(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライバ回路であって、
第１の端子および第２の端子を備えた信号ポートと、
第１のノードおよび第２のノードと、
反転入力側、非反転入力側および出力側を備えた比較器と、
反転入力側、非反転入力側および出力側を備えた演算増幅器と、
を有し、
前記第１の端子は、前記演算増幅器の前記反転入力側に電気的に接続されており、
前記第２の端子は、前記比較器の前記非反転入力側に電気的に接続されており、
前記比較器の前記反転入力側は、前記演算増幅器の前記出力側に電気的に接続されており、
前記第１のノードは、前記演算増幅器の出力側に電気的に接続されており、
前記比較器の前記反転入力側は、前記演算増幅器の前記反転入力側に電気的に接続されており、
前記第２のノードは、前記演算増幅器の前記非反転入力側に電気的に接続されている、
ドライバ回路。
【請求項２】
ハーフブリッジと、
第３のノード、第４のノードおよび第５のノードと、
第１のトランジスタおよび第２のトランジスタと、
第１のダイオードおよび第２のダイオードと、
コンデンサと、
を有し、
前記ハーフブリッジは、前記第１の端子、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ、前記比較器の前記出力側、前記第４のノードおよび前記第５のノードに電気的に接続されており、
前記第１のダイオードは、前記第１の端子および前記コンデンサに電気的に接続されており、
前記第２のダイオードは、前記第１の端子に電気的に接続されており、
前記第１のトランジスタは、前記第１の端子および前記第３のノードに電気的に接続されており、
前記第２のトランジスタは、前記第１の端子および前記第３の端子に電気的に接続されている、
請求項１記載のドライバ回路。
【請求項３】
さらに、
マイクロコントローラ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、変圧器および圧電素子を有しており、
前記第１のノードは、前記Ａ／Ｄ変換器を介して、前記マイクロコントローラに電気的に接続されており、
前記第２のノードは、前記Ｄ／Ａ変換器を介して、前記マイクロコントローラに電気的に接続されており、
前記第４のノードは、前記マイクロコントローラに電気的に接続されており、
前記第５のノードは、前記マイクロコントローラに電気的に接続されており、
前記第３のノードは、前記変圧器を介して、給電端子に電気的に接続されており、
前記信号ポートは、前記圧電素子に電気的に接続されている、
請求項２記載のドライバ回路。
【請求項４】
前記圧電素子は、触覚フィードバックを有するスイッチの一部であり、
前記圧電素子に印加された電圧の値を求めることによって、ボタンに対する圧力を記録することができ、
前記触覚フィードバックは、前記圧電素子への電圧の印加、および前記マイクロコントローラの１つまたは複数の出力の切り替えの少なくとも一を行うことによって形成される、請求項３記載のドライバ回路。
【請求項５】
さらに、前記信号ポートと前記比較器との間の分圧器と、前記信号ポートと前記演算増幅器との間の分圧器と、の少なくとも一を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項６】
前記信号ポートにおける電圧は、スイッチングレギュレータによって調整可能である、請求項１から５までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項７】
前記比較器は、フィードバックを備えていない演算増幅器によって実現されている、請求項１から６までのいずれ１項記載のドライバ回路。
【請求項８】
前記比較器は、調整可能なヒステリシスを有するように構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項９】
少なくとも１つの演算増幅器の電圧供給は、シリーズレギュレータによって実現されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項１０】
前記信号ポートに印加された前記電圧を前記演算増幅器に供給する際に介する高抵抗の分圧器をさらに有している、請求１から９までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項１１】
前記信号ポートは、スイッチングレギュレータを介して、前記比較器によって駆動制御され、所定の電圧が供給される、請求項１から１０までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項１２】
前記第１の端子に電気的に接続されているコイルをさらに有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項１３】
前記信号ポートは、マイクロコントローラの１つまたは複数のディジタル入力側のトリガによってアクティブにすることができる、請求項１から１２までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項１４】
前記トリガは、タッチセンサによって行うことができる、請求項１３記載のドライバ回路。
【請求項１５】
前記比較器の前記反転入力側と前記演算増幅器の前記反転入力との間の抵抗性素子と、
