BRPI0817054B1 - Circuito para controle de um atuador piezoelétrico, teclado, dispositivo eletrônico portátil e método - Google Patents

Abstract

circuito para controle de um atuador piezoelétrico, teclado, dispositivo eletrônico portátil e método. um circuito (800) para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico (142) inclui um circuito de acionamento piezoelétrico (802) que gera um sinal de acionamento de voltagem unidirecional, também referido como vout, no nó (804). o circuito de acionamento de atuador piezoelétrico (802) inclui um circuito de comutador intensificador (806), um circuito de comutador abaixados ou circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (808) e um circuito de geração de sinal de controle (810) que recebe um sinal de controle de entrada (812), por exemplo, a partir de um processador de teclado ou de um outro processador adequado (604) indicando que o dispositivo requisitou uma geração de um feedback háptico utilizando o atuador piezoelétrico (143). o circuito de geração de sinal de controle (810) fornece pelo menos dois sinais de controle de largura de pulso modulada, um para controle do circuito de carregamento e um para controle do circuito de descarregamento, para a produção do sinal de acionamento de voltagem unidirecional, que em um exemplo é um sinal de acionamento de cosseno elevado (904).

Description

CIRCUITO PARA CONTROLE DE UM ATUADOR PIEZOELÉTRICO, TECLADO, DISPOSITIVO ELETRÔNICO PORTÁTIL E MÉTODO Pedido Co-Pendente Relacionado

Este pedido está relacionado ao pedido co-pendente tendo o número de protocolo legal CML039007CR, número de série 11/590.494, tendo como inventores Dai et al., intitulado "Electronic Device Providing Tactile Feedback", depositado em 30 de outubro de 2006, e possuído pelo presente cessionário.

Campo da Invenção

A presente invenção se refere geralmente a dispositivos eletrônicos e, mais particularmente, a um dispositivo de comunicação portátil que tem um feedback tátil.

Antecedentes da Invenção

As interfaces de usuário com mudança de forma serão uma consideração de projeto importante para a próxima geração de dispositivos eletrônicos portáteis. Uma "interface de usuário com mudança de forma" é uma interface de usuário cuja aparência muda conforme o uso do dispositivo mudar (por exemplo, de um telefone para uma câmera, de uma câmera para um tocador de música, de um tocador de música para um telefone, etc.) . Esta interface de entrada é mais simples e mais intuitiva de se usar, uma vez que apenas as funções relevantes para o contexto são mostradas em qualquer dado tempo, com os elementos de interface que não estão relacionados ao contexto atual estando inativos e ocultos. O conceito de uma interface de usuário com mudança de forma também inclui preferencialmente a falta total de feedback para o usuário, quando o usuário puder contatar aqueles elementos de interface de usuário os quais estão ocultos e inativos no contexto de interface de usuário atual.

Tradicionalmente, comutadores de cúpula mecânicos têm sido usados para fornecer um feedback háptico (tátil) quando os usuários pressionarem uma tecla. Contudo, os comutadores de cúpula não funcionam bem com interfaces gráficas de usuário com mudança de forma; portanto, um feedback háptico ou ativo se torna um habilitador crítico. Motores de vibração rotativos ou lineares podem fornecer um feedback tátil de tipos com algoritmos de comando otimizados, mas seus perfis tipo de buzina são muito diferentes de um clique mecânico agudo de comutador de cúpula. Por outro lado, os atuadores piezoelétricos podem produzir uma sensação de clique mais realista, fornecendo a percepção que o usuário pressionou uma tecla física real. Este clique realista pode ser aplicado a superfícies individuais, criando uma resposta mais "local" (como um comutador de cúpula), em oposição a uma resposta "global" de motores de vibração que agitam o dispositivo inteiro.

Este feedback tátil localizado, o qual alternativamente pode ser denominado "háptico localizado" envia um feedback tátil para um usuário por meio de um movimento de uma porção de um dispositivo portátil, ou porções de suas superfícies. Uma tela de toque atuada localmente e teclas de navegação são dois exemplos de háptica localizada. No caso de um telefone celular, um feedback pode ser limitado a uma tecla de navegação, uma tela de toque ou botões em superfícies de manutenção do telefone, por exemplo, nas faixas laterais.

Um tipo de feedback háptico é descrito na Patente U.S. N° 6.710.518. Um transdutor eletromecânico produz um impulso de energia mecânica que se propaga através de uma saliência de montagem até o dispositivo inteiro. Este mecanismo é adequado para fornecer um "alerta de chamada", o qual vibra o dispositivo inteiro, mas não permite um feedback seletivo para localizações de entrada individuais (teclas, botões, setas, etc.).

As Publicações de Patente U.S. 2006/0050059 e 2006/0052143 apresentam um outro tipo de feedback háptico. Um ou mais atuadores piezoelétricos são posicionados, tipicamente nos cantos, sob um dispositivo de entrada que precisa ser atuado (por exemplo, um teclado ou um visor sensível ao toque). Quando uma voltagem é aplicada, os atuadores piezoelétricos se deformam, empurrando ou puxando o dispositivo de entrada inteiro em uma dada direção. Como resultado deste movimento, o dispositivo proporciona uma resposta tátil à mão ou ao dedo do usuário operando no dispositivo de entrada. Os atuadores piezoelétricos mais amplamente usados para esta finalidade são atuadores de mudança única de forma ou de mudança dupla de forma (também referidos como "fletores"). Os atuadores de mudança única de forma são feitos por um único elemento cerâmico piezoelétrico ligado a um calço de metal, ao passo que os atuadores de mudança dupla de forma compreendem um calço de metal ligado entre dois elementos cerâmicos piezoelétricos. O movimento de flexão do atuador de mudança única de forma vem da tendência de uma retração ou expansão em plano do elemento cerâmico piezoelétrico sob um campo elétrico aplicado contra a restrição mecânica do calço de metal. No caso de um atuador de mudança dupla de forma, os dois elementos cerâmicos piezoelétricos são acionados de modo que um se retraia enquanto o outro se expandir, ambos em seus respectivos planos, causando um movimento de flexão. Um posicionamento típico dos fletores é para a ancoragem da borda de um fletor circular, ou de ambas as extremidades de um fletor de tira, em uma estrutura de base. O centro de um fletor circular ou a metade de um fletor de tira, o qual tem o deslocamento máximo, usualmente é usado para acionamento de uma carga mecânica, conforme ilustrado em ambas as Publicações de Patente U.S. 2006/0050059 e 2006/0052143. É valioso notar que a cerâmica piezoelétrica sozinha não pode gerar estes deslocamentos relativamente altos; ao invés disso, é a estrutura ligada do(s) elemento(s) cerâmico(s) piezoelétrico(s) e do calço de metal que torna esse deslocamento alto possível.

