KR100562517B1 - 다축 전위차계 - Google Patents

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KR100562517B1 KR1020010052114A KR20010052114A KR100562517B1 KR 100562517 B1 KR100562517 B1 KR 100562517B1 KR 1020010052114 A KR1020010052114 A KR 1020010052114A KR 20010052114 A KR20010052114 A KR 20010052114A KR 100562517 B1 KR100562517 B1 KR 100562517B1
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고이즈미데이비드에이치.
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인텔 코포레이션
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Abstract

본 발명에 의한 다축 전위차계는 다중 축들을 따른 액추에이터 이동을 결정할 수 있다. 상기 전위차계는 저항 요소와 내부적으로 정렬된 속이 빈, 반구 셸을 포함한다. 전기 접점들은 저항 요소에 전원 전압 또는 전류를 공급하기 위하여 셸의 개구부 근처에 저항 요소를 따라 서로 교차하여 부착된다. 한쌍의 센서들이 저항 요소와 접촉하기 위해 전기자의 말단에 배열된다. 전기자의 말단에 있는 센서들은 센서들이 저항 요소와 접촉하는 접촉 지점들에서 전압 또는 전류 레벨들을 감지하는데 사용된다. 상기 전압 또는 전류 레벨들은 상기 접촉 지점의 위치에 대응하는 구 좌표들을 결정하고 상기 저항 요소와 관련한 상기 전기자의 회전각을 결정하는데 사용된다. 슬라이드 가능한 핸들이 상기 전기자의 스템에 더 제공될 수 있다. 상기 슬라이드 가능한 핸들은 상기 전기자의 스템에 위치한 저항 요소와 접촉하기 위한 센서를 포함한다. 전원 전압 또는 전류는 상기 저항 요소에 인가되고 상기 핸들 센서는 상기 핸들 센서와 상기 저항 요소 사이의 접촉 지점에서 전압 또는 전류 레벨을 감지한다. 그다음 상기 전압 또는 전류 레벨은 상기 핸들의 고도에 대응하는, 상기 스템과 관련한 상기 핸들의 위치를 결정하는데 사용될 수 있다.
다축, 전위차계, 구, 접점, 핸들, 전기자

Description

다축 전위차계{Multi-axis potentiometer}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다축 전위차계의 개략적인 투시도이다.
도 2는 전기 접점들과 저항 요소 간의 교통을 더 명백히 보여주기 위하여 단면으로 도시된, 도 1의 다축 전위차계의 개략적인 측면 입면도이다.
도 3은 전기 접점 쌍들 간의 전압(또는 전류) 등전위들을 도해한, 도 1의 다축 전위차계의 반구 저항 요소의 개략적인 상면도이다.
도 4는 슬라이딩 핸들의 구성을 도시한, 도 1의 다축 전위차계의 액추에이터의 슬라이딩 핸들의 개략적인 확대 절단 측면 입면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 태양에 의한, 도 1의 전위차계로부터 전기 신호들을 수신하고 변환하기 위한 컴퓨터 및 컴퓨터로 독출가능한 매체를 도해한 블록도이다.
본 발명은 일반적으로 액추에이터의 물리적인 이동을 감지하는데 사용하기 위한 그리고 상기 물리적인 이동이 컴퓨터에 의해 공간 좌표로 번역될 수 있는 아 날로그 신호들로 변환하기 위한 전위차계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 조이스틱 또는 마우스와 같은 컴퓨터 포인팅 또는 제어 장치, 또는 인체 해부 모형 조인트에서 사용될 수 있는 전위차계에 관한 것이다.
