JP7467053B2 - 圧電触覚フィードバックにおけるゼロ電力ウェイクアップ検知回路 - Google Patents
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Description
本発明は、ウェイクアップ回路に関し、特に、圧電アクチュエータを含む触覚フィードバックシステムで使用するウェイクアップ回路に関する。
圧電効果は可逆プロセスであり、圧電材料に力が印加されると電荷が生成され、圧電材料に電荷が加えられると力が生成される。電荷は電流または電圧として測定でき、材料に印加された機械的歪みを推定するための良い方法を提供する。応用例としては、圧電材料を使用して機械的スイッチを置き換えることである。したがって、ユーザが圧電材料を含むボタンを押すと、電圧／電流が生成され、それにより、この電圧／電流変化を、ユーザがボタンを押したことをシステムに知らせる電子デバイスによって検出できる。
逆圧電効果は反対の結果をもたらす。圧電材料に電圧を印加すると、圧電材料に機械的歪みが発生する。歪みは、用途に応じて圧電材料の力および／または変位を生成する。例示的な用途は、触覚アクチュエータであり、そこでは、ユーザに感覚的なフィードバックを提供するための感覚、例えば振動を生成することが望まれる。デバイスは電圧波形を触覚アクチュエータに印加して、所望の感覚を生成する。一般的に、有用な動きや力を得るには、数十から数百ボルトを圧電アクチュエータに印加して、認識可能な感覚を生成する必要がある。
検知と作動の両方が必要なシステムにとって、システムは、センサとアクチュエータの両方として機能する単一の素子、すなわち圧電アクチュエータを使用できるため、圧電アクチュエータは魅力的である。二重機能素子により、機械式ボタン交換などのアプリケーションが可能になり、この場合、システムにコマンドを提供するためには検知が必要であり、また、システムに自然なユーザインタフェースを提供するには、触覚フィードバックが必要である。
残念ながら、単純なシステムで作動機能と検知機能の両方を組み合わせようとすると問題が発生する。第一に、ユーザがアクチュエータを押すときの入力信号は、たった１桁のボルト、例えば１Ｖ～１０Ｖに制限できる一方、良好な触覚感覚を生成するために必要な電圧は、数十から数百ボルトになることがある。それには、１）検知エレクトロニクスは、安全に高電圧信号、例えば１００Ｖ以上を受け入れることができる必要があること、２）振幅がたった１Ｖの信号を検出するのに十分な感度があること、という２つの課題がある。したがって、多くの検知フロントエンド電子機器には、電圧をスケールダウンして、例えばＡＤＣまたは他の同様の手段を使用して、電圧を読み取ることができる抵抗経路がある。ただし、抵抗経路は、圧電アクチュエータを継続的に放電させ、信号振幅を小さくすることにより、システム感度を低下させる。２番目の問題は、センサを読み取るためにアクティブ回路が必要であり、その回路が動作するには数マイクロアンペアから数ミリアンペアの静的電流および／または動的電流が必要であることである。ボタンが１日に数回使用されるシステムでは、この過電流に対する要件により、かなりの量の電力が無駄になる。
本発明の目的は、圧力を印加していないときに電力を消費しないが、圧電アクチュエータに印加された圧力を検出することができ、作動回路に電源投入信号を生成し、低遅延で触覚フィードバックを開始するウェイクアップ回路を提供することにより、従来技術の欠点を克服することである。
したがって、本発明は、圧電回路であって、
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
ウェイクアップ信号に応答して触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
圧電アクチュエータに力が印加されていないとき電力を消費しないウェイクアップ回路であって、圧電アクチュエータに結合されたコンデンサと、検知信号を受信するために、コンデンサを介して圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、電圧源に接続された第２の端子、および接地に接続された第３の端子を含み、検知信号が有効であるとき導通するトランジスタと、トランジスタが導通したとき、ウェイクアップ信号をアクチュエータ回路に提供するために、第２の端子に接続された出力と、を含むウェイクアップ回路と、
コンデンサと第１の端子との間に接地への経路を提供するスイッチを含むフィードバックであって、トランジスタが導通するとスイッチは閉じられ、触覚電圧信号またはトランジスタを損傷するのに十分高い任意の電圧信号からトランジスタを保護するフィードバックとを備える、圧電回路に関する。