É desafiador otimizar circuitos de acionamento de atuador piezoelétrico para dispositivos portáteis. O circuito deve ser capaz de acionar cargas capacitivas significativas (por exemplo, 100 nanofarads) para voltagens de pico de 100 ou mais Volts, com elevações e quedas controladas na voltagem e no tempo usando-se voltagens de suprimento baixas (por exemplo, de 3 V a 5V).

Os circuitos conhecidos para acionamento de um atuador piezoelétrico (por exemplo, um ou mais elementos piezoelétricos) pode utilizar pulsos de controle de voltagem baixa curtos para controle e conformação do sinal de acionamento de um atuador piezoelétrico, de modo que a saída para o atuador se aproxime de uma senóide de voltagem. Contudo, essas soluções na técnica anterior tipicamente são projetadas para acionamento de um elemento piezoelétrico de forma bidirecional (isto é, a partir de uma voltagem negativa grande para uma positiva grande). Como tal, estes circuitos não são ótimos para a geração de uma forma de onda de voltagem positiva, conforme requerido para a simulação de uma sensação tátil de clique de tecla. Não apenas eles são excessivamente complexos e dispendiosos de se implementar, mas, caso acionados a uma voltagem suficiente alta, eles podem mesmo despolarizar o elemento piezocerâmico e, assim, tornar ineficazes os atuadores piezoelétricos de mudança única de forma. Além disso, foram propostas soluções nas quais formas de onda pré-definidas arbitrárias, tais como em dente de serra, seno, meio seno e pulso, são executadas para a criação de efeitos hápticos específicos com base em uma entrada de usuário; contudo, essas soluções não ensinam um método de geração desses sinais e não ensinam um método adequado de geração desses sinais em voltagens altas suficientes para acionamento de um atuador piezoelétrico de mudança única de forma.

Assim sendo, é desejável fornecer dispositivos eletrônicos tendo um feedback tátil tipo de clique fornecido por dispositivos piezoelétricos finos de baixo custo, acionados por um circuito de acionamento muito simples e de baixo custo, embora altamente flexível. Outros recursos e características desejáveis da presente invenção se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada subseqüente e das reivindicações em apenso, tomadas em conjunto com os desenhos associados e este antecedente da invenção.

Breve Resumo da Invenção

Um dispositivo eletrônico fornece um feedback tátil fornecido por um dispositivo piezoelétrico fino de baixo custo que proporciona um feedback tátil emulando uma sensação como de clique. Um circuito eletrônico posicionado no alojamento aciona o(s) atuador(es) piezoelétrico(s) em resposta a um usuário ativar o dispositivo de entrada. Após a entrada de usuário ser detectada, o circuito fornece uma forma de onda de voltagem para ativação de um ou mais atuadores piezoelétricos, o que flexiona a placa de chassi e o dispositivo de entrada para emulação de uma sensação como de clique.

Breve Descrição dos Desenhos

A presente invenção será descrita a partir deste ponto em conjunto com as figuras de desenho a seguir, onde números iguais denotam elementos iguais, e
a FIG. 1 é uma vista explodida de um telefone celular de acordo com uma modalidade de exemplo;
a FIG. 2 é uma seção transversal parcial tomada ao longo da linha 2-2 da FIG. 1, sem uma potência aplicada aos atuadores piezoelétricos contidos ali;
a FIG. 3 é uma seção transversal parcial tomada ao longo da linha 2-2 da FIG. 1 com potência aplicada aos atuadores piezoelétricos;
a FIG. 4 é uma seção transversal parcial de uma segunda modalidade de exemplo sem potência aplicada aos atuadores piezoelétricos contidos ali;
a FIG. 5 é uma seção transversal parcial da segunda modalidade de exemplo com potência aplicada aos atuadores piezoelétricos;
a FIG. 6 é um gráfico que ilustra uma comparação da aceleração de um comutador de cúpula mecânico versus um atuador piezoelétrico da modalidade de exemplo;
a FIG. 7 é um diagrama de blocos do telefone celular mostrado na FIG. 1;
a FIG. 8 é um diagrama de circuito que ilustra um exemplo de um circuito para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico de acordo com uma modalidade de exemplo;
as FIG. 9 e 10 ilustram diagramas de sincronismo correspondentes a sinais de controle e um exemplo de um sinal de acionamento de voltagem unidirecional que pode ser fornecido por um circuito, tal como aquele mostrado na FIG. 8;
a FIG. 11 é um diagrama de circuito que ilustra a outra modalidade de exemplo de um circuito para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico; e
a FIG. 12 é um outro exemplo de uma modalidade de um circuito para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico, sendo a otimização prática do conceito mostrado na FIG. 11.

Descrição Detalhada da Invenção

A descrição detalhada a seguir da invenção é meramente da natureza de um exemplo e não é pretendida para limitação da invenção ou da aplicação e dos usos da invenção. Mais ainda, não há nenhuma intenção de ser limitado por qualquer teoria apresentada nos antecedentes precedentes da invenção ou na descrição detalhada a seguir da invenção.