前記抵抗性素子に並列に、かつ前記比較器の前記反転入力側と前記演算増幅器の前記反転入力との間に接続されている、抵抗性素子および容量性素子から成る直列回路と、
を有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載のドライバ回路。
【請求項１６】
触覚フィードバックを有するボタンであって、
圧電素子と、請求項１記載のドライバ回路とを有し、
前記ドライバ回路は、前記圧電素子によって惹起された電圧変化を記録し、前記ボタンの押圧および解放の少なくとも一が行われる際に、前記圧電素子に電圧を印加するために設けられている、ボタン。
【請求項１７】
圧電素子と、請求項１記載のドライバ回路とを有して、触覚フィードバックを有するボタンを動作させるための方法において、
前記圧電素子によって惹起された電圧変化を記録するステップと、
前記圧電素子によって惹起された電圧が上昇または低下すると、電圧を印加することによって前記圧電素子をアクティブにするステップと、
を有している、方法。
【請求項１８】
エネルギの一部は、前記アクティブ化の際に再利用される、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記電圧変化の前記記録は、前記圧電素子における電圧値の時間的な変化を求めることを含む、請求項１７または１８記載の方法。
【請求項２０】
マイクロコントローラによるドライバ回路を初期化するステップをさらに有し、
該初期化の際に、
前記圧電素子が信号ポートに接続されているか否か、を確認し、
さらに、
信号ポートに接続されている回路構成要素の容量はどれ程の大きさであるか、および、
信号ポートに接続されている回路構成要素の共振周波数はどれ程の高さであるか、のうちの少なくとも一を確認する、請求項１７から１９までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を評価および駆動制御するためのドライバ回路に関する。圧電素子は、ボタンに接続されるか、またはボタンの一部として、ユーザに触覚フィードバックを供給することができる。さらに、本願は、その種のボタン、および触覚フィードバックを有するその種のボタンを動作させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ストロークが小さいボタンは、小型化の傾向を支援する。ボタンのストロークが小さくなるほど、ボタンが取り付けられている電気機器の構造高さないし厚さに対するボタンの占有高さは一層小さくなる。
【０００３】
ストロークが小さくなるに連れて、ボタンを操作した際の触覚的な印象も変化する。ボタンを操作した際にユーザに通常の印象を伝えるために、ボタン表面に機械的に接続されており、かつボタン表面の運動をもたらすアクチュエータをボタンに設けることができる。またこれによって、例えば比較的滑らかで一様な感触の表面においてボタンの操作が行われたとしても、その操作をユーザに示すことができる。
【０００４】
ユーザの入力に反応するために設けられている回路は、例えば、特許文献１から公知である。圧電素子を備えたセンサ回路は、特許文献２から公知である。特許文献３、特許文献３ならびに特許文献３からも、圧電素子を備えた電気回路が同様に公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，６０５，０５３号明細書（US 8,605,053 B2）
【特許文献２】欧州特許出願公開第３，０１８，８２４号明細書（EP 3,018,824 A1）
【特許文献３】欧州特許出願公開第３，０６５，０２９号明細書（EP 3,065,029 A1）
【特許文献４】欧州特許出願公開第２，６００，２２４号明細書（EP 2,600,224 A1）
【特許文献５】欧州特許第２，４７２，３６５号明細書（EP 2,472,365 B1）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
付加的な情報を伝達することができ、エネルギ消費量が少なく、かつ故障しにくい、触覚フィードバックを有するボタンが所望されている。このために、そのようなスイッチをアクティブにして駆動制御するための新規の回路、ならびにスイッチの機械的な部材を駆動制御するための方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このために、独立請求項には、駆動制御のためのドライバ回路、ボタン、ないしボタンを動作させるための方法が記載されている。従属請求項には、有利な構成が記載されている。
【０００８】
ドライバ回路は、第１の端子および第２の端子を備えた信号ポートを含んでいる。回路は、さらに、第１のノードおよび第２のノードを有している。さらに、ドライバ回路は、反転入力側、非反転入力側および出力側を備えた比較器を有している。さらに、ドライバ回路は、反転入力側、非反転入力側および出力側を備えた演算増幅器を有している。第１の端子は、演算増幅器の反転入力側に電気的に接続されている。第２の端子は、比較器の非反転入力側に電気的に接続されている。比較器の反転入力側は、演算増幅器の出力側に電気的に接続されている。第１のノードは、演算増幅器の出力側に電気的に接続されている。比較器の反転入力側は、演算増幅器の反転入力側に電気的に接続されている。第２のノードは、演算増幅器の非反転入力側に電気的に接続されている。
【０００９】
