufweisen.
Es ist möglich, dass ein Signal am piezoelektrischen Bauelement ausgegeben wird, wenn ein Tastendruck detektiert wird. Alternativ oder zusätzlich dazu kann Druck auf das piezoelektrische Bauelement auch einen freien Ausgang am Mikrocontroller schalten.
Es ist somit möglich, dass die Treiberschaltung zusätzlich eine Halbbrücke umfasst. Außerdem kann die Treiberschaltung einen dritten Knoten, einen vierten Knoten und einen fünften Knoten aufweisen. Außerdem ist es möglich, dass die Treiberschaltung einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor, eine erste Diode und eine zweite Diode und einen Kondensator aufweist. Die Halbbrücke ist mit dem ersten Anschluss, mit dem ersten Transistor, mit dem zweiten Transistor und mit dem Ausgang des Komparators sowie mit dem vierten Knoten und mit dem fünften Knoten elektrisch leitend verbunden. Die erste Diode ist mit dem ersten Anschluss und dem Kondensator elektrisch leitend verbunden. Die zweite Diode ist elektrisch leitend mit dem ersten Anschluss verbunden. Der erste Transistor ist mit dem ersten Anschluss und dem dritten Knoten elektrisch leitend verbunden. Der zweite Transistor ist mit dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss elektrisch leitend verbunden.
Der dritte Knoten kann einen Versorgungsanschluss der Treiberschaltung darstellen oder mit einer Versorgungsschaltung für die Treiberschaltung elektrisch leitend verbunden sein. Der Kondensator dient zum Zwischenspeichern elektrischer Energie. Der erste Transistor und der zweite Transistor bzw. die erste Diode und die zweite Diode dienen zum Ansteuern des Signalports, an den das piezoelektrische Bauelement angeschlossen sein kann. Wird der Bauteilstrom des piezoelektrischen Bauelements und somit die Spannung am piezoelektrischen Bauelement unterschritten, wird über den Komparator die Halbbrücke angesteuert, die wiederum den ersten Transistor und den zweiten Transistor ansteuert. Ist der erste Transistor geschlossen und der zweite Transistor offen, dann wird Spannung zugeführt, wenn die Spannung am piezoelektrischen Bauelement zu gering ist. Ist der erste Transistor offen und der zweite Transistor geschlossen, dann wird der Signalport mit elektrischer Leistung versorgt, z. B. wenn die Spannung am Signalport nicht zu niedrig ist. Die Energieversorgung an den Signalport SP kann über eine Spule geleitet werden, um Strom bzw. Spannungsverläufe zu glätten.
Die Spule kann dabei zwischen der Halbbrücke und dem ersten Anschluss des Signalports in Serie verschaltet sein.
Das Miteinbeziehen der Halbbrücke realisiert einen Schaltregler, der vom Komparator angesteuert wird und über den das piezoelektrische Bauelement bzw. der Signalport mit einer gewünschten Spannung versorgt wird. Der Schaltregler stellt auch sicher, dass beim Entladen des piezoelektrischen Bauelements, also bei einer sinkenden, am Signalport anliegenden Spannung (fallende Flanke) die Energie dem Kondensator zugeführt wird. Diese Energie wird beim nächsten Ladezyklus des piezoelektrischen Bauelements (steigende Flanke: zunehmende Spannung am Signalport) wieder entnommen.
Es ist möglich, dass die Treiberschaltung zusätzlich einen Mikrocontroller, einen A/D-Wandler, einen D/A-Wandler, einen Spannungswandler und das piezoelektrische Bauelement umfasst. Der erste Knoten ist über den A/D-Wandler mit dem Mikrocontroller elektrisch leitend verbunden. Der zweite Knoten ist über den D/A-Wandler mit dem Mikrocontroller elektrisch leitend verbunden. Der vierte Knoten ist elektrisch leitend mit dem Mikrocontroller verbunden. Der fünfte Knoten ist elektrisch leitend mit dem Mikrocontroller verbunden. Der dritte Knoten ist über den Spannungswandler elektrisch leitend mit einem Versorgungsanschluss verbunden. Der Signalport ist mit dem piezoelektrischen Bauelement elektrisch leitend verbunden.