전통적으로, 조이스틱들은 상대적인 이동을 측정하고 중심점으로부터 조이스틱 액추에이터의 공간적인 위치를 결정하기 위해 표준 단축 전위차계들을 사용한다. 특히, 종래의 조이스틱에 있어서, 하나의 축(즉, X 축)을 따라 형성된 제1 전위차계는 상기 축만을 따라서 상기 조이스틱 액추에이터의 이동과 위치를 측정한다. 개별 전위차계가 상기 축을 따라 상기 조이스틱 액추에이터의 이동과 위치를 측정하기 위해 제2 축(즉, Y 축)을 따라 형성된다. 또한, 제3 전위차계가 제3 축(즉, Z 축)을 따라 이동과 위치를 측정하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 다수의 전위차계들이 상기 조이스틱 액추에이터의 위치에 대응하는 공간 좌표들(X, Y, Z)을 결정하기 위해 요구된다. 종래의 조이스틱들은 일반적으로 상기 조이스틱 액추에이터의 회전각을 측정할 수 없으며, 그러한 능력이 제공될 때, 상기 조이스틱은 또 다른 전위차계의 사용을 필요로 한다.
일반적으로, 종래의 컴퓨터 마우스는 전위차계들을 포함하지 않는다. 그대신 광학 인코더들이 상기 마우스의 X:Y 좌표 위치를 측정하는데 사용된다. 현재의 마우스들은 광학적으로 독출되는 회전 스트로브 휠들(rotating strobe wheels)을 사용한다. 구형 마우스들은 상기 마우스내의 광 센서들에 의해 직접 독출되는 프린트된 라인들을 가진 특정 광학 패드를 사용했다. 비교적 새로운 힘-감지 저항에 기반한 마우스들은 마우스 위치를 결정하기 위하여 소형 X:Y 조이스틱들을 사용한다. 상기 장치들은 압력에 따라 저항이 변하는 박막 힘 센서를 채용한다. 상기 조이스틱은 단지 힘에만 반응하고, 이동하지 않는다. 상기 힘-감지 저항 마우스를 제외하면, 컴퓨터 마우스는 일반적으로 고정 중심점이 없기 때문에 상기 마우스의 상대적인 위치를 결정할 수 없다. 종래의 컴퓨터 마우스에 있어서, 볼은 상기 마우스 하우징내에 포함된 2개의 스트로브 휠들과 접촉한다. 각 스트로브 휠은 상기 하우징내에 회전가능하게 장착되고 광학 인코더와 통신한다. 각 인코더는 단일 축(즉, X 축 또는 Y 축)을 따른 이동을 검출한다. 상기 마우스가 이동할 때, 상기 볼과 표면(즉, 마우스 패드 또는 책상) 사이의 마찰은 상기 볼을 회전시킨다. 차례로 상기 볼의 회전은 상기 스트로브 휠들 각각을 어떤 방향으로 그리고 상기 방향에 의존하는 양과 마우스 이동량으로 회전시킨다. 제1 인코더는 상기 제1 스트로브 휠의 회전을 검출하고 상기 방향과 회전량에 근거하여 전기 신호를 발생시킨다. 제2 인코더는 상기 제2 스트로브 휠의 회전을 검출하고 상기 스트로브 휠의 방향과 회전량에 근거하여 전기 신호를 발생시킨다. 그다음 상기 전기 신호들은 상기 마우스의 방향과 물리적인 이동량에 비례하는, X 축 및 Y 축 변위 데이터로의 번역을 위해 컴퓨터로 송신된다. 그다음 상기 변위 데이터는 스크린 포인터를 제어하거나 다른 바라던 컴퓨터 동작들을 수행하는데 사용될 수 있다. 종래의 컴퓨터 마우스들은 일반적으로 X, Y 평면을 따른 이동만을 측정할 수 있고, 게다가 상기 마우스의 각 이동(angular movement)을 검출할 수 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 적은 수의 이동 부품을 사용하여 복수 축의 좌표들을 용이하게 제공할 수 있는, 다축 전위차계를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 접촉 지점의 위치에 대응하는 전기 신호들을 용이하게 발생시킬 수 있는, 전기 신호 발생 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 핸들의 고도에 대응하는 전기 신호를 용이하게 발생시킬 수 있는, 전기 신호 발생 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 내면을 따라 위치한 저항 요소를 구비한 셸로서, 상기 저항 요소에는 전원 전압 또는 전류가 공급되는 셸; 및 접촉 아암의 말단에 위치한 전기 센서를 포함하며, 상기 전기 센서는 접촉 지점에서 상기 셸의 상기 저항 요소와 접촉하도록 정해지고 상기 접촉 지점에서 전압 또는 전류를 감지하도록 정해지며, 상기 감지된 전압 또는 전류는 상기 접촉 지점의 위치에 대응하는 것을 특징으로 하는 전위차계를 제공한다.