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
ウェイクアップ信号に応答して触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
圧電アクチュエータに力が印加されていないとき電力を消費しないウェイクアップ回路であって、圧電アクチュエータに結合されたコンデンサと、検知信号を受信するために、コンデンサを介して圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、電圧源に接続された第２の端子、および接地に接続された第３の端子を含み、検知信号が有効であるとき導通するトランジスタと、トランジスタが導通したとき、ウェイクアップ信号をアクチュエータ回路に提供するために、第２の端子に接続された出力と、を含むウェイクアップ回路と、
コンデンサと第１の端子との間に接地への経路を提供するスイッチを含むフィードバックであって、トランジスタが導通するとスイッチは閉じられ、触覚電圧信号またはトランジスタを損傷するのに十分高い任意の電圧信号からトランジスタを保護するフィードバックとを備える、圧電回路に関する。
本発明の別の態様は、圧電回路であって、
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
ウェイクアップ回路であって、圧電アクチュエータに結合されたコンデンサと、検知信号を受信するために、コンデンサを介して圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、電圧源に接続された第２の端子、および接地に接続された第３の端子を含み、検知信号が第１の閾値電圧を超えるとき導通するトランジスタと、第２の端子に接続された出力と、を含むウェイクアップ回路と、
コンデンサと第１の端子との間に接地への経路を提供するスイッチを含むフィードバックループと、
出力に接続されたコントローラであって、検知信号が有効になるタイミングを決定すること、トランジスタが導通するときアクチュエータ回路にウェイクアップ信号を提供すること、スイッチを閉じてコンデンサと第１の端子間に接地への経路を提供することにより、圧電アクチュエータと第１の端子間の容量結合を無効にすること、および力の印加に対する触覚応答を提供する圧電アクチュエータに触覚電圧信号を送信するためにアクチュエータ回路を作動させることができるコントローラとを備える、圧電回路に関する。
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
ウェイクアップ回路であって、圧電アクチュエータに結合されたコンデンサと、検知信号を受信するために、コンデンサを介して圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、電圧源に接続された第２の端子、および接地に接続された第３の端子を含み、検知信号が第１の閾値電圧を超えるとき導通するトランジスタと、第２の端子に接続された出力と、を含むウェイクアップ回路と、
コンデンサと第１の端子との間に接地への経路を提供するスイッチを含むフィードバックループと、
出力に接続されたコントローラであって、検知信号が有効になるタイミングを決定すること、トランジスタが導通するときアクチュエータ回路にウェイクアップ信号を提供すること、スイッチを閉じてコンデンサと第１の端子間に接地への経路を提供することにより、圧電アクチュエータと第１の端子間の容量結合を無効にすること、および力の印加に対する触覚応答を提供する圧電アクチュエータに触覚電圧信号を送信するためにアクチュエータ回路を作動させることができるコントローラとを備える、圧電回路に関する。
本発明の別の特徴は、圧電回路であって、
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
ウェイクアップ回路であって、圧電アクチュエータに結合されたコンデンサと、検知信号を受信するために、コンデンサを介して圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、電圧源に接続された第２の端子、および接地に接続された第３の端子を含み、検知信号が第１の閾値電圧を超えるとき導通するトランジスタと、トランジスタが導通したときにアクチュエータ回路にウェイクアップ信号を提供するために、第２の端子に接続された出力と、第１の端子と基準電圧との間に接続され、第１の端子の電圧が所定量を超えるのを防ぐことができるクランプダイオードとを含むウェイクアップ回路とを備える、圧電回路を提供する。