Eine Aufgabe des Operationsverstärkers liegt darin, eine Signalvorgabe (Sollvorgabe) vom Mikrocontroller, bereitgestellt über den D/A-Wandler, so aufzubereiten, dass das Signal dem Komparator, welcher die Halbbrücke des Schaltreglers regelt, zugeführt werden kann. Das Signal vom D/A-Wandler gibt die Signalform für das Ausgangssignal an den Signalport vor. Gleichzeitig wird die Spannung am Signalport gemessen und über einen hochohmigen Widerstandsteiler dem Operationsverstärker zugeführt. Damit wird in einer Rückkoppelschleife die Signalvorgabe mit der tatsächlichen Spannung am Signalport verglichen und gegebenenfalls korrigiert.
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Bauelement ein Teil eines Schalters mit haptischer Rückmeldung ist. Dabei kann ein Tastendruck durch Auswertung einer am piezoelektrischen Bauelement anliegenden Spannung registriert werden. Die haptische Rückmeldung kann durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Bauelement erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu können ein oder mehrere Ausgänge des Mikrocontrollers geschalten werden.
Entsprechend ist es möglich, dass die Treiberschaltung zusätzlich einen Spannungsteiler zwischen dem Signalport und dem Komparator und/oder einen Spannungsteiler zwischen dem Signalport und dem Operationsverstärker hat.
Aktivierungsspannungen für piezoelektrische Bauelemente in Form von piezoelektrischen Aktoren können in der Größenordnung um höchstens einige wenige 100 Volt, z. B. 100 Volt, liegen. Derartige Spannungen würden elektrische Bauelemente wie Komparatoren, Operationsverstärker, Halbbrücken und Transistoren möglicherweise zerstören. Spannungsteiler, z. B. in Form hochohmiger Widerstandsteiler, zwischen dem Signalport und den empfindlichen Bauelementen reduzieren das Spannungsniveau für die empfindlichen Bauelemente. Während das Signal vom D/A-Wandler die Signalform für das Ausgangssignal am Signalport vorgibt, wird die Spannung am Signalport gemessen und deshalb über den hochohmigen Widerstandsteiler dem Operationsverstärker in einer Rückkoppelschleife zugeführt. Damit stellt der Widerstandsteiler sicher, dass die Spannung am Operationsverstärker und in weiterer Folge am Mikrocontroller auf ein sicheres Niveau, z. B. von 5 Volt oder weniger, reduziert wird, um den Niederspannungsteil der Schaltung zu schützen.
Die Schaltung kann einen niederohmigen Widerstand am Signalport aufweisen. Über den niederohmigen Widerstand wird das Stromsignal am Signalport gemessen und dem Komparator zugeführt.
Der Vorteil einer solchen Treiberschaltung liegt darin, dass die Ansteuerung des Signalports mittels eines Schaltreglers realisiert wird. Dadurch ist sichergestellt, dass nur die momentan benötigte Energie an den Signalport während der steigenden Flanke zugeführt wird. Beim Entladen des am Signalport angeschlossenen Bauelements (fallende Flanke) werden die Transistoren des Schaltreglers so geschalten, dass die Ladeenergie einem Kondensator zugeführt wird und beim nächsten Ladezyklus wieder zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu konventionellen Schaltungskonzepten wird überschüssige Energie nicht mehr dissipiert. Der Wirkungsgrad der Treiberschaltung ist verbessert und die Komponenten der Treiberschaltung müssen nicht für höhere Ströme und elektrische Leistungen ausgelegt werden. Im Übrigen wird beim Entladen die elektrische Ladung nicht gegen Masse abgeleitet, um steile Flanken zu realisieren. Somit wird die Entladeflanke geregelt. Ein Kurzschließen des Signalports wird verhindert, um zu besserer elektromagnetischer Verträglichkeit zu gelangen.
Es ist somit möglich, dass eine Spannung am Signalport durch eine Schaltregelung einstellbar ist. Die von der Schaltregelung einzustellende Spannung kann dabei ein Signal mit zeitlich variierender Amplitude sein. Sowohl beim Betätigen des Schalters als auch beim Loslassen des Schalters können somit beliebige Bewegungsmuster, z. B. Vibrationsmuster, durch das piezoelektrische Bauelement erzeugt werden. Die Signalform kann dabei im Mikrocontroller hinterlegt sein.
Es ist entsprechend möglich, dass der Komparator durch einen Operationsverstärker ohne Rückkopplung realisiert ist. Solche Komparatoren sind mit relativ wenig konstruktivem Aufwand herstellbar und genügen den Ansprüchen an die Treiberschaltung.
Es ist möglich, dass der Komparator mit einstellbarer Hysterese realisiert ist.