ここでは、圧電素子に電気的に接続させるために信号ポートが設けられている。このために、信号ポートの第１の端子を、圧電素子の第１の電極に接続することができる。信号ポートの第２の端子を、圧電素子の第２の電極に接続することができる。
【００１０】
圧電素子は、圧電材料から成る基体と、金属化層における構造化された電極面とを備えたスタック構造を有することができる。この場合、圧電材料の層および電極面の層がそれぞれ交互に配置されている。この場合、各電極面は、２つの外側電極のうちの一方にそれぞれ電気的に接続されている。スタックは、その上面および／または下面に「頂部」を有することができる。圧電素子の外側電極に印加される電圧に応じて、層スタックは、種々の高さおよび種々の幅を有する。すなわち、印加される電圧が変化すると、長さの変化が惹起され、この長さの変化が梃子構造を備えた頂部によって増大される。
【００１１】
圧電素子が積層方向に沿って（その内面に層スタックが固定されているボタンに対する圧力による）圧力を受けると、それに付随する層スタックの長さ変化によって惹起される、電極における電圧変化は、ボタンが押圧される際に加えられた力の尺度を表す。圧電素子が頂部を介して圧力を受けると、素子は伸張する。それに付随するスタックの伸張によって惹起される電圧変化は、ボタンが押圧される際に加えられた力の尺度である。
【００１２】
ここで、ボタンが能動的または受動的に操作された際のストロークは、数１００μｍのオーダ、例えば最大で数１００μｍのオーダにあると考えられ、したがってボタンストロークに対して相対的に小さい。
【００１３】
ボタンに作用する力の尺度である、惹起された電圧変化を読み出すことができる。それに対する応答として、ここでもまた電圧パルスまたは電圧信号を圧電素子に出力し、ボタンの機械的な運動を惹起させることができる。このような触覚フィードバックによって、ユーザは、自身によるボタンの操作が成功したことが分かる。
【００１４】
上述のドライバ回路は、先ず、比較的少数の回路構成要素で足るという利点を有している。それと同時に、上述のドライバ回路は、触覚フィードバックを生じさせるために、ボタンに作用する圧力の読み出しおよびドライバ側での圧電素子のアクティブ化を実現する。したがって、圧電素子に印加される電圧の変化の読み出しと、その変化の開ループ制御または閉ループ制御との両方を同時に行うことができる。
【００１５】
ドライバ回路に接続することができる回路構成要素の数が比較的少数であることによって、ドライバ回路が故障する危険は低減されている。これによって、ドライバ回路の寿命が延びる。
【００１６】
その他に、ドライバ回路は、圧電素子のアクティブ化のために供給された電気的なエネルギを再利用することができる。これによって、例えばリニアレギュレータを備えたドライバ出力段に適用される、従来から公知の回路と比較して、エネルギ消費量は低減されている。
【００１７】
圧力に起因して圧電素子によって出力電圧が形成されると即座に、素子が確実にフィードバック信号を出力するように、圧電素子は、信号形状に関して、すなわち素子に伝送される電圧の時間的な経過に関して、また素子への出力電圧の大きさに関して、駆動制御ないし閉ループ制御されることがドライバ回路によって実現される。信号形状は、所定のエッジ時間が維持されれば、自由に設定することができる。
【００１８】
圧電素子が押圧または解放された際に生成された電圧信号または電圧変化は、演算増幅器に供給され、また演算増幅器によって相応に処理され、これによって、信号を例えばマイクロコントローラによって評価することができる。
【００１９】
さらに、演算増幅器は、マイクロコントローラの信号設定値（目標設定値）を、比較器に供給することができるように処理する。
【００２０】
演算増幅器からマイクロコントローラへの信号のために、演算増幅器を、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を介して接続することができる。マイクロコントローラから演算増幅器への信号のために、マイクロコントローラないしマイクロコントローラの出力側を、ディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ：Ｄｉｇｉｔａｌ／Ａｎａｌｏｇ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を介して接続することができる。
【００２１】
電気的な信号、例えば電流信号を、圧電素子において、例えば低抵抗の抵抗器を介して測定し、比較器に供給することができる。この信号は、演算増幅器の信号出力側の信号と比較される。圧電素子に対する素子電流、ひいては圧電素子における電圧が低下すると、別の回路素子、例えばハーフブリッジを駆動制御することができる比較器を介して、相応の制御が行われる。この場合、ハーフブリッジは、別の回路素子、例えばトランジスタを駆動制御することができる。つまり、圧電素子に印加される電圧が目標値に関して過度に低い場合には、その電圧を高めることができる。反対に、目下設定されている比較値に関して電圧が過度に低い場合には、電圧を低減することができる。
【００２２】
このために、演算増幅器は、フィードバックループを有することができる。
【００２３】
ボタンへの圧力が検出された際に、信号が圧電素子において出力されることも考えられる。その代わりに、またはそれに加えて、圧電素子に対する圧力は、マイクロコントローラにおける自由な出力側も切り替えることができる。
