(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の半導体デバイスを使用する電池駆動のドライバと同程度に効率的な圧電アクチュエータ用のシングルチップドライバを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ用のドライバは、単一の半導体デバイスとしてパッケージされる、好ましくは単一の半導体ダイの上に形成されるパルス幅変調器３３および出力増幅器３４を含む。ドライバは、好ましくはプログラム可能な利得を有する出力増幅器３４に電力を供給する第１の昇圧コンバータを含む。第１の昇圧コンバータのスイッチングトランジスタのゲートを駆動するための第２の増幅器は、第２の昇圧コンバータによって電力が供給される。圧電アクチュエータ２２は、電池駆動の電子デバイスのキーボードまたはディスプレイに対して触覚フィードバックを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータを制御するパルス幅変調器と、前記昇圧コンバータによって電力が供給される増幅器と、を含むドライバであって、前記パルス幅変調器および前記増幅器は単一の半導体デバイスとしてパッケージされることを特徴とするドライバ。
【請求項２】
前記パルス幅変調器および前記増幅器は単一の半導体ダイ上に形成される、請求項１に記載のドライバ。
【請求項３】
前記ダイは前記増幅器の利得を調整するためのプログラミングパッドを含む、請求項２に記載のドライバ。
【請求項４】
前記ドライバは前記昇圧コンバータによって電力が供給される第２の増幅器をさらに含み、前記ドライバは相補的な出力を有する、請求項２に記載のドライバ。
【請求項５】
前記単一の半導体デバイスのなかに第２の増幅器および第２の昇圧コンバータをさらに含み、前記第２の昇圧コンバータは前記第２の増幅器に電力を供給する、請求項１に記載のドライバ。
【請求項６】
前記昇圧コンバータはスイッチングトランジスタを含み、前記第２の増幅器は前記スイッチングトランジスタの制御電極に結合される、請求項５に記載のドライバ。
【請求項７】
ディスプレイとキーパッドとドライバとを有する電池駆動の電子デバイスにおいて、前記ディスプレイおよび前記キーパッドのうちの少なくとも一方は触覚フィードバック用の圧電アクチュエータを含み、前記ドライバは前記圧電アクチュエータと結合されると共に第１の昇圧コンバータと前記昇圧コンバータを制御するパルス幅変調器と前記昇圧コンバータによって電力が供給される出力増幅器とを含み、
前記ドライバはさらに、
前記パルス幅変調器を前記昇圧コンバータに結合させる第２の増幅器と、
前記第２の増幅器に電力を供給するための第２の昇圧コンバータと、を含むことを特徴とする電子デバイス。
【請求項８】
前記昇圧コンバータによって電力が供給される第２の出力増幅器をさらに含み、前記ドライバは前記圧電アクチュエータと結合された相補的な出力を有する、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項９】
前記出力増幅器は複数の増幅段を含み、その複数の増幅段のうちの少なくともひとつはプログラム可能な利得を有する、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１０】
前記出力増幅器は複数の増幅段を含み、その複数の増幅段のうちの少なくともひとつは前記第２の昇圧コンバータによって電力が供給される、請求項９に記載の電子デバイス。
【請求項１１】
前記第１の昇圧コンバータは誘導性であり、前記第２の昇圧コンバータは容量性である、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１２】
前記第１の昇圧コンバータの出力電圧は前記第２の昇圧コンバータの出力電圧よりも大きい、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１３】
前記第１の昇圧コンバータの出力電圧の絶対値および前記第２の昇圧コンバータの出力電圧の絶対値はいずれも、前記電池電圧の絶対値よりも大きい、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１４】
