JP2017537577A - 圧電センサ、ピエゾチャネルを用いたデバイス及び方法 - Google Patents

圧電センサ、ピエゾチャネルを用いたデバイス及び方法 Download PDF

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Abstract

回路設計を単純化するため、圧電センサ(2´)が提案される。圧電センサ(2´)は、マイクロコントローラ(26)と、複数の圧電センサ素子(20)と、を含み、当該複数の圧電センサ素子うちの少なくとも2つは、i)圧電センサ素子(20)の各々に各々のスイッチ(1105)を介して接続されたブーストコンバータ(1101)によって生成される電圧(HV)によって触覚信号を発生させるために用いることができ、ii)マイクロコントローラ(26)のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に接続されている。圧電センサ(2´)は、スイッチ(1105)の各々を個別に制御するためのマルチプレクサ(80)をさらに含み、昇圧ピン(53)からのイネーブル信号(DRVP)が存在する場合に、各々のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に接続されたデジタル選択ラインに信号が示される。当該マイクロコントローラ(26)は、:i) ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)の各々をそれぞれの圧電センサ素子(20)からのセンサ入力を読み取るためのセンサチャネルとして用いるように;そして、ii)ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)の少なくとも1つにおける、センサ入力の検出に応答して、a)昇圧ピン(53)においてイネーブル信号(DRVP)を設定し、及び/又はイネーブル信号ピン(54)(DRVP、HVEN)において信号(HVEN)を設定し、iib)センサ入力が検出された少なくとも1つのピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に信号を設定して、それぞれの圧電センサ素子(20)によって触覚信号を生成し、当該信号は、センサ入力に関して、タイムインターリーブの態様で設定されるように構成されている。

Description

[技術分野]
本発明は、圧電入力センサ及びそのような圧電センサを用いるデバイスに関する。
[背景技術]
EP 2 770 638 A1号公報(その内容は参照されることで本明細書に包含される)(以下、`638号公報と称する)にて公開された本願の出願人の欧州特許出願には、少なくとも1つの圧電センサ素子を有する圧電スイッチ回路が開示されている。当該公報中の図10は本願の図1として再掲され、2つの圧電センサ素子を有する圧電スイッチ回路を示す。
`637号公報に記載されかつ本願の図1にも示されている圧電スイッチ回路の圧電センサ素子は、当該圧電センサ素子が下方から取り付けられている表面に(例えば人間の指によって)及ぼされる圧力又は力に起因する力にさらされることによる圧電センサ素子の屈曲に起因する信号の検出だけでなく、当該表面を通して(例えば人間の指によって)感知され得る触覚信号(haptic signal)を発生させることにも利用され得る。
[発明の目的]
本発明の圧電スイッチ回路は、当該回路の一部である少なくとも1つの圧電センサ素子の屈曲に起因する信号を検出し、かつ`638号公報に開示された圧電スイッチ回路と同様に触覚信号を生成するように構成された圧電スイッチ回路である。当該触覚信号は、ブーストコンバータ(図1参照:ブーストコンバータ1101は高い電圧を生成し、当該電圧は数十ボルトから200−400ボルトの任意の電圧であっても良く、100−200ボルトであることが好ましい)によって、圧電センサ素子をスイッチングすることで生成される。スイッチ(図1参照:スイッチ1105、I又はスイッチ1105、II)がオープンである場合、各々の圧電センサ素子(図1参照:圧電センサ素子20、I又は20、II)は、タッチ(touch)スイッチとして使用できる。スイッチのうちの1つがクローズされている場合、各々の圧電センサ素子は触覚シグナリング手段(haptic signaling means)として使用できる。当該スイッチは、マイクロコントローラ(図1参照:マイクロコントローラ26)によって、ピン(図1参照:ピン52、I又はピン52、II)を介した信号(図1参照:シグナルDRVEN1又はシグナルDRVEN2)によって制御される。