【００２４】
したがって、ドライバ回路は付加的にハーフブリッジを含むことができる。さらに、ドライバ回路は、第３のノード、第４のノードおよび第５のノードを有することができる。さらに、ドライバ回路は、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、第１のダイオード、第２のダイオードおよびコンデンサを有することができる。ハーフブリッジは、第１の端子、第１のトランジスタ、第２のトランジスタ、比較器の出力側、第４のノードおよび第５のノードに電気的に接続されている。第１のダイオードは、第１の端子およびコンデンサに電気的に接続されている。第２のダイオードは、第１の端子に電気的に接続されている。第１のトランジスタは、第１の端子および第３のノードに電気的に接続されている。第２のトランジスタは、第１の端子および第３の端子に電気的に接続されている。
【００２５】
第３のノードは、ドライバ回路の給電端子を表すことができるか、またはドライバ回路のための給電回路に電気的に接続することができる。コンデンサは、電気的なエネルギを一時的に蓄積するために使用される。第１のトランジスタおよび第２のトランジスタ、ないし第１のダイオードおよび第２のダイオードは、圧電素子を接続することができる信号ポートを駆動制御するために使用される。圧電素子の素子電流、ひいては圧電素子における電圧が低下すると、比較器を介して、ハーフブリッジが駆動制御され、このハーフブリッジはさらに第１のトランジスタおよび第２のトランジスタを駆動制御する。第１のトランジスタが閉じられており、かつ第２のトランジスタが開かれているときに、圧電素子における電圧が過度に低い場合には、電圧が供給される。第１のトランジスタが開かれており、かつ第２のトランジスタが閉じられているときに、例えば信号ポートにおける電圧が過度に低くない場合には、信号ポートに電力が供給される。信号ポートＳＰへのエネルギ供給は、電流ないし電圧経過を平滑化するために、コイルを介して実施することができる。
【００２６】
この場合、ハーフブリッジと信号ポートの第１の端子との間にコイルを直列に接続することができる。
【００２７】
ハーフブリッジを一緒に含めることで、スイッチングレギュレータが実現され、このスイッチングレギュレータは、比較器によって駆動制御され、またこのスイッチングレギュレータを介して、圧電素子ないし信号ポートに所望の電圧が供給される。スイッチングレギュレータは、圧電素子の放電の際に、すなわち信号ポートに印加される電圧が低下する際に（立ち下がりエッジ）、エネルギがコンデンサに供給されることも保証する。このエネルギは、圧電素子の次の充電サイクルの際に（立ち上がりエッジ：信号ポートにおいて上昇する電圧）、再び取り出される。
【００２８】
ドライバ回路は付加的に、マイクロコントローラ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、変圧器および圧電素子を含むことができる。第１のノードは、Ａ／Ｄ変換器を介して、マイクロコントローラに電気的に接続されている。第２のノードは、Ｄ／Ａ変換器を介して、マイクロコントローラに電気的に接続されている。第４のノードは、マイクロコントローラに電気的に接続されている。第５のノードは、マイクロコントローラに電気的に接続されている。第３のノードは、変圧器を介して、給電端子に電気的に接続されている。信号ポートは、圧電素子に電気的に接続されている。
【００２９】
演算増幅器のタスクは、Ｄ／Ａ変換器を介して供給された、マイクロコントローラからの信号設定値（目標設定値）を処理し、その信号を、スイッチングレギュレータのハーフブリッジを閉ループ制御する比較器に供給できるようにすることである。Ｄ／Ａ変換器からの信号は、信号ポートへの出力信号に関する信号形状を設定する。それと同時に、信号ポートにおける電圧が測定され、高抵抗の抵抗分割器を介して演算増幅器に供給される。これによって、フィードバックループにおいて、信号設定値が、信号ポートにおける実際の電圧と比較され、必要に応じて修正される。
【００３０】
圧電素子を、触覚フィードバックを有するスイッチの一部とすることができる。この場合、圧電素子に印加される電圧を評価することによって、ボタンに対する圧力を記録することができる。触覚フィードバックを、圧電素子に電圧を印加することによって形成することができる。その代わりに、またはそれに加えて、マイクロコントローラの１つまたはそれ以上の出力側を切り替えることができる。
【００３１】
相応に、ドライバ回路は付加的に、信号ポートと比較器との間の分圧器および／または信号ポートと演算増幅器との間の分圧器を有することができる。
【００３２】
圧電アクチュエータの形態の圧電素子の作動電圧は、最大で数１００ボルト程度のオーダ、例えば１００ボルトになる場合がある。そのような電圧は、比較器、演算増幅器、ハーフブリッジおよびトランジスタのような電子的な素子を場合によっては破壊する虞がある。信号ポートとセンシティブな素子との間の、例えば高抵抗の抵抗分割器の形態の分圧器は、センシティブな素子に関する電圧レベルを低減させる。Ｄ／Ａ変換器からの信号が、信号ポートにおける出力信号に関する信号形状を設定している間に、信号ポートにおける電圧が測定され、したがって高抵抗の抵抗分割器を介して、フィードバックループにおける演算増幅器に供給される。これによって、抵抗分割器は、演算増幅器における電圧、さらにはマイクロコントローラにおける電圧が安全なレベルまで、例えば５ボルト以下まで低減され、それによって、回路の低電圧部が保護されることを保証する。