Es ist möglich, dass die Spannungsversorgung zumindest eines Operationsverstärkers mit einem Längsregler realisiert ist. Auch der Mikrocontroller und der Komparator können durch die Spannungsversorgung mit dem Längsregler oder eine zusätzliche Spannungsversorgung mit einem zusätzlichen Längsregler realisiert sein. Längsregler sorgen prinzipiell für eine gute Glätte des Signals.
Zur Generierung der Versorgungsspannung des Signalports kann ein so genannter „Step up“ Converter oder eine Ladungspumpe verwendet werden. Die Versorgungsspannung für die gesamte Treiberschaltung kann 12 Volt betragen und z. B. aus dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden. Die Versorgungsspannung generiert dabei das Spannungslevel von 100 Volt oder mehr für den Signalport.
Es ist möglich, dass die Treiberschaltung einen hochohmigen Spannungsteiler umfasst, über den die am Signalport anliegende Spannung dem Operationsverstärker zugeführt wird.
Es ist möglich, dass der Signalport über einen Schaltregler vom Komparator angesteuert und mit einer vorgegebenen Spannung versorgt wird, wobei die vorgegebene Spannung in einem Mikrocontroller hinterlegt ist.
Es ist möglich, dass die Treiberschaltung eine Spule umfasst, die mit dem ersten Anschluss elektrisch leitend verbunden ist und die das elektrische Signal an den Signalport glättet.
Es ist möglich, dass der Signalport durch Triggern von einem oder mehreren digitalen Eingängen eines Mikrocontrollers aktivierbar ist.
Es ist dabei möglich, dass das Triggern durch einen Touchsensor auslösbar ist.
Der Touchsensor kann dabei ein Teil der Treiberschaltung sein. Der Touchsensor kann dabei auch Teil einer externen Schaltungsumgebung, mit der die Treiberschaltung elektrisch leitend verbunden ist, sein.
Es ist möglich, dass die Treiberschaltung ein resistives Element, das zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet ist, umfasst. Ferner kann die Treiberschaltung eine Serienverschaltung mit einem resistiven Element und einem kapazitiven Element umfassen. Diese Serienverschaltung kann parallel zum resistiven Element und damit ebenfalls zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet sein. Dabei ist es möglich, dass das kapazitive Element zwischen dem Komparator und dem resistiven Element der Serienverschaltung verschaltet ist.
Das resisitve Element der Serienverschaltung kann einen Widerstand von 80 kΩ bis 160 kΩ, z. B. 120 kΩ, haben. Das resisitve Element, das parallel zur Serienverschaltung verschaltet ist, kann einen Widerstand von 180 kΩ bis 260 kΩ, z. B. 220 kΩ, haben. Das kapazitive Element der Serienverschaltung kann eine Kapazität von 5nF bis 15 nF, z. B. 10 nF, haben.
Das Bereitstellen der Serienverschaltung bzw. das Bereitstellen der Parallelschaltung aus dem resistiven Element und der Serienschaltung verbessert das Regelverhalten und damit die Signalqualität des Signals, das am Signalport SP bereitgestellt werden kann.
Zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators und der Serienverschaltung kann ein weiteres resistives Element, z. B. mit einem Widerstand von 3 kΩ, verschaltet sein.
Eine Taste mit haptischer Rückmeldung umfasst ein piezoelektrisches Bauelement und eine Treiberschaltung. Die Treiberschaltung kann z. B. wie oben angegeben ausgestaltet sein. Die Treiberschaltung ist dazu vorgesehen, eine vom piezoelektrischen Bauelement induzierte Spannungsänderung zu registrieren und beim Drücken und/oder Loslassen der Taste das piezoelektrische Bauelement mit einer Spannung zu beaufschlagen.
Zusätzlich ist es möglich, dass beim Drucken und/oder Loslassen der Taste bzw. des piezoelektrischen Bauelements ein Ausgang am Mikrocontroller geschaltet wird.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Taste mit haptischer Rückmeldung umfasst die Schritte:

- Registrieren einer von einem piezoelektrischen Bauelement induzierten Spannungsänderung,
- Aktivieren des piezoelektrischen Bauelements durch Beaufschlagen mit einer Spannung, wenn die vom piezoelektrischen Bauelement induzierte Spannung steigt oder fällt.

Zusätzlich oder alternativ zum Aktivieren ist es möglich, dass ein Ausgang eines Mikrocontrollers beim Registrieren einer Spannungsänderung am piezoelektrischen Bauelement geschalten wird.
Es ist bei dem Verfahren möglich, dass ein Teil der Energie beim Aktivieren des piezoelektrischen Bauelements zurückgewonnen wird.