O circuito eletrônico para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico inclui um circuito de acionamento de atuador piezoelétrico que inclui um circuito de carregamento de intensificação indutiva e pulsada, operativamente respondendo a um primeiro sinal de controle de largura de pulso modulada, e um circuito de descarga de dissipação de corrente constante pulsada que responde operativamente a um segundo sinal de controle de largura de pulso modulada. Os sinais de controle de largura de pulso modulada podem ser tais que o ciclo de carga permaneça constante, ou o ciclo de carga pode variar como uma função do tempo. O circuito de intensificação indutiva pulsada adiciona de forma controlável "pacotes" predeterminados de carga ao atuador piezoelétrico, e o circuito de descarga de dissipação de corrente constante pulsada remove de forma controlada os pacotes predeterminados de carga de um atuador piezoelétrico carregado. O circuito de acionamento de atuador piezoelétrico aplica formas de onda de voltagem unidirecional predeterminadas (por exemplo, mais altas do que uma voltagem de suprimento DC do circuito de acionamento) ao atuador piezoelétrico, o que fornece um feedback háptico para o usuário.

Em um outro exemplo, a energia de um atuador piezoelétrico (ou elemento) carregado é recirculada para a carga, por exemplo, uma fonte de voltagem, tal como um elemento de bateria recarregável (por exemplo, um capacitor ou outro elemento de carregamento adequado) ou pode servir como uma fonte de voltagem para um outro circuito, se desejado. Em um exemplo, múltiplos indutores são usados em um circuito de comutador intensificador ou de comutador abaixador. Em uma outra modalidade, um indutor único comum e outras configurações são usados para redução de contagem de partes, custo e tamanho de circuito.

Em um exemplo, um sinal de controle único a partir de um microprocessador principal, um processador de teclado ou um outro controlador adequado, é usado para fornecer o sinal de controle de entrada para o circuito de circuito piezoelétrico. O sinal de controle de entrada pode ser convertido em múltiplos sinais de controle, onde cada um dos múltiplos sinais de controle é um sinal de controle de largura de pulso modulada para controle do carregamento e do descarregamento de energia para um ou mais atuadores piezoelétricos. Dentre outras vantagens, o circuito para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico pode fornecer uma contagem de componente pequena, alta eficiência e baixo custo de implementação para ser usado em dispositivos manuais e portáteis. O circuito para controle dos atuadores piezoelétricos permite um teclado háptico, sem a necessidade de um teclado de comutador de cúpula mecânico ou outras configurações, se desejado. Os usuários podem ser capazes de experimentar os benefícios de mudança de forma de teclados, o que muda dependendo de um modo de dispositivo atual, sem se ter que sacrificar a sensação de botão tátil esperada familiar. Outras vantagens serão reconhecidas por aqueles de conhecimento comum na técnica.

Em um exemplo, um elemento cerâmico piezoelétrico ou múltiplos elementos cerâmicos piezoelétricos são diretamente ligados à estrutura de base de dispositivos portáteis, por exemplo, o chassi de metal ou plástico de um telefone celular. Um chassi de um telefone celular fornece rigidez estrutural ao telefone e serve como uma placa de estrutura para a afixação da maioria dos módulos e componentes de telefone. Os elementos cerâmicos piezoelétricos e um dispositivo de entrada, por exemplo, uma interface de usuário com mudança de forma, são ligados a lados opostos do chassi em uma modalidade de exemplo. Mediante a aplicação de um campo elétrico, a retração ou expansão em plano dos elementos piezoelétricos causa uma flexão localizada do chassi e, assim, fornece um feedback tátil na interface do dispositivo de entrada. O dispositivo de entrada não é empurrado ou puxado diretamente por atuadores fletores piezoelétricos separados, conforme descrito na técnica anterior, mas é parte da estrutura deformada (flexionada) pelos elementos cerâmicos piezoelétricos integrados. O movimento do dispositivo de entrada é de flexão, ao invés de um movimento para cima / para baixo por múltiplos atuadores piezoelétricos atuando em múltiplos pontos. O benefício da abordagem em relação à técnica anterior é que não requer um alinhamento mecânico preciso de um elemento de atuação com a estrutura que estiver sendo empurrada ou puxada.

De acordo com uma modalidade de exemplo, pelo menos um atuador piezoelétrico, por exemplo, um fletor piezoelétrico, é ligado diretamente a uma placa de metal que se confina com o dispositivo de entrada para o qual se pretende o feedback háptico. Este posicionamento direto fornece um movimento de curvatura à flexão do dispositivo de entrada, e assim fornece um feedback tátil incluindo um feedback tátil como um clique de tecla verdadeiro para um usuário. Este deslocamento do dispositivo de entrada é pequeno, apenas de 1,0 a 30,0 micrômetros. Esta estrutura eletromecânica simples é de baixo custo e tem confiabilidade comprovada.

Os atuadores piezoelétricos são capazes de forma única de enviar uma resposta rápida, por exemplo, de 1,0 a 10,0 milissegundos, de aceleração lata, por exemplo, de 1 a 100 g, para respostas de clique de tecla simulado. Esta classe de resposta permite um reposicionamento vantajoso de comutadores de cúpula mecânicos por atuadores piezoelétricos para teclados de espessura reduzida ultrafina e/ou interfaces de usuário com mudança de forma. Os atuadores piezoelétricos também são capazes de fornecer um movimento de banda larga (de 1 a 200 Hz), em oposição a uma resposta de freqüência fixa de motores de vibração eletromagnética ressonante.

Os elementos piezoelétricos se retraem ou expandem na direção lateral, isto é, em seus respectivos planos X-Y, quando submetidos a um campo elétrico perpendicular a seus planos, causando um movimento perpendicular muito amplificado com uma restrição necessária de ser ligado a uma superficie rígida, tal como um chassi de telefone. Os elementos piezoelétricos podem ser acionados por uma ampla faixa de formas de onda para se talhar a saída mecânica para o usuário. Uma função de degrau de taxa de salto alto pode fornecer a aceleração mais alta e o feedback tipo de clique. Alternativamente, múltiplas ondas seno podem ser usadas para a geração de um feedback que poderia ser caracterizado como uma buzina. Os atuadores piezoelétricos também podem ser operados em uma ampla faixa de freqüência, permitindo respostas hápticas de banda larga. Um consumo de potência de atuadores piezoelétricos é geralmente comparável àquela de motores rotativos DC. A latência dos atuadores (o tempo requerido para acelerarem até a velocidade plena) é pequena o bastante para permitir que os usuários tenham uma resposta quase instantânea em aplicações interativas.