【００３３】
回路は、信号ポートにおいて低抵抗の抵抗器を有することができる。低抵抗の抵抗器を介して、信号ポートにおける電流信号が測定され、比較器に供給される。
【００３４】
そのようなドライバ回路の利点は、信号ポートの駆動制御が、スイッチングレギュレータを用いて実現されることである。これによって、目下必要とされるエネルギしか、立ち上がりエッジの間に信号ポートに供給されないことが保証されている。信号ポートに接続されている素子を放電する際に（立ち下がりエッジ）、充電エネルギがコンデンサに供給され、次の充電サイクルの際に再び供給されるように、スイッチングレギュレータのトランジスタが切り替えられる。従来の回路コンセプトとは異なり、過剰なエネルギはもはや消費されない。ドライバ回路の効率は改善されており、ドライバ回路の構成要素を、より大きい電流および電力のために設計する必要はない。その他に、放電の際に、急峻なエッジを実現するために、電荷はグラウンドに誘導されない。これによって、放電エッジが閉ループ制御される。信号ポートの短絡は阻止され、それによって、より良好な電磁両立性が達成される。
【００３５】
それと共に、信号ポートにおける電圧をスイッチングレギュレータによって調整可能にすることもできる。この場合、スイッチングレギュレータによって調整すべき電圧は、時間的に変化する振幅を有する信号であってよい。これによって、スイッチを操作した際も、スイッチを解放した際も、任意の運動パターン、例えば振動パターンを圧電素子によって生じさせることができる。信号形状を、マイクロコントローラに格納することができる。
【００３６】
相応に、フィードバックを備えていない演算増幅器によって比較器を実現することができる。そのような比較器は、比較的僅かな構造コストで製造することができ、またドライバ回路に対する要件を満たす。
【００３７】
調整可能なヒステリシスを備えた比較器を実現することができる。
【００３８】
少なくとも１つの演算増幅器の電圧供給をシリーズレギュレータによって実現することができる。マイクロコントローラおよび比較器も、シリーズレギュレータを用いた電圧供給、または付加的なシリーズレギュレータを用いた付加的な電圧供給によって実現することができる。シリーズレギュレータは、基本的には、信号の良好な平滑化を担う。
【００３９】
信号ポートの給電電圧を生成するために、いわゆる「ステップアップ」コンバータまたはチャージポンプを使用することができる。全体のドライバ回路のための給電電圧は１２ボルトであってよく、また例えば、自動車の搭載電源から供給することができる。この場合、給電電圧は、信号ポートに対して１００ボルト以上の電圧レベルを生成する。
【００４０】
ドライバ回路は、信号ポートに印加された電圧を演算増幅器に供給する際に介する高抵抗の分圧器を含むことができる。
【００４１】
スイッチングレギュレータを介して、比較器によって信号ポートを駆動制御し、マイクロコントローラに格納されている所定の電圧を信号ポートに供給することができる。
【００４２】
ドライバ回路は、第１の端子に電気的に接続されており、かつ信号ポートにおける電気的な信号を平滑化するコイルを含むことができる。
【００４３】
マイクロコントローラの１つまたは複数のディジタル入力側のトリガによって信号ポートをアクティブにすることができる。
【００４４】
この場合、トリガをタッチセンサによって行うことができる。
【００４５】
タッチセンサは、ドライバ回路の一部であってよい。またタッチセンサは、ドライバ回路が電気的に接続されている外部の回路環境の一部であってもよい。
【００４６】
ドライバ回路は、比較器の反転入力側と演算増幅器の反転入力側との間に接続されている抵抗性素子を含むことができる。さらに、ドライバ回路は、抵抗性素子および容量性素子から成る直列回路を含むことができる。この直列回路は、抵抗性素子に並列に接続することができ、したがって同様に、比較器の反転入力側と演算増幅器の反転入力側との間に接続することができる。この場合、容量性素子を、比較器と直列回路の抵抗性素子との間に接続することができる。
【００４７】
直列回路の抵抗性素子は、８０ｋΩ〜１６０ｋΩ、例えば１２０ｋΩの抵抗値を有することができる。直列回路に並列に接続されている抵抗性素子は、１８０ｋΩ〜２６０ｋΩ、例えば２２０ｋΩの抵抗値を有することができる。直列回路の容量性素子は、５ｎＦ〜１５ｎＦ、例えば１０ｎＦの容量値を有することができる。
【００４８】
直列回路の提供、ないし抵抗性素子および直列回路から成る並列回路の提供は、閉ループ制御特性を改善し、したがって信号ポートＳＰに供給することができる信号の信号品質を改善する。
【００４９】
比較器の反転入力側と直列回路との間に、例えば３ｋΩの抵抗値を有する別の抵抗性素子を接続することができる。
【００５０】
触覚フィードバックを有するボタンは、圧電素子およびドライバ回路を含んでいる。このドライバ回路を、例えば上述したように構成することができる。ドライバ回路は、圧電素子によって惹起された電圧変化を記録し、ボタンが押圧および／または解放された際に、圧電素子に電圧を印加するために設けられている。
【００５１】
付加的に、ボタンないし圧電素子が押圧および／または解放された際に、マイクロコントローラにおける出力側を切り替えることができる。
【００５２】