Es ist möglich, dass das Registrieren der Spannungsänderung das Auswerten einer zeitlichen Änderung einer Spannung am elektrischen Bauelement und/oder das Auswerten eines Spannungsgradienten umfasst.
Es ist möglich, dass das Verfahren einen oder mehrere der folgenden Schritte beim Initialisieren einer Treiberschaltung durch einen Mikrocontroller umfasst:

Festgestellen,
- - ob ein Bauteil an einem Signalport angeschlossen ist,
- - wie groß die Kapazität einer an einem Signalport angeschlossenen Schaltungskomponente ist, und/oder
- - wie hoch die Resonanzfrequenz einer an einem Signalport angeschlossenen Schaltungskomponente ist.

Dementsprechend kann das Verfahren unter zumindest teilweiser Verwendung der oben beschriebenen Treiberschaltung durchgeführt werden. Die Schaltungskomponente kann entsprechend ein piezoelektrisches Bauelement mit einer Kapazität und einer Resonanzfrequenz sein.
Das Feststellen kann unter Verwendung eines Signals konstanter oder variabler Frequenz an den Signalport erfolgen. Die Form des Signals, z. B. ein Rechtecksignal, kann im Mikrocontroller hinterlegt sein. Um die Resonanzfrequenz zu bestimmen, kann der frequenzabhängige Stromfluss zum Signalport bestimmt werden. Ist die Resonanzfrequenz durch Messung oder durch Auslesen eines Speicherwerts im Mikrocontroller bestimmt, kann der Signalport mit einer angepassten, z. B. einer optimierten, Frequenz angesteuert werden.
Eine der oben genannten elektrisch leitenden Verbindungen zwischen unterschiedlichen Schaltungskomponenten der Treiberschaltung kann dabei eine direkte elektrische Verschaltung oder eine Verschaltung über in Serie verschalteten weiteren Schaltungselementen wie z. B. Kondensatoren, Spulen oder Ohm‘sche Widerstände sein. So sind beispielsweise der Komparator und der Operationsverstärker elektrisch leitend mit dem Signalport verschaltet. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen Spannungsniveaus der Betriebsspannungen dieser Komponenten ist es bevorzugt, Spannungsteiler in die elektrische Verbindung zu integrieren, um unterschiedliche Spannungsniveaus für die unterschiedlichen Bauelemente zu erhalten.
Zentrale Aspekte der Treiberschaltung, technische Details und einzelne Merkmale von Ausführungsbeispielen sind in den schematischen Figuren gezeigt.
Es zeigen:

1 ein Ersatzschaltbild der Treiberschaltung mit wichtigen Schaltungskomponenten einer einfachen Ausführungsform.
2 das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen (Stapel-) Bauelements.
3 ein Ersatzschaltbild mit zusätzlichen Schaltungskomponenten.
4 ein Ersatzschaltbild mit weiteren Schaltungskomponenten.
5 ein Ersatzschaltbild mit zusätzlichen Schaltungselementen einer vorteilhaften Ausgestaltung der Treiberschaltung.
6 eine mögliche Anschlussbelegung eines Mikrocontrollers.
7 ein Ersatzschaltbild mit Schaltungskomponenten am Ausgang eines D/A-Wandlers.
8 ein Ersatzschaltbild mit Schaltungskomponenten einer Spannungsversorgung für eine 5 Volt-Versorgungsspannung.
9 ein Ersatzschaltbild mit Schaltungskomponenten einer möglichen Versorgungsspannung für den Signalport.
10 ein Ersatzschaltbild der Treiberschaltung mit weiteren Schaltungskomponenten.
11 ein Ersatzschaltbild mit zusätzlichen Schaltungselementen einer vorteilhaften Ausgestaltung der Treiberschaltung.

1 zeigt die relative Schaltungsanordnung einzelner Schaltungskomponenten der Treiberschaltung TS in einem Ersatzschaltbild. Die Treiberschaltung TS hat einen Signalport SP mit einem ersten Anschluss A1 und einem zweiten Anschluss A2. Ferner hat die Treiberschaltung TS einen Komparator KOMP und einen Operationsverstärker OPAMP. Im Übrigen hat die Treiberschaltung einen ersten Knoten K1 und einen zweiten Knoten K2. Der Komparator KOMP hat einen nicht invertierenden Eingang (+) und einen invertieren Eingang (-). Der Operationsverstärker OPAMP hat einen invertierenden Eingang (-) und einen nicht-invertierenden Eingang (+). Der Ausgang des Operationsverstärkers OPAMP ist mit dem ersten Knoten K1 verschaltet. Der Ausgang bzw. der erste Knoten K1 sind über eine Rückkopplung mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet. Dieser invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem ersten Anschluss A1 des Signalports SP verschaltet. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem zweiten Knoten K2 verschaltet. Der Komparator ist zusätzlich mit einer Signalleitung verschaltet, über die eine Regelschleife mit einer Halbbrücke eines Schaltreglers möglich ist.