바람직하기로는, 상기 셸은 반구 셸이고, 상기 전위차계는 상기 저항 요소를 따라 상기 접촉 지점들과의 상기 전기 센서의 가동 체결을 허용하도록 형성된 전기자를 더 포함한다.
또한, 상기 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 저항 요소 상의 접촉 지점의 위치에 대응하는 전기 신호들을 발생시키는 방법에 있어서, 반구 저항 요소를 가로질러 전압 또는 전류를 공급하는 단계; 상기 저항 요소 상의 제1 접촉 지점에서 전압 또는 전류 레벨을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 전압 또는 전류 레벨 을 상기 제1 접촉 지점의 위치에 대응하는 전기 신호로 변환하는 단계를 포함하는 전기 신호 발생 방법을 제공한다.
바람직하기로는, 상기 전압 또는 전류 레벨을 상기 제1 접촉 지점의 위치에 대응하는 전기 신호로 변환하는 단계는, 상기 전압 또는 전류 레벨을 상기 제1 접촉 지점의 위치에 대응하는 좌표들을 나타내는 하나 이상의 전기 신호들로 변환하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 또 다른 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 핸들의 고도에 대응하는 전기 신호를 발생시키는 방법에 있어서, 스템 상의 저항 요소를 가로질러 전원 전압 또는 전류를 공급하는 단계; 상기 핸들과 상기 스템 사이의 접촉 지점에서 전압 또는 전류 레벨을 검출하는 단계로서, 상기 핸들은 상기 스템에 가동적으로 장착되고, 상기 접촉 지점의 위치는 상기 핸들의 고도에 대응하는, 검출 단계; 및 상기 접촉 지점에서의 전압 또는 전류 레벨을 상기 핸들의 고도를 나타내는 전기 신호로 변환하는 단계를 포함하는 전기 신호 발생 방법을 제공한다.
바람직하기로는, 상기 접촉 지점에서의 전압 또는 전류 레벨을 전기 신호로 변환하는 단계는, 상기 전압 또는 전류 레벨에 대응하는 전기 신호를 수신하고 상기 핸들의 고도를 나타내는 상기 전기 신호를 생성하기 위하여 컴퓨터를 사용하는 단계를 더 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 몇몇 축들을 따라 액추에이터 위치를 결정할 수 있는 전위차계를 도해한 것이다. 상기 도면들은 일정한 비례로 그려지지는 않지만 본 발명에 의한 장치의 일반적인 구성구성을 도해한 것이다. 대부분 저항 요소들(14)은 반구 셸 요소(12, semi-spherical shell element)의 케이스가 될 것이지만, 상기 저항 요소들(14)은 크기가 1인치 보다 크지 않다. 장난감을 위한 바람직한 실시예는 엄지 손가락과 검지 손가락을 위해 설계된 매우 작은 핸들을 사용할 것이다. 전형적으로 표준 사이즈의 조이스틱들은 전체 손으로 쥐기 위해 4인치 내지 6인치 높이의 핸들을 사용하지만, 미세 모터 제어를 위해 (특히 Z 축 상에) 엄지 손가락과 검지 손가락에 의해 쥐어지는 작은 핸들은 모두 더 인간공학적이고 더 정확한 결과들을 생성할 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다축 전위차계(10)는, 속이 빈, 반구 셸(12)과 액추에이터(20)를 포함한다. 카본, 플라스틱, 세라믹 또는 금속 필름과 같은 얇은, 저항 요소(14)가 상기 속인 빈 셸(12)의 내부에 부착된다. 커버(16)는 상기 반구 셸(12)의 개구부 위에 위치한다. 상기 액추에이터(20)는 볼조인트 전기자(22)를 포함하는데, 상기 볼조인트 전기자(22)는 상기 커버(16)의 볼조인트 용기(18)내에 마련된 볼조인트(24)를 구비한다. 접촉 아암(26)은 상기 볼조인트(24)로부터 상기 구 셸(12)의 저항 요소(14)쪽으로 신장한다. 2개의 전기 센서들(30, 30A)이 상기 접촉 아암(26)의 접촉 말단(26A)에 위치한다. 상기 접촉 아암(26)의 접촉 말단(26A)은 상기 저항 요소(14)와 접촉하도록 배열된다. 슬라이딩 핸들(40)은 상기 볼조인트 전기자(22)의 스템(28, stem) 상에 위치한다. 상기 스템(28)은 상기 볼조인트(24)로부터 상기 접촉 아암(26)의 방향과 실질적으로 반대 방향으로 신장한다.