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
ウェイクアップ回路であって、圧電アクチュエータに結合されたコンデンサと、検知信号を受信するために、コンデンサを介して圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、電圧源に接続された第２の端子、および接地に接続された第３の端子を含み、検知信号が第１の閾値電圧を超えるとき導通するトランジスタと、トランジスタが導通したときにアクチュエータ回路にウェイクアップ信号を提供するために、第２の端子に接続された出力と、第１の端子と基準電圧との間に接続され、第１の端子の電圧が所定量を超えるのを防ぐことができるクランプダイオードとを含むウェイクアップ回路とを備える、圧電回路を提供する。
本発明は、その好ましい実施形態を表す添付の図面を参照してより詳細に説明される。
本教示は、様々な実施形態および実施例と併せて説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されていない。それどころか、本教示は、当業者によって理解されるように、様々な代替物および同等物を包含する。
圧電アクチュエータ回路には、理想的には、１）センサとアクチュエータの両方として機能する単一の圧電素子である、２）圧電アクチュエータに圧力が印加されていないときの電力消費がゼロ、つまり、漏れ電流以外の静的または動的な電力がない場合、ウェイクアップ回路は、印加された圧力に対して圧電アクチュエータを連続的に検知する、３）低遅延、例えば３０ｍｓ未満、好ましくは１０ｍｓ未満、より好ましくは１ｍｓ未満、電源投入から波形生成準備完了まで回路を作動させる、４）ｉ）抵抗分圧器を介した低周波数（信号振幅と周波数）での感度の向上、およびｉｉ）高電圧信号と低電圧電子機器間の安全なインタフェースのための容量性カップリングと高入力インピーダンスを備えたウェイクアップ回路、という特性が含まれる。
図１を参照すると、本発明の圧電デバイス１は、圧電材料アクチュエータ２、圧電（ピエゾ）アクチュエータ２を検知および作動できる圧電ドライバ集積回路（ＩＣ）３、およびマイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）４を含むことができる。アクチュエータ２内の圧電材料は、例えば、天然に生じる結晶、例えば、クォーツ、合成結晶、例えば、ランガサイトとニオブ酸リチウム、または合成セラミック、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）など任意の適切な材料から構成されてもよい。
ＩＣ３は、所定の閾値を超える圧電アクチュエータ２への圧力を検出するウェイクアップ回路１１、有効性チェックのためにウェイクアップ後に圧電信号を正確に検知するアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）１３、有効な圧力作動に応答して感覚を生成するために、触覚電圧信号を圧電アクチュエータ２に送信するためのドライバ回路１２を含む。
ＭＣＵ４は、圧電アクチュエータ２で発生するイベントについて、圧電ＩＣ３とＭＣＵ４との間に延びる割込みライン１４を介して、ウェイクアップ回路１１によって通知されてもよい。圧電ＩＣ３とＭＣＵ４との間に延在するデータ接続１６は両方向で使用することができ、ＭＣＵ４が圧電ＩＣ３との間で信号を受信し、命令を送信できるようにする。ＩＣ３およびＭＣＵ４は、必要に応じて単一の集積回路上に提供されてもよい。
図２を参照すると、ウェイクアップ回路１１は、適切なトランジスタｍ１、例えば第１、第２、および第３の端子２１、２２、および２３、例えば、ゲート、ドレイン、ソースを含むＮＭＯＳトランジスタを含む共通ソース回路を含むことができる。圧電アクチュエータ２は、高電圧コンデンサｃ１、理想的には抵抗器のないコンデンサｃ１のみを介して第１の端子２１にＡＣ結合されてもよい。高電圧コンデンサは、２つの端子間で予想される最大信号、例えば、触覚電圧信号以上の破壊電圧を有するコンデンサである。例えば、１００Ｖ圧電ＩＣ ３では、少なくとも定格電圧１００Ｖの高電圧コンデンサが必要になる。圧電ＩＣ ３が２０Ｖ信号用に作られている場合、コンデンサの破壊電圧は少なくとも２０Ｖでなければならない。