前記パルス幅変調器および前記出力増幅器は単一の半導体デバイスとしてパッケージされる、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１５】
前記パルス幅変調器および前記出力増幅器は単一の半導体ダイ上に形成される、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１６】
前記ダイは前記増幅器の利得を調整するためのプログラミングパッドを含む、請求項１５に記載の電子デバイス。
【請求項１７】
前記単一の半導体デバイスは、前記パッドと結合されたプログラミングピンを含む、請求項１６に記載の電子デバイス。
【請求項１８】
前記単一の半導体デバイスのなかに第２の増幅器および第２の昇圧コンバータをさらに含み、前記第２の昇圧コンバータは前記第２の増幅器に電力を供給する、請求項７に記載の電子デバイス。
【請求項１９】
前記昇圧コンバータはスイッチングトランジスタを含み、前記第２の増幅器は前記スイッチングトランジスタの制御電極に結合される、請求項１８に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池駆動のドライバに関し、特に圧電アクチュエータ用のシングルチップドライバに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは高電圧、特に通常１．５ボルトから１２．６ボルトの範囲にある電池電圧よりも高い電圧を必要とする。「高」電圧とは２０ボルトから２００ボルトであり、１００ボルトから１２０ボルトが現在の典型的な駆動電圧である。アクチュエータ用のある電源ライン駆動パワーサプライは１０００ボルト程度まで供給する。電池から高電圧を生成するのは電源ラインから高電圧を生成するのよりもより難しい。米国特許第7,468,573号 (Dai他)に示されるように、「今日の小さな電子装置において、圧電アクチュエータを駆動するために」必要とされる高電圧は「望ましくない」。５７３特許において提案されている解は、高電圧の単一パルスの代わりに「より低い」電圧の２つのパルスを使用することである。「より低い」電圧は開示されていない。一般に単層アクチュエータは多層アクチュエータよりも高い電圧を必要とする。多層アクチュエータは単層アクチュエータよりも大きなフィードバック力を提供するという利点を有する。
【０００３】
昇圧回路は、電池からの低い電圧をドライバ用のより高い電圧に変換するために使用されうる。昇圧コンバータでは、インダクタに蓄えられたエネルギが高電圧の電流パルスとしてキャパシタに供給される。
【０００４】
図１は、知られている昇圧コンバータを含む回路の模式図である。例えば、米国特許第3,913,000号(Cardwell, Jr.)や米国特許第4,527,096 号(Kindlmann)参照。インダクタ１１およびトランジスタ１２は、サプライ１３およびグランドの間に直列に接続されている。トランジスタ１２がオンする（導通する）とインダクタ１１に電流が流れ、インダクタによって生成される磁場にエネルギが蓄えられる。インダクタ１１を流れる電流は、バッテリ電圧やインダクタンスや内部抵抗やトランジスタ１２のオン抵抗に依存して早く増える。トランジスタ１２がオフすると、トランジスタ１２のオフ特性によって決定されるレートで磁場が崩壊する。崩壊のレートは非常に速く、磁場が増えるレートよりも一層速い。インダクタ１１の両端電圧は磁場が崩壊するレートに比例する。１００ボルト以上の電圧が可能である。したがって、昇圧コンバータによって、低電圧は高電圧に変換される。
【０００５】
トランジスタ１２がオフすると、ジャンクション１５の電圧はキャパシタ１４の電圧よりも相当高くなり、順方向にバイアスされたダイオード１６に電流が流れる。各電流パルスはキャパシタ１４を少しずつ充電し、キャパシタの電荷は徐々に増加する。ある時点で、キャパシタ１４の電圧はサプライ電圧よりも高くなるであろう。ダイオード１６は電流がキャパシタ１４からサプライ１３へ流れるのを防ぐ。キャパシタ１４の電圧は、増幅器２１のような他のコンポーネントへのサプライ電圧である。
【０００６】
本明細書において使用される「サプライ」の語は、回路のための動作電力を提供することを意味する。これは「バイアス」の語とは対照的であり、「バイアス」の語は、制御またはオフセットを提供することを意味する。米国特許第4,660,177号(O'Conner)にもあるように、例えば電界効果トランジスタのゲートをバイアスするために昇圧回路を設けることはメモリの技術分野では良く知られている。