触覚フィードバックを有するボタンを動作させるための方法は、以下のステップを有している：
−圧電素子によって惹起された電圧変化を記録するステップ、
−圧電素子によって誘導された電圧が上昇または低下すると、電圧を印加することによって圧電素子をアクティブにするステップ。
【００５３】
アクティブ化に加えて、またはアクティブ化の代わりに、圧電素子における電圧変化が記録された際に、マイクロコントローラの出力側を切り替えることができる。
【００５４】
本方法においては、エネルギの一部を、圧電素子のアクティブ化の際に回収することができる。
【００５５】
電圧変化の記録は、電気的な素子における電圧の時間的変化の評価および／または電圧勾配の評価を含むことができる。
【００５６】
本方法は、マイクロコントローラによってドライバ回路を初期化する際に、以下のステップのうちの１つまたは複数を有することができる：
−素子が信号ポートに接続されているか否かを確認するステップ、
−信号ポートに接続されている回路構成要素の容量はどれ程の大きさであるかを確認するステップ、および／または
−信号ポートに接続されている回路構成要素の共振周波数はどれ程の高さであるかを確認するステップ。
【００５７】
したがって、本方法を、上述のドライバ回路を少なくとも部分的に使用して実施することができる。回路構成要素は、相応に、容量および共振周波数を有する圧電素子であってよい。
【００５８】
上記の確認を、信号ポートへの一定または可変の周波数の信号を使用して行うことができる。信号の形状、例えば矩形波信号を、マイクロコントローラに格納することができる。共振周波数を決定するために、信号ポートへの周波数に依存する電流の流れを決定することができる。共振周波数が、測定によって、またはマイクロコントローラにおけるメモリの値の読み出しによって決定されると、信号ポートを、適合された、例えば最適化された周波数でもって駆動制御することができる。
【００５９】
この場合、ドライバ回路の種々の回路構成要素間の上述の電気的な接続のうちの１つは、直接的な電気的な接続であってもよいし、直列に接続されている別の回路素子、例えばコンデンサ、コイルまたはオーム抵抗器を介する接続であってもよい。つまり例えば、比較器および演算増幅器は、信号ポートに電気的に接続されている。これらの構成要素の動作電圧の顕著に異なる電圧レベルに起因して、好適には、異なる素子に対して異なる電圧レベルを得るために、分圧器が電気的な接続部に組み込まれる。
【００６０】
ドライバ回路の主要な態様、実施例の技術的な詳細および個々の特徴が、概略的な図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】簡潔な実施形態の重要な回路構成要素を含むドライバ回路の等価回路図を示す。
【図２】圧電（スタック）素子の機能原理を示す。
【図３】付加的な回路構成要素を含む等価回路図を示す。
【図４】別の回路構成要素を含む等価回路図を示す。
【図５】ドライバ回路の有利な構成の付加的な回路素子を含む等価回路図を示す。
【図６】マイクロコントローラの考えられる端子割り当てを示す。
【図７】Ｄ／Ａ変換器の出力側における回路構成要素を含む等価回路図を示す。
【図８】５ボルトの給電電圧のための電圧供給部の回路構成要素を含む等価回路図を示す。
【図９】信号ポートに関して考えられる給電電圧の回路構成要素を含む等価回路図を示す。
【図１０】別の回路構成要素を含むドライバ回路の等価回路図を示す。
【図１１】ドライバ回路の有利な構成の付加的な回路素子を含む等価回路図を示す。
【００６２】
図１には、ドライバ回路ＴＳの個々の回路構成要素の関係を表す回路装置が等価回路図で示されている。ドライバ回路ＴＳは、第１の端子Ａ１および第２の端子Ａ２を備えた信号ポートＳＰを有している。さらに、ドライバ回路ＴＳは、比較器ＫＯＭＰおよび演算増幅器ＯＰＡＭＰを有している。その他に、ドライバ回路は、第１のノードＫ１および第２のノードＫ２を有している。比較器ＫＯＭＰは、非反転入力側（＋）および反転入力側（−）を有している。演算増幅器ＯＰＡＭＰは、反転入力側（−）および非反転入力側（＋）を有している。演算増幅器ＯＰＡＭＰの出力側は、第１のノードＫ１に接続されている。出力側ないし第１のノードＫ１は、フィードバックを介して、演算増幅器の反転入力側に接続されている。演算増幅器のこの反転入力側は、信号ポートＳＰの第１の端子Ａ１に接続されている。演算増幅器の非反転入力側は、第２のノードＫ２に接続されている。比較器は、さらに信号線に接続されている。この信号線を介して、スイッチングレギュレータのハーフブリッジを用いる制御ループが実現される。
【００６３】
図１に示した、信号ポートＳＰ、比較器ＣＯＭＰおよび演算増幅器ＯＰＡＭＰから成る回路を介して、少数の回路構成要素でもって、信号ポートにおける電圧変化を検出し、それと同時に信号ポートに所望の電圧変化をもたらすことができる。信号ポートＳＰには、圧電素子の電極を接続することができる。圧電素子を、ボタンの操作すべき面に接続することができる。これによって、ボタンに対する圧力を決定すること、ボタンに対する触覚フィードバックを与えるおよび／またはマイクロコントローラの出力を切り替えることが同時に実現される。
【００６４】