代替実施形態での抵抗器の代わりに結合コンデンサｃ１を使用すると、圧電アクチュエータ２を任意のＤＣ電圧にバイアスすることができ、例えば、圧電アクチュエータ２を圧電ＩＣ３の供給電圧、例えば、１Ｖ～５ＶのＶＣにバイアスすることができる。また、コンデンサｃ１は大きなＤＣインピーダンスを有しているため、圧電アクチュエータ２によって生成された電荷は、作動中に活発に蓄積され、強固な入力信号を築き上げる。約１０Ｈｚの一般的な検知信号周波数の場合、コンデンサｃ１は１：１に近い比率でウェイクアップ電圧信号を通過させ、これにより、１Ｖのウェイクアップ電圧信号でも、トランジスタｍ１のトランジスタ閾値電圧を閾値として使用して、ウェイクアップ回路１１をトリガするのに十分である。しかし、コンデンサｃ１は、大きな触覚信号電圧でｍ１のゲート電圧を上昇させ、トランジスタｍ１を破壊する可能性がある。したがって、トランジスタｍ１を高電圧から保護するには、保護回路、例えば、遅延時間フィードバックシステム２７を含み、ダイオードｄ１およびｄ２および／またはアクティブスイッチ３０を備えた保護回路を、トランジスタｍ１のゲート電圧が許容限度内、すなわち、触覚電圧信号または高すぎる検知電圧信号などトランジスタｍ１を損傷させる電圧未満に確実に留まるように設けてもよい。フィードバックシステム２７は、第２の端子２２と第１の端子２１との間、またはＭＣＵ４と第１の端子２１との間に延在してもよい。
電圧源ＶＣ、例えば１Ｖ～５Ｖの間の圧電ＩＣ３用の電源は、負荷抵抗器ｒ１または他の適切なプルアップ回路を介して第２の端子２２に接続される。割込み１４を介してドライバ回路１２およびＭＣＵ４の一方または両方と接続するために、出力２６も第２の端子２２に接続される。
第１の端子２１、例えば、トランジスタｍ１のゲートは、遅延フィードバックシステム２７によって高電圧から保護されており、接触力を通知した後、またはドライバ回路１２によって圧電アクチュエータ２に高電圧波形が印加されて触覚感覚を生成したとき、第１の端子２１を低く保つ。遅延フィードバックシステム２７は、遅延２８およびスイッチ３０を含んでもよい。
遅延２８の目的は、十分な時間経過があることを保証することであるので、出力２６でのウェイクアップ信号は、保護回路２７が作動してウェイクアップ信号を除去する前、すなわち、スイッチ３０を介して第１の端子２１を接地する前に、ＭＣＵ４または他の論理回路によって捕捉されるのに十分長い期間を有する。遅延２８の値は、ウェイクアップ回路１１の特性、例えば、コンデンサｃ１の静電容量とｍ１およびダイオードｄ１およびｄ２の破壊電圧に基づいて調整することができる。遅延２８の値は、１μｓ～１００ｍｓの範囲であってもよいが、システムによっては、より短い、例えば、１ηｓ～１μｓ、または、より長い、例えば＞１００ｍｓであり、また、例えば、圧電アクチュエータ２およびＭＣＵ ４のタイプ、または実装で使用されるカスタムロジックなどのアプリケーション固有の条件による遅延がある。
圧力が圧電アクチュエータ２に印加されていないときにトランジスタｍ１を「オフ」に保ちながら、トランジスタｍ１の第１の端子２１を基準電圧ｖ１にバイアスしてもよい。第１の端子２１は、低い基準電圧Ｖ１（０～０．５Ｖ）、すなわち、トランジスタｍ１の閾値電圧Ｖｔ（０．６～０．７Ｖ）未満に維持される一方、圧電アクチュエータ２に力が印加されないときには、トランジスタｍ１を「オフ」に維持する。
最初に、圧電アクチュエータ２に圧力が印加されていないとき、ＭＣＵ４からスイッチ３０へのオプションのイネーブル信号は低く、すなわちスイッチ３０は閉じているかオンであり、トランジスタｍ１の第１の端子２１は接地にプルダウンされる。トランジスタｍ１は「オフ」であり、入力／出力２６の出力を高レベル、例えば、ＶＣに設定する。
検知回路１１はまた、ＭＣＵ４がイネーブル信号をハイに設定してスイッチ３０を開くことにより作動し、これにより、第１の端子２１は接地から切断される。ユーザが圧電素子２に圧力を印加すると、圧電素子２によって、通常、２００～４００ｍｓの間で１～５Ｖの電圧信号が生成される。圧電素子２からの電圧は、コンデンサｃ１を介してトランジスタｍ１の第１の端子２１に結合される。第１の端子２１のノードの高インピーダンスは、トランジスタｍ１への結合電圧信号を最大化する。結合された電圧信号が所定の閾値電圧Ｖｔ、例えば、約０．７Ｖを超えると、トランジスタｍ１は「オン」になり、出力２６の出力を低レベルに引き下げ、トランジスタｍ１は負荷抵抗器ｒ１を介して導通する。出力２６の低レベル出力電圧は、出力２６から直接にまたはＭＣＵ ４を介して、ドライバ回路１２自体によってウェイクアップ信号として検出される。次に、ＭＣＵ４は、ＡＤＣ１３を介して圧電素子２によって生成された電圧を正確に検知し、圧電素子２に対する圧力事象が触覚信号応答を誘発する正当な事象であるかどうかを判定する。出力２６の出力が低くなると、所定の遅延後、例えば＜１０ｍｓ、遅延２８により、トランジスタｍ１の第１の端子２１は、フィードバックループ２７および／またはスイッチ３０を閉じることによってＭＣＵ ４からのイネーブル信号により接地に引き戻され、トランジスタｍ１がオフになり、導通しなくなると、出力２６の出力電圧は高レベルに戻る。遅延中または遅延後、ウェイクアップ回路１１および／またはＭＣＵ ４の出力２６は、触覚フィードバック準備完了信号を圧電ＩＣ ３上のドライバ回路１２に送信し、圧電アクチュエータ２で高電圧触覚信号を生成し、それにより、ユーザに触覚感覚を提供する。トランジスタｍ１の第１の端子２１を接地に引き下げることにより、コンデンサｃ１とトランジスタｍ１との間の容量結合が無効になり、圧電素子２に印加される高電圧触覚信号から低電圧ウェイクアップ回路１１が保護される。したがって、コンデンサｃ１のみが高電圧をサポートする必要がある。