A FIG. 1 é uma vista explodida de um telefone celular 100 de acordo com uma primeira modalidade da invenção, e a FIG. 2 é uma vista em seção transversal parcial tomada ao longo da linha 2-2 da FIG. 1. O telefone celular 100 é apenas uma modalidade de exemplo. Deve ser entendido que qualquer tipo de dispositivo eletrônico portátil pode ser usado com a invenção descrita aqui. O telefone celular 100 compreende uma parte de alojamento dianteira 102 e uma parte de alojamento traseira 104. A parte de alojamento dianteira 102 suporta uma antena opcional (não mostrada) e inclui uma abertura 108 que acomoda uma interface de usuário com mudança de forma 110. Uma grade de alto-falante 112 e uma grade de microfone 114 também são fornecidas na parte de alojamento dianteira 102. Uma abertura de visor 116 também é fornecida na parte de alojamento dianteira 102 que acomoda um visor 118. Uma cobertura de compartimento de bateria 120 é fornecida para cobertura de um compartimento de bateria na parte de alojamento traseira 104. Uma abertura (não mostrada) é fornecida no piso de bateria 121 para fiação para acoplamento de uma bateria (não mostrada) posicionada no compartimento de bateria 117 para um circuito (não mostrado) no lado traseiro 126 da placa de circuito impresso 124. Uma cobertura transparente 119 é posicionada sobre o visor 118 e o dispositivo de entrada 110.

As partes de alojamento dianteira 102 e traseira 104 envolvem, dentre outros itens a serem discutidos, um chassi 122 preso à parte de alojamento dianteira 102. O chassi 122 compreende um primeiro lado plano 123 que firmemente posiciona a interface de usuário com mudança de forma 110 na abertura 108 e o visor 118 na abertura 116. O primeiro lado plano 123 do chassi 122 é adjacente a e está em contato com o lado plano 111 do dispositivo de entrada 110. Também está envolvida dentro das partes de alojamento dianteira 102 e traseira 104 a placa de circuito impresso 124. Uma pluralidade de componentes de circuito elétrico (não mostrados), que constituem um ou mais circuitos elétricos do telefone celular 100, é montada em um lado traseiro 126 da placa de circuito 124. Os circuitos do telefone celular 100 são descritos mais plenamente abaixo com referência a um diagrama de blocos funcional mostrado na FIG. 6.

Cada um dos dispositivos de contato 132 inclui uma base 134 presa à placa de circuito 124 por uma gota de solda (não mostrada), e braços 136 que se estendem através de aberturas 138 na placa de circuito 124 para a feitura de um contato elétrico com cada um dos piezoatuadores 142. Os dispositivos de contato ainda são acoplados a um circuito (não mostrado) na placa de circuito 124. Os dispositivos de contato 132 compreendem um material condutivo, tal como metal, e, na modalidade de exemplo, compreendem um metal que tem uma ação de mola inerente, ou torque, para o exercício de uma força sobre os piezoatuadores 142.

Uma camada de mylar 144 (FIG. 2) pode ser afixada de forma adesiva entre um piso de bateria 121 da parte de alojamento traseira 104 e os dispositivos de contato 132. Um espaço de ar 152 existe entre a placa de circuito impresso 124 e a camada 144. O dispositivo de contato 132 faz contato com os atuadores piezoelétricos 142, opcionalmente através de um contato de metal 146, o qual preferencialmente é de ouro. O dispositivo de contato 132 pode aplicar uma força de mola (conforme mostrado) contra o contato de metal 146 para uma condutibilidade melhorada. De acordo com a modalidade de exemplo, os atuadores piezoelétricos 142 são posicionados diretamente em um segundo lado plano 125 do chassi 122 que faz contato com a interface de usuário com mudança de forma 110. O chassi 122 e a interface de usuário com mudança de forma 110 são posicionados de uma maneira adjacente, de modo que uma flexão do chassi 122 flexione a interface de usuário com mudança de forma 110.

A FIG. 2 mostra uma modalidade de exemplo de como a interface de usuário com mudança de forma 110 é presa processador uma ligação à parte de alojamento dianteira 102 e a cobertura transparente 119 é ligada em uma reentrância na pare dianteira sobre a interface de usuário com mudança de forma 110 e o visor 118. Este exemplo é apenas uma forma na qual a interface de usuário com mudança de forma 110 pode ser presa na parte de alojamento dianteira 102. Outros exemplos incluem, por exemplo, acoplamentos mecânicos. Quando uma entrada, por exemplo, um aperto em um ícone exibido, é feita na interface de usuário com mudança de forma 110, um sinal é gerado, por exemplo, a partir de um sensor (não mostrado) que detecta o movimento ou um circuito que detecta o sinal eletrônico gerado pela entrada. Este sinal é enviado para os dispositivos de contato 132, os quais ativam os atuadores piezoelétricos 142. O movimento de flexão dos atuadores piezoelétricos 142 é transferido através do chassi 122 para a interface de usuário com mudança de forma 110 (FIG. 3) . Uma vez que a interface de usuário com mudança de forma 110 está presa em sua periferia, e não no centro, um movimento de flexão da interface de usuário com mudança de forma 110 resulta.

Uma segunda modalidade de exemplo mostrada na FIG. 4 inclui os atuadores piezoelétricos 142 posicionados nos recessos do chassi 122 e diretamente contra o dispositivo de entrada 110. Um material de ligação condutivo (não mostrado) é posicionado entre o dispositivo de entrada e os atuadores piezoelétricos 142 para fixação dos dois em conjunto e fornecendo potência para os atuadores piezoelétricos 142. A FIG. 5 ilustra a segunda modalidade de exemplo com potência aplicada aos atuadores piezoelétricos 142 e a flexão resultante do chassi 122, do dispositivo de entrada 110 e da cobertura transparente 119.