図２は、圧電アクチュエータの形態の圧電素子の機能原理を示す。圧電素子ＰＢは、圧電材料から成る基体ＧＫを有している。電極層ＥＬおよび圧電材料が交互に積み重ねられて積層化されている。隣接する電極層は、それぞれ交互に２つの外側の電極Ｅ１，Ｅ２のうちの一方に接続されている。層スタックの上面には、「頂部」Ｄが配置されており、この頂部Ｄは、その長さが変化しない少なくとも２つの要素を有している。要素と層スタックの上面とが成す角度は可変である。２つの要素自体が成す角度も可変である。２つの電極Ｅ１，Ｅ２に印加される電圧が変化すると、層スタックは、圧電効果に起因してその形状が変化する。つまり、層スタックは、水平方向においては収縮し、垂直方向においては伸張すると考えられる。垂直方向における伸張は、ストロークＨ１をもたらす。水平方向における収縮は、頂部Ｄの要素の向きの変化を介して、第２のストロークＨ２をもたらす。圧電素子ＰＢの総ストロークＨは、それらの２つの成分から成る：Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２。
【００６５】
ここで、総ストロークＨは、数１００μｍのオーダ、例えば１００μｍまたは２００μｍであると考えられる。この場合、圧電素子の垂直方向の高さも同様に、数１００μｍのオーダにあると考えられる。
【００６６】
圧電素子が頂部を介して圧力を受けると、素子は伸張する。それに付随するスタックの伸張によって惹起される電圧変化は、ボタンが押圧された際に加えられた力の尺度である。
【００６７】
図３は、付加的な回路構成要素を含む等価回路図を示す。ドライバ回路は、第３のノードＫ３、第４のノードＫ４および第５のノードＫ５を有している。さらに、ドライバ回路は、ハーフブリッジＨＢ、第１のトランジスタＴ１および第２のトランジスタＴ２を有している。その他に、ドライバ回路は、コンデンサＫ、第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２を有している。
【００６８】
第３のノードＫ３は、信号ポートＳＰへの給電電圧を供給するために使用される。ここでは、給電電圧を第３のノードＫ３に直接的に出力することができる。このために、第３のノードＫ３には、数１００ボルトの範囲の電圧用の電圧供給部を接続することができる。第１のトランジスタＴ１は、ハーフブリッジＨＢ、第３のノードＫ３および第１の端子Ａ１に接続されている。第１のトランジスタをハーフブリッジＨＢに接続する第１のトランジスタＴ１の端子は、第３のノードＫ３ないし第１の端子Ａ１に接続されている第１のトランジスタの端子を電気的に接続するか、または相互に分離することができる。同様に、第２のトランジスタＴ２を、ハーフブリッジＨＢ、グラウンドＧＮＤおよび第１の端子Ａ１との接続部を介して、電気的に相互に接続することができるか、または相互に分離することができる。第１の端子Ａ１とコンデンサＫとの間の第１のダイオードＤ１および第１の端子Ａ１とグラウンドとの間の第２のダイオードＤ２は、ハーフブリッジＨＢによって開ループ制御される２つのトランジスタＴ１，Ｔ２と共に、信号ポートＳＰに接続されている構成要素のアクティブ化を実現する。このアクティブ化は、信号ポートに伝導される電荷を少なくとも部分的にコンデンサＫに一時的に蓄積することができ、またそれによって、それに続く後続のアクティブ化に再び利用できるように実現される。
【００６９】
第４のノードＫ４および第５のノードＫ５を介して、また必要に応じてさらに設けられている、ハーフブリッジＨＢに接続された付加的なノードを介して、マイクロコントローラへのハーフブリッジＨＢの結合が実現される。この場合、マイクロコントローラは、信号ポートＳＰをアクティブにするための、好適な電圧または好適な電圧経過を設定することができ、このことは、スイッチングレギュレータの一部としてのハーフブリッジＨＢによって効率的に実施される。
【００７０】
この場合、第４のノードＫ４は、例えば１２Ｖの大きさの給電電圧をハーフブリッジドライバに提供することができるか、または相応の電圧供給部に接続することができる。比較器ＫＯＭＰも同様に、ハーフブリッジＨＢに電気的に接続されている。
【００７１】
図４は、第１のノードＫ１がＡ／Ｄ変換器ＡＤＣに結合されているドライバ回路の等価回路図を示す。第２のノードＫ２は、Ｄ／Ａ変換器に結合されている。Ａ／Ｄ変換器ＡＤＣを介して、第１のノードＫ１はマイクロコントローラに接続されている。Ｄ／Ａ変換器ＤＡＣを介して、第２のノードＫ２はマイクロコントローラに接続されている。２つの変換器ＡＤＣ、ＤＡＣは、図４に示されているようなアナログ領域と、マイクロコントローラのディジタル領域との切り替えのために使用される。
【００７２】
変圧器ＳＷは、第３のノードＫ３に、したがってトランジスタのスイッチ設定に応じて信号ポートＳＰに、それらに対して必要とされる比較的高い給電電圧を供給する。
【００７３】
図５は、付加的な回路素子が設けられている、ドライバ回路の等価回路図を示す。抵抗器Ｒ１３，Ｒ１４およびＲ１８は、信号ポートＳＰの比較的高い電圧を演算増幅器ＯＰＡＭＰの動作電圧と互換性のある電圧レベルに低下させるために、分圧器を形成している。相応に、抵抗器Ｒ７は、比較器の非反転入力側を保護している。抵抗器Ｒ１０および抵抗器Ｒ２１，Ｒ２２も同様に、分圧器を表している。
【００７４】