コンデンサｃ１とスイッチ３０との間に一対の逆並列ダイオードｄ１およびｄ２を設けることができる。逆並列ダイオードｄ１およびｄ２は、接地に接続するか、第１の端子２１の閾値電圧Ｖｔ未満の任意の基準電圧Ｖ１に接続することができ、このことは、前述のように、第１の端子２１をより高い電圧でバイアスするのに役立つであろう。したがって、ウェイクアップ回路１１、すなわちトランジスタｍ１は、圧電素子２で生じたより小さな電圧（Ｖｔ－Ｖ１）を検出することができた。コンデンサｃ１からの電荷がノードを接地または基準より低くする場合、すなわち、負の高電圧（＜－１Ｖ）をクリップする場合、第１のダイオードｄ１はまた、第１の端子２１を保護する。
第２のダイオードｄ２は、第１の端子２１をゆっくり充電し、誤検出を生じさせるコンデンサｃ１からの漏れ電流を補償する。漏れにより電圧がゆっくりと上昇すると、第２のダイオードｄ２を流れる電流は、第２のダイオードｄ２の閾値電圧と第１の端子２１の電圧を制限するコンポーネントｒｄ２の抵抗の関数として増加する。コンポーネントｒｄ２を第２のダイオードｄ２と直列に接続して、電圧制限値を高め、より小さい結合信号を検出することができる。コンポーネントｒｄ２は、任意の適切なコンポーネント、例えば、抵抗器、ダイオード、およびダイオードに接続されたトランジスタを含んでもよい。一般的に、第２のダイオードｄ２は、ノード２１の電圧をほぼその順方向電圧（Ｖｆ）、例えば、約０．７Ｖに制限する。しかしながら、第１および第２のダイオードｄ１およびｄ２がＧＮＤに接続され、抵抗器ｒｄ２が第２のダイオードｄ２と直列に接続されている場合、トランジスタｍ１が圧電信号を検出するために、第１の端子２１の電圧制限はＶｆ＋Ｖｒｄ２に増加する可能性がある。しかしながら、抵抗器ｒｄ２が第２のダイオードｄ２と直列に接続されていると、高電圧が圧電素子２に印加されたとき、第２のダイオードｄ２がトランジスタｍ１の保護として機能しない場合がある。
逆並列ダイオードｄ１およびｄ２の選択は、第１の端子２１を異なる電圧でバイアスするために使用されてもよい。例えば、従来のシリコンダイオードは、通常、０．６～０．７ボルトの順方向電圧を有し、ショットキーダイオードは、通常、０．１５～０．４５ボルトの順方向電圧を有する。逆並列ダイオードは、第１の端子２１のノードを非常に高いインピーダンス、例えば、１ＧΩ以上、好ましくは５ＧΩ以上、より好ましくは１０ＧΩ以上に維持し、圧力が圧電アクチュエータ２に印加されたときに生成される低電圧（１Ｖ）および低周波（１０Ｈｚ）信号を、ウェイクアップ回路１１によって結合および検出できるようにする。例えば、コンデンサｃ１が１０ｐＦのコンデンサで構成され、圧電信号が１～１０Ｈｚの範囲にある場合、インピーダンスは１．６ＧΩ～１６ＧΩであり得る。
図３は、ウェイクアップ回路１１’の代替実施形態を示し、この中でＰＭＯＳトランジスタｍ１が図２のＮＭＯＳトランジスタｍ１の代わりに使用されており、これにより、第３の端子、例えば、ソースは電圧源ＶＣに接続され、第２の端子、例えば、ドレインは接地に接続される。ＰＭＯＳ ｍ１の負の閾値電圧により、圧電素子からの圧電／電流シンクでの負の電圧変化を検出することができ、これにより、圧電アクチュエータ２が長期間保持され、その後解放されるシステムで、または検出されるイベントが負極性の信号を作成するシステムで、例えば、圧電アクチュエータ２が機械的プレロードを必要とする場所に挿入された場合に、圧電回路を使用することができる。プレロードが除去された場合、例えば、ユーザがデバイス装置から手を離すか、機械装置が故障した場合、システムに適切なアクションを実行するように通知してもよい。
図４は、ウェイクアップ回路１１’’の代替実施形態を示し、ウェイクアップ回路１１’’は、適切なトランジスタｍ１、例えば、ＮＭＯＳトランジスタを含み、および第１、第２、および第３の端子２１、２２、および２３、例えば、ゲート、ドレイン、ソースを含む共通ソース回路を備えてもよい。圧電アクチュエータ２は、高電圧コンデンサｃ１を介して第１の端子２１にＡＣ結合されてもよい。電圧源ＶＣ、例えば、１Ｖ～５Ｖの圧電ＩＣ３用の電源は、負荷抵抗器ｒ１を介して第２の端子２２に接続される。出力２６も、割込み１４を介してＭＣＵ４と接続するために第２の端子２２に接続される。