상기한 바와 같이, 몇몇 필름들이 상기 저항 요소(14)를 제공하는데 사용될 수 있다. 카본 필름은 가장 싼 저항 필름이고, 광범위한 저항에서 이용가능하며, 상기 셸의 오목면에 용이하게 적용될 수 있다. 그러나, 불행하게도, 카본 필름은 다소 시끄럽고 닳기 쉽다. 또한 플라스틱 필름이 사용될 수 있지만 카본 필름보다 더 비싸다. 카본 필름과 같이, 플라스틱 필름은 복잡한 굴곡에 적용될 수 있다. 또한, 플라스틱 필름은 상기 전위차계 물질들 중 가장 적은 잡음을 낸다. 세라믹은 비싼 저항 필름이다. 그러나, 세라믹 필름은 또한 가장 신뢰할 수 있고, 종종 군사 장비에 바람직하다. 상기 전위차계가 회전중일 때 상기 세락믹 필름이 다소 시끄러울지라도, 정지해 있을 때에는 조용하다. 불행하게도, 세라믹은 복잡한 굴곡에 적용하기 어렵다. 벌크 금속 필름은 다른 아주 비싼 저항 필름이고 전형적으로 저 잡음이 가장 중요한 매우 낮은 전압 범위에서 사용되는 전위차계들에 준비된다. 벌크 금속 필름은 광범위한 저항에서 이용가능하지 않고 전형적으로 평평한 면들에만 적용되며, 또한 제조하기 어렵다.
본 실시예에서 상기 저항 요소들(14, 42)을 위한 2개의 바람직한 물질들은 각각 플라스틱 필름과 카본 필름이다. 플라스틱 필름은 합당하게 싸고 곡면들에 적용될 수 있으며 사용가능한 저항 범위들에서 이용가능하기 때문에 상기 구 곡선 저항 요소(14)를 위해 선호된다. 카본 필름은, 비용이 조이스틱에서 매우 중요한 요소이고 상기 필름의 신뢰성이 그다지 필요하지 않기 때문에 상기 슬라이딩 핸들 저항 요소(42)를 위해 선호된다.
도 3은 접점 쌍들(50, 60)에서의 제1 및 제2 접점들(52, 52A, 62, 62A) 사이 의 전압(또는 전류) 등전위들을 보여주는, 도 1의 다축 전위차계의 상기 저항 요소(14)의 개략적인 상면도이다. 도 3을 부가적으로 참조하면, 제1 전기 접점 쌍(50)은, 상기 셸(12)의 개구부 근처에, 상기 셸(12)의 반대 면들 상의 상기 저항 요소(14) 상에 배치된, 각각 제1 및 제2 전기 접점들(52, 52A)을 구비하여 배열된다. 더욱이 상기 제1 및 제2 전기 접점 쌍들(50, 60)은, 상기 제1 접점 쌍(50)의 상기 제1 및 제2 접점들(52, 52A) 사이에 그려진 가상 라인(54)이 상기 제2 접점 쌍의 제1 및 제2 접점들(62, 62A) 사이에 그려진 가상 라인(64)과 상기 구 셸(12)의 중심에서 수직으로 교차하도록 배열된다.