圧電センサ素子の各々は、センサ入力を読み取るためのマイクロコントローラチャネルを必要とし、加えて、触覚信号を生成するために用いられる圧電センサ素子の各々は、触覚信号を切り替えるためのマイクロコントローラチャネルをさらに必要とする。従って、マイクロコントローラに要求されるチャネル数は触覚信号を生成するために用いられる圧電センサ素子の数の増加に伴って急激に増加するであろうと理解される。これは欠点と考えられている。
本発明の目的は、複数の圧電センサを含み、そのうちの少なくとも2つは触覚信号の生成に利用可能である圧電センサにおいて触覚の信号を生成するという状況下で、回路設計を単純化することである。
当該目的は、請求項1に記載の圧電センサ、請求項6に記載の圧電センサを含むデバイス、及び請求項7に記載の方法によって、実現されるであろう。
[発明の利点]
本発明の圧電センサは、マイクロコントローラと、複数の圧電センサ素子を含み、当該圧電センサ素子のうちの少なくとも二つは、a)それぞれスイッチを介して各圧電センサ素子に接続されているブーストコンバータによって生成される電圧によって触覚信号を生成するために使用可能であり、b)マイクロコントローラのピエゾチャネルに接続されている。
当該圧電センサは、各々のスイッチを個別に制御するマルチプレクサをさらに含み、昇圧ピン(increase voltage pin)からの信号が存在する場合に、それぞれのピエゾチャネルに接続されたデジタル選択ラインに信号が存在する。
当該マイクロコントローラは:
i)それぞれの圧電センサ素子からのセンサ入力を読み取るために各々のピエゾチャネルをセンサチャネルとして用いるように;かつ
ii)ピエゾチャネルのうちの少なくとも1つにおけるセンサ入力の検出に応じて、昇圧ピンに信号を設定し、かつ/又はイネーブル信号ピンに信号を設定し、さらに、当該センサ入力が検出された少なくとも1つのピエゾチャネルに信号を設定し、それぞれの圧電センサ素子によって触覚信号を生成して、当該信号が、センサ入力に関してタイムインターリーブの態様で設定されるように構成されている。
当該圧電センサは、圧電センサ素子からのセンサ入力を収集すること、及び同じ圧電素子に触覚のフィードバックを発生するためのスイッチのクロージングをマルチプレクサに実行させるための信号を設定すること、の両方にピエゾチャネルが用いられ得るマイクロコントローラに関して、単純化された回路設計を可能にする。
当該ピエゾチャネルが圧電センサ素子の屈曲に起因する信号を読み取るための圧電センサ素子に接続されている場合、圧電センサの屈曲に起因する信号を収集するために、加えて、同じ圧電素子に触覚のフィードバックを発生するためのスイッチのクロージングをマルチプレクサに実行させるための信号を設定するために、同じピエゾチャネルが共有され得る。
ブーストコンバータは、マイクロコントローラの昇圧ピン及び/又はイネーブル信号ピンに、マイクロコントローラによって生成された信号が存在する場合に、当該電圧を生成するように構成され得る。或いは、ブーストコンバータは、マルチプレクサにおいてマルチプレクサ機能によって生成された信号が存在する場合に、当該電圧を生成するように構成され得る。当該信号は、マイクロコントローラの昇圧ピンからの信号に由来し得る。その場合、イネーブル信号ピンにおける信号は、マイクロコントローラの出力の際に必ずしも必要とされない。
好ましくは、当該マイクロコントローラは、圧電センサ素子からセンサ入力を受信するために、かつ、マルチプレクサへのデジタル選択ラインに出力を与えるために、当該ピエゾチャネルをタイムインターリーブの態様で用いるように構成される。
当該デバイスは表面を含み、少なくとも1つの、本発明の第1の態様による圧電センサが当該表面に下方から取り付けられ、当該少なくとも1つの圧電センサは、当該表面を介した接触センサとして、かつ、当該表面を介して触覚のフィードバックを生成するために利用可能である。
マイクロコントローラのピエゾチャネルを使用する方法において、ピエゾチャネルは、複数の圧電センサ素子の少なくとも1つからのセンサ入力を読み取るためのセンサチャネルとして用いられ、かつ、マルチプレクサへのデジタル選択ラインとして用いられてそれぞれのスイッチを介して各圧電センサ素子に接続されたブーストコンバータによって生成された電圧によって同じ圧電センサ素子において触覚信号を生成する。