フィードバックループ２７の代わりに、保護回路は、第１の端子２１と基準電圧ＶＣとの間に延びるクランプダイオードｄ３を含む。クランプダイオードｄ３は、トランジスタｍ１を損傷させる可能性のある高すぎる電圧、例えば、触覚電圧信号または高すぎる検知電圧を受けることから第１の端子２１を保護する。第１の端子２１が基準電圧Ｖｃを超えると、フィードバックダイオードｄ３は、その値を第１の端子２１でＶｃに近い値、例えば、Ｖｃ＋Ｖｆ（ダイオードｄ３の順方向電圧）でクランプする。
コンデンサｃ１と第１の端子２１との間に第１および第２の逆並列ダイオードｄ１およびｄ２を設けることができる。逆並列ダイオードｄ１およびｄ２は、接地に接続するか、任意の基準電圧Ｖ１に接続してもよく、このことは、第１の端子２１を接地よりも高いがトランジスタｍ１の閾値電圧Ｖｔよりも低い電圧、例えば、Ｖｔ－Ｖ１にバイアスするのを助ける。次に、ウェイクアップ回路１１、すなわちトランジスタｍ１は、圧電素子２から来るより小さな電圧、すなわちトランジスタｍ１の典型的な閾値電圧よりも小さい電圧を検出することができる。コンデンサＣ１からの電荷が第１の端子２１を接地または基準よりも低くする場合、すなわち負の（＜－１Ｖ）高電圧をクリップする場合、第１のダイオードｄ１はまた、第１の端子２１も保護する。
第２のダイオードｄ２は、クランプダイオードｄ３またはコンデンサｃ１からの漏れ電流を補償し、第１の端子２１をゆっくり充電し、誤検出を生じさせる。漏れにより電圧がゆっくりと増加すると、第２のダイオードｄ２を流れる電流は、第２のダイオードｄ２の閾値電圧および第１の端子２１の電圧を制限する第２のダイオードｄ２と直列のコンポーネントｒｄ２の抵抗値の関数として、増加する。
コンポーネントｒｄ２を第２のダイオードｄ２と直列に接続して、電圧制限値を高め、より小さい結合信号を検出することができる。一般的には、第２のダイオードｄ２は、ノード２１の電圧をほぼその順方向電圧（Ｖｆ）、例えば、約０．７Ｖに制限する。しかしながら、第１および第２のダイオードｄ１およびｄ２がＧＮＤに接続され、抵抗器ｒｄ２が第２のダイオードＤ２と直列に配置されている場合、トランジスタｍ１が圧電信号を検出するために、第１の端子２１の電圧制限はＶｆ＋Ｖｒｄ２まで増加され得る。しかしながら、第２のダイオードｄ２と直列に接続されたコンポーネントｒｄ２では、第２のダイオードｄ２は、圧電素子２に高電圧が印加されたときにトランジスタｍ１の保護として機能しない場合がある。
図５を参照すると、トリガイベント、例えば、力の印加、と触覚フィードバックとの間の遅延が示されており、電圧信号、例えば２００ｍｓ～４００ｍｓ間の典型的な１Ｖ～５Ｖは、ユーザが圧電アクチュエータ２に力を印加するときに、圧電アクチュエータ２によって生成される。検知信号が所定の閾値電圧、例えば、約０．７Ｖを超えると、ウェイクアップパルスが圧電ＩＣ ３によって生成され、ドライバ回路１２に電源投入される。次に、ドライバ回路１２は、ドライバ回路１２が高電圧触覚信号を生成する準備ができていることを示す触覚フィードバック準備完了信号をＭＣＵ４に送信する。したがって、圧電回路１は、１ｍｓ未満で触覚波形を生成し、ウェイクアップ回路１１を高電圧触覚信号から保護する準備ができている。
図６は、圧電回路１の決定アルゴリズムを示しており、開始１００で、電力消費はなく、すべて、つまりトランジスタｍ１がオフになり、圧電ＩＣ ３とＭＣＵ ４は電源オフモードになる。圧電アクチュエータ２が１０２でユーザによる力を検知し、圧電ドライバＩＣ３の内部でＭＣＵ４へのトリガ信号を生成すると、圧電ドライバＩＣ３は低電力消費を利用して１０３で作動する。次に、１０４で、ＭＣＵ４は、ＡＤＣ１３によって変換された圧電アクチュエータ２によって生成された電圧を正確に検知する。圧電アクチュエータ２によって生成された電圧パターン１０５に基づいて、例えば、電圧または電圧変化、すなわち微分が、所定の閾値を超えているかどうかに基づいて、ＭＣＵ ４は、ｉ）１０６で触覚フィードバックをトリガし、アウェイク状態のまま１０８に進む、ｉｉ）１０６で触覚フィードバックをトリガし、１０１に戻ってスリープ状態になる、または、ｉｉｉ）誤検出、触覚フィードバックなし、次のイベントが検出されるまで１０１に戻る、のいずれかを決定する。ステップ１０５および１０６の間、スイッチ３０または他の保護回路を使用して、触覚フィードバック信号からトランジスタｍ１を保護することができる。