도 4는 상기 볼조인트 전기자(22)의 스템(28)에 부착된 상기 슬라이딩 핸들(40)의 개략적인 분해 측면 입면도이다. 도 4를 참조하면, 상기 슬라이딩 핸들(40)은 제4 좌표인, 고도(ρ)의 계산을 허용한다. 전기 센서(42)는 상기 핸들(40)의 내면을 따라 위치하고 상기 스템(28)에 위치한 저항 요소(44)와 접촉한다. 상기 액추에이터(20)의 전기 접점 쌍(46)은 상기 저항 요소(44)의 마주보는 말단들에 위치한 제1 및 제2 전기 접점들(48, 48A)을 포함한다. 상기 제2 전기 접점(48A)은 상기 볼조인트에 더 가까운 상기 저항 요소(44)에 위치하고, 반면에 상기 제1 전기 접점(48)은 상기 저항 요소(44)의 마주보는 말단 상에 고정된 위치로 위치한다. 상기 핸들(40)의 슬라이딩 이동을 여전히 허용하면서, 스플라인(49, spline)과 홈(49A)이 상기 스템(28)에 관하여 상기 핸들(40)의 회전을 방지하기 위하여 상기 핸들(40)과 상기 스템(28) 사이에 제공된다.
동작에 있어서, 상기 핸들(40)은 상기 스템(28)에 슬라이드 가능하게 장착되 므로 상기 스템(28)을 따라 세로 방향으로 이동할 수 있다. 상기 핸들(40)의 전기 센서(42)는 상기 스템의 전기 접점 쌍(46)의 제1 및 제2 접점들(48, 48A) 사이의 접촉 지점에서 상기 저항 요소(44)와 접촉한다. 전압(또는 전류)이 상기 제1 전기 접점(48)에 제공되고, 반면에 상기 제2 접점(48A)은 접지에 부착되거나 또는 전원에 접속되지 않도록 허용된다. 상기 핸들(40)의 전기 센서(42)는 상기 접촉 지점에서 전압(또는 전류)의 양을 감지한다. 이런 방법으로 전압 또는 전류 등전위들이 예측가능하게 위치에 따라 변하는 상기 저항 요소(44)를 따라 공급되고, 따라서, 상기 감지된 전압(또는 전류)은 상기 스템(28)을 따른 상기 슬라이딩 핸들(40)의 위치, 따라서, 상기 고도 좌표(ρ)를 계산하는데 사용될 수 있다.
동작에 있어서, 상기 전기 센서들(30, 30A, 52, 52A, 62, 62A)은, 상기 접촉 아암(26)의 접촉 말단(26A)과 상기 구 셸(12)의 저항 요소(14) 사이의 접점의 위치 및 각을 결정하는데 사용된다. 이것을 달성하기 위하여, 전원 전압(또는 전류)이 상기 제1 및 제2 접점 쌍들(50, 60) 각각의 제1 전기 접점들(52, 62)에 인가된다. 상기 접점 쌍들(50, 60) 각각의 제2 전기 접점들(52A, 62A)은 접지에 부착되거나 또는 전원이 연결되지 않은채 남겨질 수 있다. 상기 접촉 아암(26)상의 센서들(30, 30A)은 상기 저항 요소(14)를 따라 상기 접촉 지점에서 전압(또는 전류)을 감지하는데 사용되고, 그것에 의해 상기 접촉 지점의 위치를 결정한다.