トランジスタＴ４およびトランジスタＴ３が、第４のノードないし第５のノードに電気的に接続されている。ハーフブリッジＨＢと信号ポートとの間のコイルＬ１は、電流信号または電圧信号の平滑化に使用される。コイルＬ１と第３のトランジスタＴ３との間には、容量性素子および別のダイオードが直列に接続されている。この場合、別のダイオードは、容量性素子と第３のトランジスタＴ３との間に接続されている。第４のトランジスタＴ４の端子と第４のポートＫ４との間には、抵抗器が接続されている。ハーフブリッジＨＢと第１のトランジスタＴ１との間には、電気的な抵抗器が接続されている。第２のトランジスタＴ２とハーフブリッジとの間にも、電気的な抵抗器が接続されている。
【００７５】
コイルＬ１は、容量性素子Ｃ４，Ｃ５および圧電素子のコンデンサと共にローパスフィルタを形成している。
【００７６】
端子ＡＤＣ＿＃１〜ＡＤＣ＿＃５は、マイクロコントローラにおけるアナログ／ディジタル変換器の入力側である。これらは、ドライバ回路の第１のノードＫ１に接続されており、またフィードバック信号をマイクロコントローラにおいて読み取るために使用される。多かれ少なかれ、アナログ／ディジタル変換器を使用することもできる。このことは、どれ程の数のドライバ回路がマイクロコントローラによって駆動制御されるかに依存する。Ａ／ＤＣ信号は、ドライバ回路の第１のノードＫ１に接続されている。
【００７７】
マイクロコントローラのディジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）は、圧電素子における信号の形状を設定するために使用される。この信号形状は、マイクロコントローラに格納されており、また自由に設定することができる。このＤ／ＡＣ出力側は、非反転増幅器（図７を参照されたい）を介して、ドライバ回路の第２のノードＫ２に接続されている。マイクロコントローラには、別のディジタル出力側が設けられている。それらを介して、例えば圧電素子によって行われるトリガでは、出力側を切り替えることができる。マイクロコントローラは、ディジタル入力側も有している。これによって、ドライバ回路に対する外部からのトリガを行うことができる。
【００７８】
図６は、ドライバ回路のその他の回路素子の開ループ制御およびループ制御に使用することができるマイクロコントローラの端子ピンの考えられる割り当てを示す。端子ＡＤＣ＿＃１およびＡＤＣ＿＃３は、ドライバ回路の第１のノードないし第２のノードに接続されている。
【００７９】
図７は、１つの考えられるＤ／Ａ変換器の信号出力側における回路構成要素を示す。変換器の出力側は、フィードバックループを備えた演算増幅器を有している。非反転増幅器を用いて、マイクロコントローラからのＤＡＣ信号が適合される。
【００８０】
図８は、５ボルト電圧レベル用の１つの考えられる電圧供給部の回路構成要素、例えば演算増幅器または比較器のための電圧供給部としての回路構成要素を示す。
【００８１】
図９は、これと比較した、信号ポートＳＰに比較的高い作動電圧を供給すべき、幾分煩雑に構成されている電圧供給部の回路構成要素を示す。
【００８２】
図１０は、図１の回路と比較して、抵抗性素子Ｒ２０、抵抗性素子Ｒ２６および容量性素子Ｃ１３をさらに有しているドライバ回路を示す。抵抗性素子Ｒ２０は、比較器ＫＯＭＰの反転入力側と、演算増幅器ＯＰＡＭＰの反転入力側との間に接続されている。抵抗性素子Ｒ２６は、容量性素子Ｃ１３に直列に接続されている。Ｒ２６およびＣ１３から成る直列回路は、抵抗性素子に並列に接続されており、また比較器の反転入力側と演算増幅器の反転入力側との間に接続されている。
【００８３】
抵抗性素子Ｒ２６および容量性素子Ｃ１３から成る直列回路を設けることによって、閉ループ制御特性が改善され、ひいては信号ポートＳＰに供給することができる信号の信号品質が改善される。
【００８４】
図１１は、図１０に相当する、抵抗性素子Ｒ２０、抵抗性素子Ｒ２６および容量性素子Ｃ１３を有している、図５の回路の１つの変形形態を示し、これによって信号ポートＳＰにおける閉ループ制御特性および信号品質が改善される。
【００８５】
ドライバ回路、ボタン、およびボタンを動作させるための方法は、図示した技術的な特徴および実施例に限定されるものではない。ドライバ回路は、付加的かつ電気的な接続部および付加的な回路構成要素を含むことができる。特に、ドライバ回路は、信号ポートに伝送することができる電圧信号の時間的な依存性を形成する際にさらなる自由度を提供するために、マイクロコントローラからハーフブリッジへの付加的なデータチャネルを有することができる。
【符号の説明】
【００８６】
Ａ１，Ａ２    第１、第２の端子
ＡＤＣ    Ａ／Ｄ変換器
Ｃ    コンデンサ
Ｄ    頂部
Ｄ１，Ｄ２    第１、第２のダイオード
ＤＡＣ    Ｄ／Ａ変換器
Ｅ１，Ｅ２    第１、第２の電極
ＥＬ    電極層
ＧＫ    基体
ＧＮＤ    グラウンド
Ｈ    圧電素子の総ストローク
Ｈ１，Ｈ２    第１、第２の部分ストローク
ＨＢ    ハーフブリッジ
Ｋ    コンデンサ
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３    第１、第２、第３のノード
Ｋ４，Ｋ５    第４、第５のノード
ＫＯＭＰ    比較器
Ｌ    コイル
ＯＰＡＭＰ    演算増幅器
ＰＢ    圧電素子
Ｒ    抵抗器
ＳＰ    信号ポート
ＳＷ    変圧器
Ｔ１，Ｔ２    第１、第２のトランジスタ、
ＴＳ    ドライバ回路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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