A FIG. 6 ilustra uma comparação da aceleração ao longo da curva do tempo de um comutador de cúpula mecânico 502 versus o atuador piezoelétrico 504, conforme descrito aqui. As curvas são muito similares. A característica principal do perfil de aceleração é uma aceleração de pico alta, de 1 a 100 g, e um período de tempo relativamente curto (menos de 10 ms) . A componente de freqüência alta na curva de aceleração se associa ao som que acompanha a sensação de clique tátil.

A FIG. 7 é um diagrama de blocos do telefone celular 100 mostrado nas FIG. 1 a 3, de acordo com a primeira modalidade da invenção. O telefone celular 100 compreende um transceptor 602, um processador 603, um conversor de analógico para digital (A/D) 606, um decodificador de entrada 608, uma memória 612, um driver de visor 614, um conversor de digital para analógico (D/A) 618 e os atuadores piezoelétricos 142, todos acoplados em conjunto através de um barramento de sinal digital 620. O módulo de transceptor 602 é acoplado à antena 106. Sinais de portadora que são modulados por sinais de dados, por exemplo, codificados digitalmente para acionamento digital de um áudio de voz codificado, passam entre a antena 642 e o transceptor 602.

O dispositivo de entrada 110 é acoplado ao decodificador de entrada 608. O decodificador de entrada 608 serve para a identificação de teclas pressionadas, por exemplo, e para fornecer uma informação identificando cada tecla pressionada para o processador 604. O driver de visor 614 é acoplado a um visor 626.

O D/A 618 é acoplado através de um amplificador de áudio 632 a um alto-falante 634 e um motor vibratório 635. O D/A 618 converte o áudio digital decodificado em sinais analógicos e aciona o alto-falante 634 e o motor vibratório 635. O amplificador de áudio 632 pode compreender uma pluralidade de amplificadores, com cada um acionando uma combinação em separado de alto-falante / motor vibratório.

A memória 612 também é usada para o armazenamento de programas que controlam aspectos da operação do telefone celular 100. A memória 612 é na forma de um meio que pode ser lido em computador.

O transceptor 602, o processador 604, o sistema de filtro 606, o decodificador de entrada 608, a memória 612, o driver de visor 614, o D/A 618, o amplificador de áudio 632 e o barramento de sinal digital 620 são concretizados nos componentes de circuito elétrico 124 e em interconexões da placa de circuito mostrada na FIG. 1.

A FIG. 8 ilustra um circuito 800 para o controle de pelo menos um atuador piezoelétrico 142, e, neste exemplo, é mostrado incluindo o atuador piezoelétrico 142 contendo uma pluralidade de atuadores piezoelétricos ou elementos. O circuito 800 para controle de pelo menos um atuador piezoelétrico inclui um circuito de acionamento piezoelétrico 802 que gera pelo menos um sinal de acionamento de voltagem unidirecional, também referido como Vout, no nó 804. Na prática, múltiplos sinais de acionamento de voltagem unidirecional podem ser fornecidos em seqüência para fornecer um feedback háptico. Em uma implementação preferível, este sinal de acionamento de voltagem pode ser uma onda cosseno elevada de ciclo único. Contudo, outras formas de onda adequadas também podem ser usadas, caso desejado. O nível de voltagem pode ser qualquer nível adequado, como em um exemplo pode ser de 100 a 120 V. Contudo, pode ser mais baixo ou mais alto, dependendo da aplicação. O circuito de acionamento de atuador piezoelétrico 802 que gera o sinal de acionamento de voltagem (exemplo mostrado na FIG. 9) inclui um circuito de comutador intensificador ou circuito de carregamento 806, um circuito de comutador abaixador ou circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada 808 e um circuito de geração de sinal de controle 810 que recebe um sinal de controle de entrada 812 a partir de, por exemplo, um processador de teclado ou um outro processador adequado 604 indicando que o dispositivo requisitou a geração de um feedback háptico utilizando o atuador piezoelétrico 142. Conforme citado acima, isto pode ser feito, por exemplo, em resposta a uma tela de toque detectando um dedo de usuário ou um outro elemento ativado por toque, conforme é conhecido na técnica. Neste exemplo, o circuito de geração de sinal de controle 810 é um gerador de sincronismo, tal como, mas não limitando, um microcontrolador PIC10F202, ou qualquer outro circuito de geração de sinal de controle adequado que receba o sinal de controle 812 e gere uma pluralidade de sinais de controle de largura de pulso modulada 816 e 818. O circuito de carregamento 806 é operativamente acoplado a uma voltagem de suprimento (por exemplo, 5 Volts ou qualquer outra voltagem adequada), e o circuito de geração de sinal de controle 810 pode ser suprido pela mesma voltagem de suprimento ou por uma diferente. Neste exemplo, uma voltagem de suprimento diferente é usada, e é uma voltagem de suprimento de 2,8 Volts. Um ou mais capacitores de filtro 820 pode ser adequadamente acoplados às voltagens de suprimento, conforme desejado.

O circuito de acionamento de atuador piezoelétrico 802 gera o sinal de acionamento de voltagem Vout no nó 804. O circuito de carregamento de intensificação indutivo 806 responde ao primeiro sinal de largura de pulso modulada variável 816, adicionando de forma controlável pacotes predeterminados de carga ao atuador piezoelétrico 142, e o circuito de descarga de dissipação de corrente constante pulsada 808 responde ao segundo sinal de controle de largura de pulso modulada 818 e retira de forma controlável pacotes predeterminados de carga do atuador piezoelétrico carregado 142, após ele ter sido carregado pelo circuito de carregamento de intensificação indutivo 806. Neste exemplo, o circuito de geração de sinal de controle 810 produz os primeiro e segundo sinais de controle de largura de pulso modulada 816 e 818, os quais produzem o sinal de acionamento de voltagem para atuação do atuador piezoelétrico 142. Este método de operação é de laço aberto, produzindo a forma de onda de acionamento de voltagem desejada para atuação dos atuadores piezoelétricos, usando um número mínimo de componentes, facilitado pelo fato de que a forma de onda de saída e os sinais de controle para a produção dela são predeterminados. Aqueles versados na técnica também entenderão que o circuito de geração de sincronismo 810 pode ser retroalimentado a partir do nó de Vout 804, assim como também a partir do nó de suprimento de intensificação indutiva conectado ao indutor 826, de modo a se ajustarem dinamicamente os ciclos de carga de sinais de controle 816 e 818 na produção da forma de onda desejada em Vout 804, desse modo operando de uma forma em laço fechado.