以下に、添付の図面の図3及び図4に示される実施形態の参照によって、本発明がより詳細に説明されるであろう。
図1は、技術水準による圧電センサのいくつかの構成要素を示す単純化された回路図である。 図2Aは、技術水準による圧電センサの構成要素を示す詳細な回路図である。 図2Bは、技術水準による圧電センサの構成要素を示す詳細な回路図である。 図3は、本発明の第1の実施形態による圧電センサのいくつかの構成要素を示す単純化された回路図である。 図4は、本発明の第2の実施形態による圧電センサのいくつかの構成要素を示す単純化された回路図である。
全ての図において、同一の参照番号は、同一か又は同様の構造的要素を示す。
[詳細な説明]
本発明による圧電デバイス2´の実施形態の例は、`638号公報において開示される圧電デバイス2への付加及び補正によって詳細に説明されるであろう。簡潔さのため、様々な構成要素及び対応する回路構成の、以下に明確には記載されない詳細な説明に関しては、`638号公報を引用する。
さらに、デバイス1のより詳細な構造及びデバイス1における圧電デバイス2´の配置については、`638号公報の図1及び記載の対応する部分に譲る。デバイス1において、圧電デバイス2の代わりに圧電デバイス2´が配置されると理解される。圧電デバイス2´の構造は、以下に詳細に説明されるであろう構成要素及び対応する回路構成に関することを除いて他の機能及び実装に関しては、圧電デバイス2と同様であることが最も好ましい。
図2は、`638号公報に開示される図12の圧電デバイス2を示すが、図2においては、3つの触覚出力スイッチ1105を有している。理解され得るように、触覚出力スイッチ1105の数が増えるほど、マイクロコントローラのラインが必要とされるであろう(PZF1用のCH1、PZF2用のCH2、PZF3用のCH3)。実際、1つ以上の触覚出力チャネルが存在するように、触覚出力チャネルの数が選択され得る。`638号公報による実装において、触覚出力スイッチ1105の数は、触覚出力チャネルの数に等しい。
図1からより容易に理解され得るように、各々の触覚出力スイッチ1105(例えば触覚出力スイッチ1105,I又は触覚出力スイッチ1105,II)は、制御可能でなければならず、マイクロコントローラ26に専用のチャネルを必要とする。触覚出力スイッチがクローズされている場合、ブーストコンバータ1101によって生成された高い電圧(背景技術の項で定義されるように)は、それぞれの圧電センサ素子20を越えて接続され、当該圧電センサ素子20を振動させて触覚フィードバックを生成する。
触覚信号の切り替えを制御するため及び圧電センサ素子20からの信号を検出するために、必要とされるマイクロコントローラ26のチャネルが少ないほど、現行のマイクロコントローラ26の構成によって、より多くのチャネルが使用できる。
ブーストコンバータ1101を動作させて触覚信号を生成する原理は、図1を参照することでより詳細に記述される。電圧制御された触覚出力スイッチ1105(例えばバイポーラトランジスタ又はFET)は、マイクロコントローラ26(例えば、PZポートピン)とオンボードで発生した電圧(例えば、HVEN)との間の電圧差によって制御される。通常の使用において、1つの触覚チャネルについて、PZ<i>ピンの1つは0Vまで引き下げられ、かつ、残りのピンはvdd(3.3V)まで引き上げられる。選択の有効化(enable)は、発生した電圧HVENを、HVENのベースノードを伴ってバイポーラトランジスタのVBEonの閾値電圧(0.6V)よりも高くすることによってなされる。当該トランジスタは、0Vに引き下げられたエミッタを有し、電流を伝導し、エミッタを有するトランジスタがvddにある間には、導通しない。HVENの電圧値は、VBEonとvdd(3.3V)との間の任意の値であり得、選択されたチャネルの導通及び選択されていないチャネルが導通しないことを確実にする。選択されていないチャネルのプルアップは、全く必要ではない:ピンのHZ(アナログ入力モード)ステートは、電流を防ぐために十分であるが、ノイズの多い環境においては、強制プルアップがより安全である。