Über die in 1 gezeigte Verschaltung aus Signalport SP, Komparator KOMP und Operationsverstärker OPAMP ist es mit wenigen Schaltungskomponenten möglich, Spannungsänderungen am Signalport zu detektieren und gleichzeitig den Signalport mit einer gewünschten Spannungsänderung zu versorgen. Am Signalport SP können die Elektroden eines piezoelektrischen Bauelements angeschlossen sein. Das piezoelektrische Bauelement kann mit der zu betätigenden Fläche einer Taste verbunden sein. Damit ist es gleichzeitig möglich, den Druck auf die Taste zu bestimmen und ein haptisches Feedback auf die Taste zu geben und/oder einen Ausgang eines Mikrocontrollers zu schalten.
2 illustriert das Funktionsprinzip eines piezoelektrischen Bauelements in Form eines piezoelektrischen Aktuators. Das piezoelektrische Bauelement PB hat einen Grundkörper GK aus einem piezoelektrischen Material. Abwechselnd übereinander geschichtet sind Elektrodenlagen EL und piezoelektrisches Material. Benachbarten Elektrodenlagen sind jeweils abwechselnd mit einer von zwei äußeren Elektroden E1, E2 verbunden. An der Oberseite des Lagenstapels ist ein „Dach“ D angeordnet, das zumindest zwei in ihrer Länge unveränderlichen Elemente aufweist. Der Winkel zwischen den Elementen einerseits und der Oberseite des Lagenstapels andererseits ist variabel. Der Winkel zwischen den beiden Elementen selbst ist auch variabel. Beim Verändern der zwischen den beiden Elektroden E1, E2 anliegenden Spannung verändert der Lagenstapel aufgrund des piezoelektrischen Effekts seine Form. So ist es möglich, dass sich der Lagenstapel in horizontaler Richtung zusammenzieht und in vertikaler Richtung ausdehnt. Das Ausdehnen in vertikaler Richtung bewirkt einen Hub H1. Das Zusammenziehen in horizontaler Richtung bewirkt über eine Veränderung der Ausrichtung der Elemente des Dachs D einen zweiten Hub H2. Der Gesamthub H des piezoelektrischen Bauelements PB setzt sich aus diesen zwei Komponenten zusammen: H=H1+H2.
Der Gesamthub H kann dabei in der Größenordnung von einigen wenigen 100 µm, z. B. 100 µm oder 200 µm liegen. Die vertikale Höhe des piezoelektrischen Bauelements kann dabei ebenfalls in der Größenordnung einiger 100 µm liegen.
Erfährt das piezoelektrische Bauelement über das Dach einen Druck, wird das Bauelement gedehnt. Die durch die zugehörige Dehnung des Stapels induzierte Spannungsänderung ist ein Maß für die Kraft, mit der auf die Taste gedrückt wird.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild mit zusätzlichen Schaltungskomponenten. Die Treiberschaltung hat einen dritten Knoten K3, einen vierten Knoten K4 und einen fünften Knoten K5. Ferner hat die Treiberschaltung eine Halbbrücke HB, einen ersten Transistor T1 und einen zweiten Transistor T2. Im Übrigen hat die Treiberschaltung einen Kondensator K, eine erste Diode D1 und eine zweite Diode D2.
Der dritte Knoten K3 dient dazu, eine Versorgungsspannung für den Signalport SP einzuspeisen. Die Versorgungsspannung kann dabei direkt an den dritten Knoten K3 abgegeben werden. Dazu kann am dritten Knoten K3 ein Spannungsversorger für Spannungen im Bereich einiger weniger 100 Volt angeschlossen sein. Der erste Transistor T1 ist mit der Halbbrücke HB, dem dritten Knoten K3 und dem ersten Anschluss A1 verschaltet. Der Anschluss des ersten Transistors T1, über den der erste Transistor mit der Halbbrücke HB verschaltet ist, ermöglicht es dabei, die Anschlüsse des ersten Transistors, die mit dem dritten Knoten K3 bzw. mit dem ersten Anschluss A1 verschaltet ist, entweder leitend zu verbinden oder voneinander zu trennen. Analog ermöglicht es der zweite Transistor T2 über die Verbindung zur Halbbrücke HB, Masse GND und den ersten Anschluss A1 entweder leitend miteinander zu verbinden oder zu trennen. Die erste Diode D1 zwischen dem ersten Anschluss A1 und dem Kondensator K und die zweite Diode D2 zwischen dem ersten Anschluss A1 und Masse ermöglichen zusammen mit den beiden Transistoren T1, T2, die von der Halbbrücke HB gesteuert werden, das Aktivieren eines am Signalport SP angeschlossenen Bauelements. Das Aktivieren ist derart möglich, dass zum Signalport übertragene elektrische Ladung zumindest teilweise im Kondensator K zwischengespeichert werden kann und dadurch für eine anschließende, spätere Aktivierung wieder zur Verfügung steht.