Com referência de volta à FIG. 8, neste exemplo, o circuito de carregamento 806 inclui um transistor de NMOS FET 822 que tem um resistor 824 operativamente acoplado através da porta e do dreno e um indutor (tal como um indutor de 100 micro-henry 826) acoplado entre a voltagem de suprimento e o dreno do transistor 822. O resistor 824 é um pouco opcional, e é usado para se garantir que o NMOS FET 822 permaneça inativo quando não sendo ativamente acionado de outra forma pelo gerador de sincronismo 810, temendo que uma corrente desnecessária seja retirada do suprimento para o indutor, quando se pretender que o circuito esteja inativo. O circuito de carregamento 806 também inclui um diodo 828 operativamente acoplado entre o dreno ou a saída do transistor 822 e o nó de saída de Vout 8 04, o qual também é acoplado ao circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada 808. Neste exemplo, o circuito de descarga de dissipação de corrente é um circuito de descarga de dissipação de corrente constante. Também, aqueles versados na técnica entenderão que o NMOS FET 822 poderia ser, alternativamente, qualquer outro dispositivo de comutação operado eletricamente, tal como um transistor de junção bipolar NPN. Contudo, um NMOS FET usualmente será preferível; como tais dispositivos geralmente requererão menos intensidade de acionamento do gerador de sincronismo 810, assim são mais fáceis de acionar e mais eficientes em termos de potência em geral.

Neste exemplo, o circuito de descarga de dissipação de corrente constante pulsada 808 inclui um transistor bipolar 830 que tem uma entrada que é acionada pelo segundo sinal de controle de largura de pulso modulada 818, e inclui um resistor emissor 832 acoplado, conforme mostrado. A saída do transistor 830 é acoplada ao atuador piezoelétrico 142 e ao diodo 828 e produz uma porção de queda do sinal de acionamento de voltagem para acionamento do atuador piezoelétrico 142, para remoção de forma controlável de pacotes predeterminados de carga do atuador piezoelétrico carregado. A saída do transistor 822 e o circuito de carregamento 806 são usados para carregamento do atuador piezoelétrico 142 para a produção da porção de subida do sinal de acionamento de voltagem. Será reconhecido que os transistores descritos podem ser quaisquer transistores adequados, dependendo da aplicação, incluindo transistores de efeito de campo ou bipolares, por exemplo. De fato, o transistor 830 poderia ser ao invés disso um NMOS FET, mas a voltagem de ativação efetiva de um transistor bipolar NPN é menor do que aquela de um NMOS FET, ~0,7 V, ao invés de ≥1,2 V, e exibe significativamente menos variação de parte a parte e menos variação por temperatura e carga, de modo que um transistor de junção bipolar NPN é preferido para uma operação de dissipação de corrente constante mais consistente.

Em uma variação da implementação de exemplo mostrada na FIG. 8, o resistor 832, o qual regula a corrente da dissipação de corrente constante pulsada, é conectado a um trilho de suprimento de voltagem baixa regulado para um outro circuito, ao invés de simplesmente ser conectado ao aterramento, desde que o segundo sinal de controle 818 atinja uma voltagem superior, a qual é pelo menos a soma do trilho de suprimento de voltagem mais baixa, e a voltagem cai através do transistor de dissipação 830 e do resistor de regulagem de corrente 832. Desta forma, a carga removida do atuador piezoelétrico através da dissipação de corrente constante pulsada 808 é recirculada, para ajudar na potência para uma outra parte do dispositivo, o que melhora a eficiência de potência geral do dispositivo. Como um exemplo, a mudança do valor do resistor de regulagem de corrente 832 de 330 Ohms para 150 Ohms e a conexão dele a um trilho de suprimento de voltagem baixa ao invés de ao aterramento permitem que a carga removida do atuador piezoelétrico 142 seja descarregada para um suprimento de núcleo de CPU de 1,15 V, ao invés de simplesmente se descarregar aquela carga para o aterramento, sem mesmo se ter que reescalonar a progressão de ciclos de carga apresentada pelo circuito gerador de sincronismo.

Em uma modalidade preferida, conforme mostrado na FIG. 9, Vout, o sinal de acionamento de voltagem unidirecional, é um sinal de acionamento de cosseno elevado 904 que aciona o atuador piezoelétrico 142. Em operação, o circuito da FIG. 8 utiliza um sinal de controle de entrada único 812 para a produção de duas saídas de largura de pulso modulada; especificamente, os sinais de controle 816 e 818, conforme mostrado na FIG. 10. Contudo, qualquer número adequado de sinais de controle pode ser usado. Neste exemplo, o circuito de geração de sinal de controle 810 produz o primeiro sinal de controle de largura de pulso modulada e o segundo sinal de controle de largura de pulso modulada 816 e 818 como sinais de controle de ciclo de carga variável para fornecer um tempo de elevação inicial relativamente lento mostrado pela área 900 e um tempo de queda relativamente lento 902 como parte do sinal de acionamento de cosseno elevado terminado único. Por exemplo, aproximadamente 170 pulsos a 100 quilohertz e ciclos de carga variáveis podem ser requeridos para se fazer com que o sinal de acionamento de cosseno elevado gerado aumente de 5 Volts para 100 Volts em aproximadamente 1,7 milissegundos. A geração das porções de elevação e de queda do sinal de acionamento 904 é realizada usando-se uma progressão de ciclo de carga pelo carregamento do circuito de carregamento 806 usando-se o sinal de controle de largura de pulso modulada 816 em uma progressão tal como uma progressão de ciclo de carga de 10%, 30%, 60%, 80%, 80%, 80%, 80%, 80%. O descarregamento do atuador piezoelétrico pode ser feito usando-se o sinal de controle de largura de pulso modulada 818 em uma progressão tal como uma progressão de ciclo de carga de 0%, 20%, 40%, 70%, 70%, 40%, 20% e 20%, para a produção da porção de queda ou de descarga do sinal de acionamento. O ciclo de descarga retira pacotes de carga do atuador piezoelétrico carregado 142 pela comutação do dissipador de corrente constante 808 para o circuito através do segundo sinal de controle de largura de pulso modulada 818, uma vez que a voltagem máxima seja atingida e o pulso de acionamento seja parado. O uso do esquema de descarga mostrado, por exemplo, na FIG. 10, assegura um controle preciso pela taxa de descarga instantânea a ser obtida no sinal de acionamento aproximado. Preferencialmente, o dissipador de corrente constante 808 não deve ser ativado no circuito durante a fase de carregamento de intensificação pulsante já que este pode se opor, em parte ou totalmente, ao tempo de elevação obtenível de outra forma.