【０００７】
増幅器２１の出力は圧電アクチュエータ２２と結合される。増幅器２１への入力は、両方向運動のために交流電流信号を受信することができ、もしくは一方向運動のためにまたは相補的駆動（２つの増幅器が圧電アクチュエータ２２の互いに逆の極性を有する端子に各極性についてひとつずつ結合される）の半分として直流電流信号を受信することができる。相補的駆動では、昇圧された電圧の絶対値は電池電圧の絶対値よりも大きい。相補的駆動では単一駆動の高電圧の半分を使用すればよい（または、その高電圧の２倍を提供できる）が、２つの昇圧コンバータが必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１では、パルス幅変調器２４として示されているトランジスタ１２用のゲートドライバと、トランジスタ１２と、増幅器２１と、はそれぞれ別個の半導体デバイスである。ダイオード１６は大抵スイッチングトランジスタ１２と同じダイ上にある。この構成だとどうしても大きくなりかつ高価になる。
【０００９】
したがって、圧電アクチュエータ用のシングルチップパワーサプライである電池駆動のドライバが必要とされる。ダイのサイズは大きくなりダイはより高価となるが、半導体のトータルのコストは低減されうる。複数のデバイスを効率を落とさずにまとめるという課題もある。今日の携帯型エレクトロニクスでは典型的である３ボルトの外部サプライ電圧（電池２つ）では、回路デザインが制限され、効率が落ちる。
【００１０】
上記に鑑み、いくつかの半導体デバイスを使用する電池駆動のドライバと同じくらいに効率的な圧電アクチュエータ用のシングルチップドライバを提供することが本発明の目的である。
【００１１】
本発明の別の目的は、圧電アクチュエータ用のドライバにおけるコンポーネント数を減らすことである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、低電圧外部サプライによって電力が供給されるドライバの効率を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的は本発明によって達成される。本発明では、圧電アクチュエータ用のドライバは、単一の半導体デバイスとしてパッケージされる、好ましくは単一の半導体ダイの上に形成されるパルス幅変調器および出力増幅器を含む。ドライバは、好ましくはプログラム可能な利得を有する出力増幅器に電力を供給する第１の昇圧コンバータを含む。第１の昇圧コンバータのスイッチングトランジスタのゲートを駆動するための第２の増幅器は、第２の昇圧コンバータによって電力が供給される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
添付の図面と共に以下の詳細な説明を考慮することによって、本発明のより完全な理解が得られうる。
【００１５】
【図１】従来技術にしたがって構成されたドライバであって圧電アクチュエータと結合されたドライバの模式図である。
【図２】それらのいずれか一方または両方が圧電アクチュエータを含むディスプレイおよびキーパッドを有する電子デバイスの斜視図である。
【図３】本発明にしたがって構成されたドライバであって圧電アクチュエータと結合されたドライバの模式図である。
【図４】本発明の好適な実施の形態にしたがって構成されたドライバであって圧電アクチュエータと結合されたドライバのより詳細な模式図である。
【図５】本発明の代替的な実施の形態にしたがって構成されたドライバであって圧電アクチュエータと結合されたドライバの模式図である。
【図６】本発明の代替的な実施の形態にしたがって構成された相補的な出力を有するドライバであって圧電アクチュエータと結合されたドライバの模式図である。
【図７】相補的な出力および単一の電圧サプライを有するドライバの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図２は、ディスプレイ２６およびキーパッド２７を含む電子デバイス２５を示す。ディスプレイまたはキーパッドのいずれか一方もしくは両方は、キーまたはディスプレイの一部が少し押されたときに触覚フィードバックを提供するための圧電デバイス（不図示）を備えてもよい。フィードバックを提供するためのデバイスは周知である。上述の通り、そのようなデバイスは単層または多層でありえ、また一方向性または両方向性でありうる。