本発明の１つ以上の実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的のために提示された。網羅的であること、または開示された正確な形態に本発明を限定することは意図されていない。上記の教示に照らして、多くの修正形態および変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって制限されることが意図されている。
Claims (20)
- 圧電回路であって、
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
ウェイクアップ信号に応答して前記触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
前記圧電アクチュエータに力が印加されていないとき電力を消費しないウェイクアップ回路であって、
前記圧電アクチュエータに結合されたコンデンサであって、前記ドライバ回路が前記圧電アクチュエータと前記コンデンサとの間に結合されている、前記コンデンサと、
前記検知信号を受信するために、前記コンデンサを介して前記圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、接地と電圧源のうちの一方に接続された第２の端子、および接地と前記電圧源のうちの他方に接続された第３の端子を含み、前記検知信号が有効であるとき導通するトランジスタと、
前記トランジスタが導通したとき、前記ウェイクアップ信号を前記ドライバ回路に提供するために、前記第２の端子に接続された出力と、を
含むウェイクアップ回路と、
前記コンデンサと前記第１の端子との間に接地と前記電圧源のうちの前記他方への経路を提供するスイッチを含むフィードバックループであって、前記トランジスタが導通するとスイッチは閉じられ、触覚電圧信号または前記トランジスタを損傷するのに十分高い任意の電圧信号から前記トランジスタを保護するフィードバックループと、を
備える、圧電回路。 - 前記第２の端子は前記電圧源に接続され、前記第３の端子は接地接続され、前記スイッチは接地への経路を提供し、前記圧電回路は更に、
前記出力に接続されたコントローラであって、前記検知信号が有効になるタイミングを決定すること、前記スイッチを閉じて前記コンデンサと前記第１の端子間に接地への経路を提供することにより、前記検知信号が有効であるとき前記圧電アクチュエータと前記第１の端子間の容量結合を無効にすること、および力の印加に対する触覚応答を提供する前記圧電アクチュエータに前記触覚電圧信号を送信するために前記ドライバ回路を作動させることができる前記コントローラを更に備える、
請求項１に記載の圧電回路。 - 前記第２の端子は前記電圧源に接続され、前記第３の端子は接地接続され、前記スイッチは接地への経路を提供し、前記フィードバックループは、前記第２の端子と前記第１の端子との間に接続された、請求項１に記載の圧電回路。
- 前記第２の端子は前記電圧源に接続され、前記第３の端子は接地接続され、前記スイッチは接地への経路を提供し、前記フィードバックループはまた、前記圧電アクチュエータと前記第１の端子との間の前記容量結合を無効にするために前記スイッチが閉じられる前に所定の時間経過を提供する遅延も含む、請求項１に記載の圧電回路。
- 高インピーダンスを提供する一方で前記第１の端子を所定の基準電圧に維持し、所望の上位レベルより上の電圧および所望の下位レベルより下の電圧から前記第１の端子を保護するために、前記コンデンサと前記第１の端子との間に第１および第２の逆並列ダイオードを更に備える、請求項１に記載の圧電回路。
- 前記トランジスタの閾値電圧を超えて前記所望の上位レベルを引き上げるために、前記第２の逆並列ダイオードと直列の抵抗器を更に備える、請求項５に記載の圧電回路。
- 前記第１および第２のダイオードが基準電圧にバイアスされ、それにより、前記第１の端子を接地よりも高いが前記トランジスタの閾値電圧よりも低い電圧にバイアスする、請求項５に記載の圧電回路。
- 前記検知信号は、前記検知信号が前記トランジスタの所定の閾値電圧を超える電圧を含むときに有効である、請求項１に記載の圧電回路。
- 前記検知信号は、前記検知信号が所定の電圧変化を超える電圧変化を含むときに有効である、請求項１に記載の圧電回路。
- 前記第２の端子は接地接続され、前記第３の端子は前記電圧源に接続され、前記スイッチは前記電圧源への経路を提供し、前記トランジスタが負の閾値電圧を含み、前記圧電アクチュエータからの前記力の印加の除去により前記検知信号が生成される、請求項１に記載の圧電回路。
- 前記コンデンサは、最大触覚電圧信号以上の破壊電圧を含む、請求項１に記載の圧電回路。
- 圧電回路であって、