A FIG. 11 ilustra um outro exemplo de um circuito para controle de um atuador piezoelétrico 142, que utiliza um circuito de descarga comutado indutivo 1112 para fornecer um retorno eficiente da energia dos atuadores piezoelétricos 142 de volta, por exemplo, para um trilho de suprimento de potência, através de um percurso de retorno 1102. Neste exemplo, um circuito de carregamento 1104 ou um comutador intensificador inclui um indutor 1106 e um transistor NMOS FET 1108, conforme mostrado. De novo, o diodo 1110 serve para a regulagem da direção da carga para o atuador piezoelétrico 142. Um comutador abaixador ou um circuito de descarga 1112 inclui um transistor NMOS FET 1114, um resistor elevador 1116, um transistor PMOS FET 1118, um diodo 1119 e um outro indutor 1120 acoplado, conforme mostrado. Um capacitor de carregamento 1130 pode ser carregado pela retroalimentação da energia sendo descarregada a partir do atuador piezoelétrico 142. Também conforme mostrado, uma bateria recarregável 1132 ou um outro circuito pode ser conectado para o recebimento da energia fornecida pelo circuito de descarga 1112 através do percurso de retorno 1102. Este circuito de descarga indutivo comutado também conhecido comumente como "comutador abaixador" torna o circuito geral mais eficiente pelo retorno do grosso da energia aplicada ao atuador piezoelétrico 142 de volta para a bateria de fonte ou trilho de suprimento, ou, alternativamente, para um outro trilho de suprimento para uso por uma outra porção do dispositivo eletrônico.

O circuito de descarga indutivo comutado 1112 é acoplado à energia de retroalimentação a partir do atuador piezoelétrico 142 a um nó de fonte de voltagem, tal como uma bateria, um capacitor ou um outro circuito. O circuito de descarga indutivo comutado 1112 inclui um transistor de comutação de descarga 1114 que responde ao segundo sinal de controle de largura de pulso modulada 818 e tem uma saída acoplada a um elemento resistivo 1116. Um elemento indutivo 1120 é acoplado ao nó de fonte de voltagem e ao transistor de passe de saída 1118. Um diodo 1119 é acoplado ao transistor de passe de saída 1118 e ao elemento indutivo 1120. Será entendido que a progressão de ciclo de carga do segundo sinal de controle 818 difere em sua composição exata daquela seqüência a qual é usada para controle de um circuito de dissipação de corrente constante pulsada 808.

Ao passo que o circuito mostrado na FIG. 11 é usado principalmente para a descrição do conceito de forma mais compreensível, a FIG. 12 ilustra a modalidade preferida de um circuito para controle de um atuador piezoelétrico 1200 o qual, de novo, recircula a energia do atuador piezoelétrico carregado 142 de volta para um trilho de voltagem de suprimento ou uma bateria recarregável a qual é usada para dar potência ao circuito. Uma vantagem do circuito mostrado na FIG. 11 é que a energia recirculada pode ser fornecida para uso por um outro circuito através de um roteamento alternativo do percurso 1102.

Conforme mostrado na FIG. 12, um único indutor 1202 pode ser empregado no lugar dos dois indutores 1106 e 1120, e um único transistor PMOS 1204 é usado no lugar do diodo de intensificação 1110 e do comutador de PMOS FET 1118. O diodo de corpo do transistor 1204 assim é usado como o diodo de intensificação do circuito de intensificação 1110. Será reconhecido que os circuitos descritos aqui podem ser implementados em um circuito integrado, múltiplos circuitos integrados ou de qualquer maneira adequada. O circuito também inclui um transistor de controle de carregamento 1206, bem como um transistor de controle de descarga de deslocamento de nível 1208 acoplado ao transistor PMOS de lado alto 1204, conforme mostrado. Um resistor elevador 1214 é operativamente acoplado ao transistor 1208 e ao transistor de comutador de lado alto 1204. Se desejado, um outro elemento de impedância opcional 1218 também pode ser empregado; de novo, para se evitar uma operação não pretendida do NMOS FET de intensificação 1206. Na fase de descarga do circuito, ele opera como um "comutador abaixador", de modo que a energia do atuador piezoelétrico 142 então possa ser retornada para sua fonte 1230, através do mesmo indutor 1202 através do qual a energia daquela fonte veio primeiramente. De novo, conforme notado, o diodo de corpo de PMOS FET é usado como o diodo intensificador para carregamento do atuador piezoelétrico 142 sob controle do sinal de controle de largura de pulso modulada 816 e do transistor 1206. O circuito de acionamento inclui o elemento indutivo 1202 que é acoplado ao FET de comutador de lado alto 1204 e ao nó de fonte de voltagem mostrado como 1230.

Dentre outras vantagens, o circuito mostrado na FIG. 12 pode usar menos componentes, se comparado com aquele da FIG. 11. Além disso, os circuitos das FIG. 11 e 12 efetivamente podem melhorar a eficiência geral ao permitirem a recirculação da energia piezoelétrica de volta para o trilho de bateria ou qualquer outro nó de fonte de voltagem adequado, se desejado.