Über den vierten Knoten K4 und den fünften Knoten K5 und über gegebenenfalls weiter vorhandene, zusätzliche Knoten, die mit der Halbbrücke HB verschaltet sind, ist eine Kopplung der Halbbrücke HB an einen Mikrocontroller möglich. Der Mikrocontroller kann dabei eine bevorzugte Spannung oder einen bevorzugten Spannungsverlauf zum Aktivieren des Signalports SP vorgeben, was von der Halbbrücke HB als Teil des Schaltreglers effizient umgesetzt wird.
Der vierte Knoten K4 kann dabei eine Versorgungsspannung - z. B. in Höhe von 12 V - für den Halbbrückentreiber bereitstellen oder mit einer entsprechenden Spannungsversorgung verschaltet sein.
Der Komparator KOMP ist ebenfalls mit der Halbbrücke HB elektrisch leitend verbunden.
4 zeigt ein Ersatzschaltbild der Treiberschaltung, bei der der erste Knoten K1 an einen A/D-Wandler ADC gekoppelt ist. Der zweite Knoten K2 ist an einen D/A-Wandler gekoppelt. Über den A/D-Wandler ADC ist der erste Knoten K1 mit einem Mikrocontroller verbunden. Über den D/A-Wandler DAC ist der zweite Knoten K2 mit dem Mikrocontroller verbunden. Die beiden Wandler ADC, DAC dienen dabei dazu, zwischen der analogen Domäne wie in 4 gezeigt und der digitalen Domäne des Mikrocontrollers zu wandeln.
Der Spannungswandler SW versorgt den dritten Knoten K3 und damit - je nach Schalterstellungen der Transistoren - den Signalport SP mit der dafür benötigten, relativ hohen Versorgungsspannung.
5 zeigt das Ersatzschaltbild einer Treiberschaltung, bei der zusätzliche Schaltungselemente vorhanden sind. Die Widerstände R13, R14 und R18 bilden einen Spannungsteiler, um die relativ hohe Spannung des Signalports SP auf ein Spannungsniveau, das mit einer Arbeitsspannung des Operationsverstärkers OPAMP kompatibel ist, zu verringern. Entsprechend schützt der Widerstand R7 den nicht-invertierenden Eingang des Komparators. Der Widerstand R10 und die Widerstände R21, R22 stellen ebenso einen Spannungsteiler dar.
Ein Transistor T4 und ein Transistor T3 sind elektrisch leitend mit dem vierten Knoten bzw. dem fünften Knoten verbunden. Die Spule L1 zwischen der Halbbrücke HB und dem Signalport dient zur Glättung eines Strom- oder Spannungssignals. Zwischen der Spule L1 und dem dritten Transistor T3 sind in Serie ein kapazitives Element und eine weitere Diode verschaltet. Dabei ist die weitere Diode zwischen dem kapazitiven Element und dem dritten Transistor T3 verschaltet. Zwischen einem Anschluss des vierten Transistors T4 und dem vierten Port K4 ist ein Widerstand verschaltet. Zwischen der Halbbrücke HB und dem ersten Transistor T1 ist ein elektrischer Widerstand verschaltet. Auch zwischen dem zweiten Transistor T2 und der Halbbrücke ist ein elektrischer Widerstand verschaltet.
Die Spule L1 bildet mit den kapazitiven Elementen C4, C5 und der Kapazität des piezoelektrischen Bauelements einen Tiefpassfilter.
Die Anschlüsse ADC_#1 bis ADC_#5 sind die Eingänge des Analog/Digital-Wandlers am Mikrocontroller. Diese sind mit dem ersten Knoten K1 der Treiberschaltung verschaltet und dienen dazu, die Feedbacksignale am Mikrocontroller einzulesen. Es können auch mehr oder weniger Analog/Digital-Wandler verwendet werden. Dies hängt davon ab, wie viele Treiberschaltungen vom Mikrocontroller angesteuert werden. Das A/DC Signal ist mit dem ersten Knoten K1 der Treiberschaltung verbunden.