HVEN信号は、DRVPがスイッチングアクティビティを有しかつロジック部81(図2参照)を低電圧と高電圧との間で切り替える場合にのみアクティブとなることが好ましい。当該電圧は、ダイオードなどのスイッチング素子8101によって整流され、トランジスタのベースに対して正の制御のみを提供し、導電性を増大する。DRVPにおけるスイッチングが終了する際に、選択トランジスタのベースノードはレジスタを介してグランドにドレインされ、PZピンの電圧に関わらず、全て非導電性となる。
触覚チャネルの選択は、触覚ブースターの上昇駆動(upward drive)の間にのみ必要となる。これは、トランジスタ1107による下降駆動(downward drive)は触覚出力スイッチ1105内のHVスイッチダイオード1106を利用してPHZ<i>ノードからのチャージをドレインするからである。
圧電センサ2´は、マイクロコントローラ26及び複数の圧電センサ素子20を含み、そのうちの少なくとも2つは:
−−各スイッチ1105を介して各々の圧電センサ素子20に接続されたブーストコンバータ1101によって生成された電圧HVによって、触覚信号を生成するために使用可能であり、
−−マイクロコントローラ26のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に接続されている。
圧電センサ2´は、各スイッチ1105を個別に制御するマルチプレクサ80をさらに含み、昇圧ピン(53)からの信号DRVPが存在する場合に、各ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に接続されたデジタル選択ラインに信号が存在する。
マルチプレクサ80は、スイッチング部82において個別に制御され得るスイッチのアレイとして実装され得る。マイクロコントローラ26の昇圧ピン26に電気的に接続されたロジック部81は、スイッチング部82内のスイッチを個別に制御するように構成されている。当該スイッチング部82に関して、信号DRVPが昇圧ピン53に存在する場合に、各々のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に信号が存在する。従って、各々のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)における信号が、各々のスイッチ1105を制御する。
当該マイクロコントローラ26は:
i)ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)の各々を、各圧電センサ素子20からのセンサ入力を読み取るためのセンサチャネルとして使用し;
ii)ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)の少なくとも1つにおけるセンサ入力の検出に応じて、
iia) 昇圧ピン53に信号DRVPを設定しかつイネーブル信号ピン54に信号HVENを設定し、
iib) センサ入力が検出されたピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)の少なくとも1つに信号を設定して、各圧電センサ素子20によって触覚信号を生成するように構成されている。当該信号は短い遅延を伴い、少なくとも1つのピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)における信号は、当該センサ入力に関してタイムインターリーブの態様で設定されるであろう。
マイクロコントローラ26は、圧電センサ素子20からのセンサ入力を受け取るため及びマルチプレクサ80へのデジタル選択ラインに出力を与えるために、ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)をタイムインターリーブの態様で使用するように構成されている。
ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)は、圧電センサ素子20の屈曲に起因する信号を読み取るように、圧電センサ素子20に接続されていることが好ましい。
図3は、圧電センサ2´の第1の実施形態を示す。マルチプレクサ80のロジック部81は、マイクロコントローラ26の昇圧ピン53に接続されている。当該昇圧ピン53はブーストコンバータ1101にさらに接続されている。
マイクロコントローラ26のイネーブル信号ピン54は、ブーストコンバータ1101に接続されている。ブーストコンバータ1101は、イネーブル信号ピン54に信号HVENが存在しかつ昇圧ピン53に信号DRVPが存在する場合に、高い電圧を生成する。