Os circuitos acima podem ser usados, por exemplo, como parte de um teclado que inclui uma tela de toque que inclui o atuador piezoelétrico que é adequadamente acoplado a outros mecanismos mecânicos, conforme descrito, por exemplo, acima, que é operativo para fornecer um feedback tátil em resposta a um contato de tela de toque por um usuário. Um dispositivo eletrônico portátil, tal como um telefone celular ou outro dispositivo eletrônico, conforme citado acima, pode incluir um circuito de telefone sem fio, conforme é conhecido na técnica, e um teclado acoplado ao circuito de telefone sem fio, conforme conhecido na técnica, e pode incluir qualquer um dos circuitos (ou qualquer combinação adequada dos mesmos) descritos acima para a feitura de um dispositivo único em um custo relativamente baixo e de uma maneira de alta confiabilidade. Outras vantagens serão reconhecidas por aqueles de conhecimento comum na técnica.

Além disso, um método inclui um controle de atuação de um atuador piezoelétrico de uma tela de toque pela geração de um cabo de pinçamento externo 816 para controle de um circuito de carregamento 806 para a produção de uma porção (elevação) de um sinal de acionamento de voltagem 904 e geração de um outro sinal de controle de largura de pulso modulada 818 para controle de um circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada 804 para se retirarem de forma controlável pacotes predeterminados de carga de um atuador piezoelétrico carregado, para a produção de uma outra porção do sinal de acionamento de voltagem (por exemplo, uma porção de queda).

Embora pelo menos uma modalidade de exemplo tenha sido apresentada na descrição detalhada precedente da invenção, deve ser apreciado que um vasto número de variações existe. Também deve ser apreciado que a modalidade de exemplo ou as modalidades de exemplo são apenas exemplos, e não são pretendidas para limitarem o escopo, a aplicabilidade ou a configuração da invenção de forma alguma. Ao invés disso, a descrição detalhada precedente fornecerá àqueles versados na técnica um mapa de rodagem conveniente para a implementação de uma modalidade de exemplo da invenção, sendo entendido que várias mudanças podem ser feitas na função e no arranjo de elementos descritos em uma modalidade de exemplo, sem que se desvie do escopo da invenção, conforme estabelecido nas reivindicações em apenso.

Claims (10)

1. Circuito (800) para controle de um atuador piezoelétrico (142), o circuito compreendendo:
   um circuito de acionamento de atuador piezoelétrico (802) operativo para a geração de um sinal de acionamento de voltagem unidirecional (804), o circuito de acionamento de atuador piezoelétrico compreendendo:
   um circuito de carregamento (806) que responde operativamente a um primeiro sinal de controle de largura de pulso modulada (816); e
   um circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (808) que responde operativamente a um segundo sinal de controle de largura de pulso modulada (818) e operativo para retirar de forma controlável pacotes de carga de um atuador piezoelétrico carregado (142), o circuito caracterizado pelo fato de que o circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (808) compreende:
   um transistor de comutação de descarga (1114) tendo uma entrada que responde operativamente ao segundo sinal de controle de largura de pulso modulada (818) e uma saída acoplada a um elemento resistivo (1116);
   um transistor de passe de saída (1118) tendo uma entrada operativamente acoplada à saída do transistor de comutação de descarga (1114); e
   um elemento indutivo (1120) operativamente acoplado a um nó de fonte de voltagem e ao transistor de passe de saída (1118) .
2. Circuito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ainda pelo fato de que:
   o atuador piezoelétrico (142) é operativamente acoplado ao circuito de acionamento de atuador piezoelétrico (802); e
   o circuito compreende ainda um circuito de geração de sinal de controle (810) operativo para a produção dos primeiro e segundo sinais de controle de largura de pulso modulada (816, 818), o primeiro e segundo sinais de controle de largura de pulso modulada tendo ciclos de carga variáveis para a produção do sinal de acionamento de voltagem unidirecional (804) para atuação do atuador piezoelétrico (142) .
3. Circuito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado ainda pelo fato de o circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (808) ser operativamente acoplado para retornar energia do atuador piezoelétrico (142) para o nó de fonte de voltagem.
4. Circuito, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado ainda pelo fato de o sinal de acionamento de voltagem unidirecional (804) ser um sinal de cosseno elevado (904) .
5. Circuito, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado ainda pelo fato de o circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (808) compreender um circuito de descarga de dissipação de corrente constante.
6. Teclado, caracterizado pelo fato de compreender:
   uma tela de toque que compreende um atuador piezoelétrico (142) operativo para fornecer um feedback tátil em resposta ao contato da tela de toque por um usuário; e
   um circuito (800) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, o circuito operativo para controle do atuador piezoelétrico (142) .
7. Teclado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado ainda pelo fato de o circuito de carregamento (806) incluir um transistor de efeito de campo configurado para ter um diodo de corpo do mesmo;
   o circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (804) compreende o transistor de efeito de campo; e
   o circuito de acionamento de atuador piezoelétrico (802) compreende um elemento indutivo operativamente acoplado a ambos o transistor de efeito de campo e a um nó de fonte de voltagem.
8. Teclado, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado ainda pelo fato de o nó de fonte de voltagem ser acoplado a uma voltagem de suprimento de potência (1230) que supre o circuito (800) .
9. Dispositivo eletrônico portátil, caracterizado pelo fato de compreender:
   um circuito de telefone sem fio; e
   um teclado conforme definido em qualquer uma das reivindicações 6 a 8, o teclado operativamente acoplado ao circuito de telefone sem fio.
10. Método, caracterizado pelo fato de compreender:
    o controle da atuação de um atuador piezoelétrico (142) de uma tela de toque pela:
    geração de um primeiro sinal de controle de largura de pulso modulada (816) para controle de um circuito de carregamento (806) que produz uma porção de um sinal de acionamento de voltagem unidirecional (904) ; e
    geração de um segundo sinal de controle de largura de pulso modulada (818) para controle de um circuito de descarga de dissipação de corrente pulsada (804) que retira de forma controlável pacotes de carga de um atuador piezoelétrico (142) carregado para a produção de uma outra porção do sinal de acionamento de voltagem unidirecional (904); e
    a retroalimentação de energia a partir do atuador piezoelétrico (142) carregado para um nó de fonte de voltagem.

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