Der Digital/Analog-Wandler (DAC) des Mikrocontrollers dient dazu, die Form des Signals am piezoelektrischen Bauelement vorzugeben. Diese Signalform ist im Mikrocontroller hinterlegt und frei konfigurierbar. Dieser D/AC-Ausgang ist über den nicht invertierenden Verstärker (vgl. 7) mit dem zweiten Knoten K2 der Treiberschaltung verbunden. A Mikrocontroller befinden sich weitere digitale Ausgänge. Über diese kann z. B. bei einem Trigger, ausgelöst durch das piezoelektrische Bauelement, der Ausgang geschaltet werden. Die Mikrocontroller hat auch digitale Eingänge. Damit kann für die Treiberschaltung extern getriggert werden.
6 zeigt eine mögliche Belegung der Anschlusspins eines Mikrocontrollers, der zur Steuerung und Regelung der übrigen Schaltungselemente der Treiberschaltung Verwendung finden kann. Die Anschlüsse ADC_#1 und ADC_#3 sind mit dem ersten bzw. zweiten Knoten der Treiberschaltung verschaltet.
7 zeigt Schaltungskomponenten am Signalausgang eines möglichen D/A-Wandlers. Der Ausgang des Wandlers hat einen Operationsverstärker mit einer Feedbackschleife. Mit dem nicht invertierenden Verstärker wird das DAC-Signal vom Mikrocontroller angepasst.
8 zeigt Schaltungskomponenten einer möglichen Spannungsversorgung für ein 5 Volt-Spannungsniveau, z. B. als Spannungsversorger für den Operationsverstärker oder den Komparator.
9 zeigt im Vergleich dazu Schaltungskomponenten eines etwas aufwendiger gestalteten Spannungsversorgers, der den Signalport SP mit einer relativ hohen Aktivierungsspannung versorgen soll.
10 zeigt eine Treiberschaltung, die im Vergleich mit der Schaltung der 1 noch ein resistives Element R20, ein resistives Element R26 und ein kapazitives Element C13 aufweist. Das resistive Element R20 ist zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators KOMP in dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OPAMP verschaltet. Das resistive Element R26 ist in Serie zum kapazitiven Element C13 verschaltet. Die Serienverschaltung aus R26 und C13 ist parallel zum resistiven Element und zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet.
Das Bereitstellen der Serienverschaltung aus dem resistiven Element R26 und dem kapazitiven Element C13 verbessert das Regelverhalten und damit die Signalqualität des Signals, das am Signalport SP bereitgestellt werden kann.
11 zeigt entsprechend 10 eine Variation der Schaltung der 5, die das resistives Element R20, das resistive Element R26 und das kapazitives Element C13 aufweist, um das Regelverhalten und die Signalqualität am Signalport SP zu verbessern.
Die Treiberschaltung, die Taste und das Verfahren zum Betrieb einer Taste sind nicht auf die gezeigten technischen Merkmale und Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Treiberschaltung kann zusätzliche elektrisch leitende Verbindungen und zusätzliche Schaltungskomponenten umfassen. Insbesondere kann die Treiberschaltung zusätzliche Datenkanäle vom Mikrocontroller zur Halbbrücke aufweisen, um weitere Freiheitsgrade beim Formen der zeitlichen Abhängigkeit des Spannungssignals, das an den Signalport zu übermitteln ist, zur Verfügung zu stellen.
Bezugszeichenliste

A1, A2: erster, zweiter Anschluss
ADC: A/D-Wandler
C: Kondensator
D: Dach
D1, D2: erste, zweite Diode
DAC: D/A-Wandler
E1, E2: erste, zweite Elektrode
EL: Elektrodenlage
GK: Grundkörper
GND: Masse
H: Gesamthub des piezoelektrischen Bauelements
H1, H2: erster, zweiter Teilhub
HB: Halbbrücke
K: Kondensator
K1, K2, K3: erster, zweiter, dritter Knoten
K4, K5: vierter, fünfter Knoten
KOMP: Komparator
L: Spule
OPAMP: Operationsverstärker
PB: piezoelektrisches Bauelement
R: Widerstand
SP: Signalport
SW: Spannungswandler
T1, T2: erster, zweiter Transistor
TS: Treiberschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8605053 B2 [0004]
EP 3018824 A1 [0005]
EP 3065029 A1 [0006]
EP 2600224 A1 [0006]
EP 2472365 B1 [0006]

Claims

Treiberschaltung, umfassend - einen Signalport mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, - einen ersten Knoten und einen zweiten Knoten, - einen Komparator mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang, - einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang, wobei - der erste Anschluss mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist, - der zweite Anschluss mit dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators elektrisch leitend verbunden ist, - der invertierende Eingang des Komparators mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch leitende verbunden ist, - der erste Knoten mit dem Ausgang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist, - der invertierende Eingang des Komparators mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist und - der zweite Knoten mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers elektrisch leitend verbunden ist.