도 3에 대시 라인들(dashed lines)로 도해된 바와 같이, 전력이 공급될 때, 상기 접점 쌍들(50, 60)은 상기 저항 요소(14)를 따라 전압 또는 전류 등전위들을 생성한다. 동작에 있어서, 상기 접점 쌍들(50, 60)은, 단지 한 세트의 전압 또는 전류 등전위들이 어떤 주어진 시간에 상기 저항 요소에 존재하도록 전력이 교대로 공급된다. 각 접점 쌍(50, 60)에 의해 발생된 상기 전압 또는 전류 등전위들은 상기 접촉 아암(26)의 상기 접촉 말단(26A)에서의 센서들(30, 30A)에 의해 감지된다. 상기 전압 또는 전류는 상기 저항 요소(14)를 따라 각 접점 쌍(50, 60)의 접점들 사이에서 예측적으로 변하기 때문에, 상기 2개의 접점 쌍들(50, 60)에 대한 상기 감지된 전압 또는 전류는 상기 아암(26)의 접촉 말단(26A)과 상기 저항 요소(14) 사이의 접촉 지점의 위치에 대응하는 구 좌표들(위도(Φ) 및 경도(θ))를 계산하는데 용이하게 사용될 수 있다. 더욱이, 상기 접촉 말단(26A) 상의 2개의 분리된 감지 센서들(30, 30A)의 사용은 각 센서(30, 30A)에 의해 감지된 전압 또는 전류 측정치들을 비교함으로써 상기 볼조인트 전기자(22)의 각(angular) 위치(또는 회전각(ω))의 계산을 허용한다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다축 전위차계는 4개의 좌표들(φ, θ, ρ, ω)의 측정치들을 제공하기 위하여, 상기 볼조인트 전기자(22)와 상기 슬라이딩 핸들(40), 단지 2개의 이동 부품들을 사용한다. 도 5를 참조하면, 마이크로컴퓨터 또는 개인용 컴퓨터(100)가 상기 구 좌표들(φ, θ)에 대응하는 비선형 저항들을 측정하기 위하여 상기 접촉 스위칭을 수행하는데 사용될 수 있고, 상기 구 좌표들을 수신하여 평면 좌표들(X, Y)로 변환하는데 사용될 수 있다. 또한, 상기 마이크로컴퓨터 또는 개인용 컴퓨터(100)는 상기 고도(ρ)를 평면 좌표(Z)로 직접 맵핑하고 회전각(ω)을 회전의 평면각(
Figure 112001021778943-pat00001
)으로 맵핑하는데 사용될 수 있다. 상기 센서들의 위치 및 지점에 대응하는 전기 신호들(90)은 상기 전 위차계(10)로부터 상기 컴퓨터(100)로 전송된다. 컴퓨터로 독출가능한 매체(110)는 상기 컴퓨터(100)에게 상기 전기 신호들(90)을 바라던 좌표들로 변환시키도록 명령하는 명령들(120)을 포함한다.
당업자에게 쉽사리 명백해야 하는 바와 같이, 본 발명은 액추에이터의 이동에 근거한 공간 좌표들의 결정을 필요로 하는 어떤 형태의 장치에도 유용하다. 상기 장치들은 예를 들어, 조이스틱들, 컴퓨터 마우스들, 인체 해부 모형 조인트들 또는 그중에서도 특히, 컴퓨터들 또는 위치 센서들을 위한 다른 형태의 포인팅 장치들을 포함할지도 모른다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 본 발명의 원리들이 설명되고 예증되었을지라도, 본 발명이 상기 원리들로부터 벗어나지 않고 장치와 상세에서 변경될 수 있다는 것은 또한 명백해야 한다. 모든 변경 및 변형들은 다음 청구항들의 사상과 범위내에 있다.
본 발명에 의한 다축 전위차계는, 적은 수의 가동 부품을 사용하여 다수 축의 좌표들을 용이하게 제공할 수 있고, 본 발명에 의한 전기 신호 발생 방법은, 접촉 지점의 위치에 대응하는 전기 신호들을 용이하게 발생시킬 수 있으며, 핸들의 고도에 대응하는 전기 신호를 용이하게 발생시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 내면을 따라 위치한 저항 요소를 구비한 셸로서, 상기 저항 요소에는 전원 전압 또는 전류가 공급되는 셸; 및
    접촉 아암의 말단에 위치한 전기 센서를 포함하며, 상기 전기 센서는 접촉 지점에서 상기 셸의 상기 저항 요소와 접촉하도록 정해지고 상기 접촉 지점에서 전압 또는 전류를 감지하도록 정해지며, 상기 감지된 전압 또는 전류는 상기 접촉 지점의 위치에 대응하는 것을 특징으로 하는 전위차계.
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