【００１７】
図３は、圧電アクチュエータ用のドライバを示す。このドライバでは、スイッチングトランジスタのゲートを駆動するための回路はデバイスを制御するための増幅器と同じ半導体ダイの上に形成される。ダイ３１は、パルス幅変調器３３と、キャパシタ１４からの高電圧によって電力が供給される増幅器３４と、を含む。高電圧サプライから増幅器３４に電力を供給することにより、入力３６は外部サプライ電圧１３よりも大きな電圧、例えば３ボルトよりも大きな電圧を受けることができる。
【００１８】
増幅器３４の出力は、デバイスを一方向的にまたは両方向的に（入力信号による）駆動する圧電アクチュエータ２２と結合される。
【００１９】
パルス幅変調器３３は低電圧デバイスであり増幅器３４は高電圧デバイスであるが、それら２つは半導体ウエハを処理する周知の技術によってダイ上で容易に互いに隔離されうる。
【００２０】
本発明の別の態様によると、ダイ３１は入力３８および入力２９と結合された少なくとも２つのパッド（不図示）を含む。増幅器３４において少なくとも４（２２）つのレベルの利得を提供するために、これらの入力はオプションで接地されてもよい。本発明のドライバが多数製造される場合、それらのパッドを接地するかしないかは内部的に行われてもよい。これにより、ピン数およびパッケージサイズを低減できる。少量生産ではパッドは外部のピンと結合されてもよく、この場合顧客は利得を所望の通りに設定できる。
【００２１】
図４は、本発明の好適な実施の形態のブロック図である。その実施の形態では、スイッチングトランジスタはパルス幅変調器および増幅器と共にダイに含まれている。この実施の形態では、ダイ４１は、そのダイ上でローカルサプライ電圧を生成するための内部昇圧コンバータ４２を含む。昇圧コンバータ４２は、それ自体は周知の容量性ポンプであることが好ましく、外部キャパシタ４３にエネルギを蓄える。昇圧コンバータ４２からの出力は、バッファ増幅器５１に電力を供給するための、例えば５ボルトである。電池電圧であるＶｃｃよりも高い内部サプライ電圧を提供することによって、スイッチングトランジスタ５２のゲートをより高い電圧で駆動することができる。これにより、高電圧昇圧コンバータの効率を高めることができる。
【００２２】
抵抗５５および抵抗５６を含む電圧分割器はキャパシタ１４と並列に結合され、キャパシタ１４の電圧を制御するためのフィードバックを提供する。
【００２３】
クロック４４は発振器および分割器、またはカウンタ（不図示）を含んでもよく、パルス幅変調器４６および昇圧コンバータ４２と結合される。パルス幅変調器４６および昇圧コンバータ４２は、同じ周波数で動作しなくてもよい。
【００２４】
パルス幅変調器４６用には１００ｋＨｚよりも高いクロックレートが好ましい。この周波数範囲のクロックレートを使用すると、物理的に小さくて安価なインダクタを使用することができる。電流はインダクタンスと共に増大し、周波数と共に減少する。昇圧コンバータ４２へのクロック信号は、パルス幅変調器４６へのクロック信号よりも低い周波数、例えば２分の１または４分の１の周波数を有することが好ましい。
【００２５】
入力増幅器６１および出力増幅器６２は、キャパシタ１４のサプライ電圧によって電力が供給される。増幅器６２の出力６３は圧電アクチュエータ２２と結合される。入力６４と出力６３との間には２つ以上の増幅段が存在してもよい。増幅器６１は、入力６７および入力６８と結合された少なくとも２つのパッド（不図示）を含むことが好ましい。図３の実施の形態と同様に、増幅器６１において少なくとも４つのレベルの利得を提供するために、これらの入力はオプションで接地される。
【００２６】
図５は、図４の実施の形態と２つの点で異なる、本発明の代替的な実施の形態のブロック図である。ダイ７１は隔離ダイオード７２を含み、増幅器７４は内部昇圧コンバータ４２によって電力が供給される。それ以外の点では、この実施の形態の動作は図４のものと同じである。
【００２７】