Treiberschaltung nach dem vorherigen Anspruch, umfassend - eine Halbbrücke, - einen dritten Knoten, einen vierten Knoten und einen fünften Knoten, - einen ersten Transistor und einen zweiten Transistor, - eine erste Diode und eine zweite Diode und - einen Kondensator, wobei - die Halbbrücke mit dem ersten Anschluss, mit dem ersten Transistor, mit dem zweiten Transistor, mit dem Ausgang des Komparators, mit dem vierten Knoten und mit dem fünften Knoten elektrisch leitend verbunden ist, - die ersten Diode mit dem ersten Anschluss und dem Kondensator elektrisch leitend verbunden ist, -die zweite Diode mit dem ersten Anschluss elektrisch leitend verbunden ist, - der ersten Transistor mit dem ersten Anschluss und dem dritten Knoten elektrisch leitend verbunden ist, - der zweite Transistor mit dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss elektrisch leitend verbunden ist.
Treiberschaltung nach dem vorherigen Anspruch, ferner umfassend - einen Mikrocontroller, einen A/D-Wandler, einen D/A-Wandler, einen Spannungswandler und ein piezoelektrisches Bauelement, wobei - der erste Knoten über den A/D-Wandler mit dem Mikrocontroller elektrisch leitend verbunden ist, - der zweite Knoten über den D/A-Wandler mit dem Mikrocontroller elektrisch leitend verbunden ist, - der vierte Knoten elektrisch leitend mit dem Mikrocontroller verbunden ist, - der fünfte Knoten elektrisch leitend mit dem Mikrocontroller verbunden ist, - der dritte Knoten ist über den Spannungswandler elektrisch leitend mit einem Versorgungsanschluss verbunden ist und - der Signalport mit dem piezoelektrischen Bauelement elektrisch leitend verbunden ist.
Treiberschaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei - das piezoelektrische Bauelement Teil eines Schalters mit haptischer Rückmeldung ist, - ein Tastendruck durch Auswertung einer am piezoelektrischen Bauelement anliegenden Spannung registriert werden kann und - die haptische Rückmeldung durch Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Bauelement erzeugt werden und/oder ein oder mehrere Ausgänge des Mikrocontrollers geschalten werden kann.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Spannungsteiler zwischen dem Signalport und dem Komparator und/oder einen Spannungsteiler zwischen dem Signalport und dem Operationsverstärker.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der eine Spannung am Signalport durch eine Schaltregelung einstellbar ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Komparator durch einen Operationsverstärker ohne Rückkopplung realisiert ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Komparator mit einstellbarer Hysterese realisiert ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Spannungsversorgung zumindest eines Operationsverstärkers mit einem Längsregler realisiert ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen hochohmigen Spannungsteiler, über den die am Signalport anliegende Spannung dem Operationsverstärker zugeführt wird.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Signalport über einen Schaltregler vom Komparator angesteuert und mit einer vorgegebenen Spannung versorgt wird.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend eine Spule, die mit dem ersten Anschluss elektrisch leitend verbunden ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Signalport durch Triggerung von einem oder mehreren digitalen Eingängen eines Mikrocontrollers aktivierbar ist.
Treiberschaltung nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Triggern durch einen Touchsensor auslösbar ist.
Treiberschaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend - ein resistives Element zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, - einer Serienverschaltung mit einem resistiven Element und einem kapazitiven Element, die parallel zum resistiven Element und zwischen dem invertierenden Eingang des Komparators und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet ist.
Taste mit haptischer Rückmeldung, umfassend - ein piezoelektrisches Bauelement und eine Treiberschaltung, wobei die Treiberschaltung dazu vorgesehen ist, - eine vom piezoelektrischen Bauelement induzierte Spannungsänderung zu registrieren und beim Drücken und/oder Loslassen der Taste das piezoelektrische Bauelement mit einer Spannung zu beaufschlagen.