マルチプレクサ80は、そのスイッチング部82を動作させて、同時に昇圧信号(DRVP)が存在する場合に、各入力ライン(PZF1、PZF2、PZF3からの)において存在している信号に応答して出力ライン(触覚出力スイッチ1105、I;1105、II;1105、IIIに向かう)をトリガするように構成されている。
図3に示す実施形態において、ブーストコンバータ1101は、マイクロコントローラ26によって生成された信号DRVP及び/又は信号HVENが存在する場合に、電圧HVを生成するように構成されている。
図4は、圧電センサ2´の代替的実施形態を示す。マイクロコントローラ26のイネーブル信号ピン54は必要とされないが、マルチプレクサ80のロジック部81は、マイクロコントローラ26の昇圧ピン53からの信号DRVPに由来する信号ENを誘導するために使用される。信号ENはマルチプレクサのロジック部81の出力からブーストコンバータ1101に接続されている。ブーストコンバータ1101は、信号ENが存在する場合に、電圧HVを生成するように構成されている。
図4に示すアプローチの利点は、この態様において、マイクロコントローラ26における1つのデジタル出力が他の目的で使用され得、マイクロコントローラ26で必要とされるリソースが削減され得ることである。
他の実施形態において、ブーストコンバータ1101及びマルチプレクサ80の両方のための信号DRVPは、マイクロコントローラ26の適切な構成によって生成され得る。信号HVENは、イネーブル信号ピン54において上昇駆動中に生成される。この場合、信号HVENは、コンバータ1101及びマルチプレクサ80の両方を通過し得る。
マイクロコントローラ26のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)を使用する方法において、当該ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)は、
−複数の圧電センサ素子20のうちの少なくとも1つからのセンサ入力を読み取るためのセンサチャネルとして使用され、かつ、
−同じ圧電センサ素子20において、各圧電センサ素子20に各スイッチ1105を介して接続されたブーストコンバータ1101によって生成される電圧HVによって触覚信号を生成するための、マルチプレクサ80へのデジタル選択ラインとして使用される。
本発明の多くの特徴及び利点は、明細書から明白である。さらに、多数の改良及び変更が当業者にとって直ちに明白となるであろう。従って、当該発明は図示されかつ記載された構成及び作用そのものに限定されるべきではない。従って、全ての適切な改良及び同等のものは、発明の範囲内に収まるものとして再分類され得る。特に、圧電センサ2´の数は、3つでなくても良い。さらに、各圧電センサ2´は、接触信号がスイッチで切り替えられ得るように必ずしも構成されていなくても良い。
1 デバイス
2、2´ 圧電センサ
20 圧電センサ素子
26 マイクロコントローラ
52 駆動チャネル
53 昇圧ピン
54 イネーブル信号ピン
80 マルチプレクサ
81 ロジック部
82 スイッチング部
132 セイフティアンドダンピングネットワーク
134 測定(入力)フィルタ
135 LED出力
136 ICバスコネクタ
137 オーディオ出力
1101 ブーストコンバータ
1105 触覚出力スイッチ
1107 トランジスタ
1108 レジスタ
1109 レジスタ
8101 スイッチング素子(例えば、ダイオード)

Claims (7)

  1. 圧電センサ(2´)であって、
    マイクロコントローラ(26)と、
    複数の圧電センサ素子(20;20、I;20、II;20、III)であって、前記複数の圧電センサ素子の少なくとも2つ(20、I;20、II)は:スイッチの各々(1105;1105、I;1105、II;1105、III)を介して圧電センサ素子の各々(20;20、I;20、II;20、III)に接続されたブーストコンバータ(1101)によって生成された電圧(HV)によって触覚信号を生成するために使用可能であり、かつ、前記マイクロコントローラ(26)のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)に接続されている前記複数の圧電センサ素子と、