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
前記触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
ウェイクアップ回路であって、
前記圧電アクチュエータに結合されたコンデンサであって、前記ドライバ回路が前記圧電アクチュエータと前記コンデンサとの間に結合されている、前記コンデンサと、
前記検知信号を受信するために、前記コンデンサを介して前記圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、接地と電圧源のうちの一方に接続された第２の端子、および接地と前記電圧源のうちの他方に接続された第３の端子を含み、前記検知信号が第１の閾値電圧を超えるとき導通するトランジスタと、
前記第２の端子に接続された出力と、
を含むウェイクアップ回路と、
前記コンデンサと前記第１の端子との間に接地と前記電圧源のうちの前記他方への経路を提供するスイッチを含むフィードバックループと、
前記出力に接続されたコントローラであって、前記第２の端子が前記電圧源に接続され、前記第３の端子は接地接続され、そして前記スイッチが接地への経路を提供する場合、前記検知信号が有効になるタイミングを決定すること、前記トランジスタが導通するとき前記ドライバ回路にウェイクアップ信号を提供すること、前記スイッチを閉じて前記コンデンサと前記第１の端子間に接地への経路を提供することにより、前記圧電アクチュエータと前記第１の端子間の容量結合を無効にすること、および力の印加に対する触覚応答を提供する前記圧電アクチュエータに前記触覚電圧信号を送信するために前記ドライバ回路を作動させることができる前記コントローラと、を
備える、圧電回路。 - 前記第２の端子は前記電圧源に接続され、前記第３の端子は接地接続され、前記スイッチは接地への経路を提供し、前記フィードバックループは、前記圧電アクチュエータと前記第１の端子との間の容量結合を無効にするために前記スイッチが閉じられる前に所定の時間経過を提供する遅延も含む、請求項１２に記載の圧電回路。
- 高インピーダンスを提供する一方で前記第１の端子を所定の基準電圧に維持し、所望の上位レベルより上の電圧および所望の下位レベルより下の電圧から前記第１の端子を保護するために、前記コンデンサと前記第１の端子との間に第１および第２の逆並列ダイオードを更に備える、請求項１２に記載の圧電回路。
- 前記トランジスタの閾値電圧を超えて前記所望の上位レベルを引き上げるために、前記第２の逆並列ダイオードと直列の抵抗器を更に備える、請求項１４に記載の圧電回路。
- 前記第１および第２のダイオードが基準電圧にバイアスされ、それにより、前記第１の端子を接地よりも高いが前記トランジスタの閾値電圧よりも低くバイアスする、請求項１４に記載の圧電回路。
- 前記検知信号は、前記検知信号が前記トランジスタの所定の閾値電圧を超える電圧を含むときに有効である、請求項１２に記載の圧電回路。
- 圧電回路であって、
力の印加に応答して検知信号を生成し、触覚電圧信号に応答して触覚応答を生成するための圧電アクチュエータと、
前記触覚電圧信号を生成するためのドライバ回路と、
ウェイクアップ回路であって、
前記圧電アクチュエータに結合されたコンデンサであって、前記ドライバ回路が前記圧電アクチュエータと前記コンデンサとの間に結合されている、前記コンデンサと、
前記検知信号を受信するために、前記コンデンサを介して前記圧電アクチュエータに容量結合された第１の端子、接地と電圧源のうちの一方に接続された第２の端子、および接地と前記電圧源のうちの他方に接続された第３の端子を含み、前記検知信号が第１の閾値電圧を超えるとき導通するトランジスタと、
前記トランジスタが導通したときに前記ドライバ回路にウェイクアップ信号を提供するために、前記第２の端子に接続された出力と、
前記第１の端子と基準電圧との間に接続され、前記第１の端子の電圧が所定量を超えるのを防ぐことができるクランプダイオードと、
を含むウェイクアップ回路と、を
備える、圧電回路。 - 高インピーダンスを提供する一方で前記第１の端子を所定の基準電圧に維持し、所望の上位レベルを超える電圧、所望の下位レベルより下の電圧から前記第１の端子を保護するために、前記コンデンサと前記第１の端子との間に、第１および第２の逆並列ダイオードを更に備える、請求項１８に記載の圧電回路。
- 前記所望の上位レベルを前記トランジスタの閾値電圧よりも高くするために、前記第２の逆並列ダイオードと直列の抵抗器を更に備える、請求項１９に記載の圧電回路。
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