図６では、圧電アクチュエータ２２のいずれの側も接地されない。その代わり、そのアクチュエータは「フロート（floats）」しており、増幅器８１の出力と増幅器８２の出力との間に結合されている。増幅器８２は、接地電位に対して正に帯電するキャパシタ１４によって電力が供給される。増幅器８１は、接地電位に対して負に帯電するキャパシタ８４によって電力が供給される。キャパシタ８２およびキャパシタ８４の電圧の絶対値は、Ｖｃｃの絶対値よりもかなり大きい。好ましくは、インダクタ１１、圧電アクチュエータ２２、キャパシタ８５およびキャパシタ８５のみが、単一の半導体ダイに含まれない部材である。
【００２８】
２極性昇圧コンバータの動作は、米国特許第5,313,141号(Kimball)において開示されるものと非常に似ている。簡単に説明すると、トランジスタ８６が導通している間、トランジスタ８７はオンオフを繰り返し、それによってキャパシタ１４に正のパルスが結合される。所定の時間が経過した後または所定のパルス数の後、状態は反転し、トランジスタ８６がオンオフを繰り返す間トランジスタ８７が導通する。これにより、負のパルスがキャパシタ８４と結合される。ダイオード８８は、電流がキャパシタ８４からサプライまたはグランドに流れるのを妨げる。ダイオード８９は、電流がキャパシタ１４からサプライまたはグランドに流れるのを妨げる。
【００２９】
キャパシタ１４およびキャパシタ８４に関連する時定数は、キャパシタの電圧が高く維持されるのに十分なほど長い。しかしながら、キャパシタの電圧は僅かに振動する。キャパシタが昇圧コンバータから充電パルスを受けていないときはキャパシタの電圧は減少するからである。昇圧パルスの極性は、トランジスタ８６およびトランジスタ８７のパルス周波数よりも低い周波数で変化する。例えばパルス周波数が５００ｋＨｚよりも高い場合、数１０ｋＨｚで極性が変化してもよく、その場合、キャパシタ１４およびキャパシタ８４の電圧は数パーセントの範囲内で一定となる。
【００３０】
単一の半導体ダイを示す破線を含む他の図で示された本発明の側面は、図６では単純化のために省略される。これは、他の側面が図６にしたがう本発明の実施の形態の部分とはなり得ないことを意味するものではない。ゲート駆動増幅器９３およびゲート駆動増幅器９４をバイアスするための技術は示されていないが、それ自体は周知である。パルス幅変調器９６はパルス幅変調信号を生成するのに加えて、トランジスタ８６およびトランジスタ８７のゲートを駆動するためのロジックを含む。
【００３１】
図６の実施の形態は、圧電アクチュエータを＋ＨＶから−ＨＶの範囲に亘って駆動できる。図７は、単一の電圧サプライを使用する本実施の形態の変形例を示す。図７の実施の形態は、圧電アクチュエータを＋ＨＶから０（ゼロ）の範囲に亘って駆動できる。これはひとつのトレードオフである。もうひとつのトレードオフは、図６の実施の形態ではダイ上で絶縁層分離（dielectric isolation、ＤＩ）構成が必要とされることである。これは、図７の実施の形態を作るのに必要とされるプロセスよりもより高価なプロセスである。
【００３２】
このように本発明は、いくつかの半導体デバイスを使用する電池駆動のドライバと同じくらいに効率的な圧電アクチュエータ用のシングルチップドライバを提供する。これにより、圧電アクチュエータ用のドライバにおけるコンポーネント数が低減される。
【００３３】
本発明を以上のように説明してきたが、本発明の範囲内で種々の変形例が可能であることは当業者には理解されるであろう。例えば、与えられた特定の数値は例示のみを目的とする。単一のパッケージにひとつ以上の半導体ダイが含まれてもよい。図４および図５の実施の形態において、プログラム可能な利得のためのパッドはひとつ以上の増幅器の間に分配されてもよい。内部昇圧コンバータ４２（図４）は、ダイ３１（図３）に追加されてもよい。より一般的に、本発明の態様が所定の組み合わせの下で説明されたが、これは他の組み合わせが本発明に含まれないことを示唆するものではない。単一のインダクタを使用した２極性昇圧コンバータが図６に示されているが、２つのインダクタを使用した別々の昇圧コンバータが代わりに使用されてもよい。インダクタ１１は単純なコイルとして示されているが、より複雑な代替物、例えば単巻変圧器や１回以上の巻き数を有するトランス、もカバーすることが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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