    昇圧ピン(53)からの信号(DRVP)が存在する場合に、前記ピエゾチャネルの各々(PZF1;PZF2;PZF3)に接続されたデジタル選択ラインに前記スイッチの各々(1105;1105、I;1105、II;1105、III)に関する信号が存在し、前記スイッチの各々を個別に制御するマルチプレクサ(80)と、を含み、
    前記マイクロコントローラ(26)は:
    i)前記ピエゾチャネルの各々(PZF1;PZF2;PZF3)を前記圧電センサ素子の各々(20;20、I;20、II;20、III)からのセンサ入力を読み取るためのセンサチャネルとして使用するように構成され、
    ii)前記ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)の少なくとも1つにおけるセンサ入力の検出に応じて、
    iia)前記昇圧ピン(53)において前記信号(DRVP)を設定し、かつ/又は、イネーブル信号ピン(54)において信号(HVEN)を設定し、
    iib)前記センサ入力が検出された少なくとも1つのピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)において信号を設定して前記圧電センサ素子の各々(20;20、I;20、II;20、III)によって触覚信号を生成し、前記信号は前記センサ入力に関してタイムインターリーブの態様で設定されるように構成されていることを特徴とする圧電センサ。
  2. 請求項1に記載の圧電センサ(2´)であって、前記ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)は、前記圧電センサ素子(20、I;20、II)に接続されて前記圧電センサ素子(20、I;20、II)の屈曲に起因する信号を読み取ることを特徴とする圧電センサ。
  3. 請求項1又は2に記載の圧電センサ(2´)であって、前記マイクロコントローラ(26)によって生成された信号(DRVP、HVEN)が前記昇圧ピン(53)及び/又は前記イネーブル信号ピン(54)において存在する場合に、前記電圧(HV)を生成するように構成されたブーストコンバータ(1101)をさらに含むことを特徴とする圧電センサ。
  4. 請求項1又は2に記載の圧電センサ(2´)であって、前記マルチプレクサ(80)におけるマルチプレクサ機能(82)によって生成された前記信号(EN)が存在する場合に、前記電圧(HV)を生成するように構成されたブーストコンバータ(1101)をさらに含むことを特徴とする圧電センサ。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電センサ(2´)であって、前記マイクロコントローラ(26)は、前記ピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)をタイムインターリーブの態様で使用して圧電センサ素子(20;20、I;20、II)からのセンサ入力を受信し、かつ、前記マルチプレクサ(80)へのデジタル選択ラインに出力を与えるように構成されていることを特徴とする圧電センサ。
  6. デバイスであって、表面と、前記表面に下方から取り付けられた請求項1乃至5のいずれか1項による少なくとも1つの圧電センサ(2´)と、を含み、前記少なくとも1つの圧電センサ(2´)は、前記表面を介したタッチセンサとしてかつ前記表面を介して触覚フィードバックを生成するために使用可能であることを特徴とするデバイス。
  7. マイクロコントローラ(26)のピエゾチャネル(PZF1;PZF2;PZF3)を使用する方法であって、前記ピエゾチャネルを、
    複数の圧電センサ素子の少なくとも1つ(20;20、I;20、II;20、III)からのセンサ入力を読み取るためのセンサチャネルとして使用し、かつ、
    タイムインターリーブの態様で、マルチプレクサ(80)へのデジタル選択ラインとして使用し、スイッチの各々(1105;1105、I;1105、II;1105、III)を介して圧電センサ素子の各々(20;20、I;20、II;20、III)に接続されたブーストコンバータ(1101)によって生成された電圧(HV)によって同じ前記圧電センサ素子(20;20、I;20、II;20、III)において触覚信号を生成する方法。
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