KR100897694B1 - 포인팅 디바이스 - Google Patents

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조나흐 하레이
로버트 에드워드 윌슨
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아바고 테크놀로지스 제너럴 아이피 (싱가포르) 피티이 리미티드
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Abstract

본 명세서에서는 변위형 포인팅 디바이스 내의 캐패시티브 감지 시스템과 방법이 개시되었다. 일 측면에서, 포인팅 디바이스는 감지 전극 구조체와 변위가능한 부재를 포함한다. 감지 전극 구조체는 중심 감지 전극을 둘러싸는 주변 영역 내의 주변 감지 전극의 배치를 포함한다. 변위가능한 부재는 감지 전극 구조체 위의 동작 구역 내에서 이동가능하다. 변위가능한 부재는 감지 전극과 대향하는 타겟 전극을 포함하고 동작 구역 내의 변위가능한 부재의 각 위치에서 중심 감지 전극의 적어도 일부분에 오버랩된다.

Description

포인팅 디바이스{CAPACITIVE SENSING IN DISPLACEMENT TYPE POINTING DEVICES}
도 1은 예시적인 동작 환경에서 변위가능한 부재, 감지 시스템, 측정 시스템 및 프로세싱 시스템을 포함하는 포인팅 디바이스의 실시예를 도시한 도면.
도 2a는 도 1에 도시된 포인팅 디바이스의 실시예의 평면도.
도 2b는 라인 2B-2B에 따라 얻은 도 2a에 도시된 포인팅 디바이스의 단면도.
도 3a 및 3b는 도 1에 도시된 감지 시스템의 감지 전극 구조체의 실시예 위의 서로 다른 각 위치에서 가상으로 도시된 타겟 전극의 실시예의 평면도.
도 4a는 변위가능한 전극을 구비하는 타겟 전극의 실시예를 포함하는 도 1의 포인팅 디바이스의 실시예를 도시한 단면도.
도 4b는 변위가능한 전극이 사용자의 손가락에 의해 인가된 힘에 응답하여 감지 시스템에 대해 이동되는 도 4a에 도시된 포인팅 디바이스의 단면도.
도 5a 및 5b는 각각 변위가능한 전극을 포함하는 중심 타겟 전극 구조체 둘레에 주변 타켓 전극 구조체를 포함하는 타겟 전극의 실시예의 상면도 및 하면도.
도 6a는 변위가능한 전극을 구비하는 탄력 있는 타켓 전극의 실시예를 포함하는 도 1의 포인팅 디바이스의 실시예의 단면도.
도 6b는 내부의 타겟 전극이 감지 시스템의 표면 영역에 따르도록 변형되는 도 6a에 도시된 포인팅 디바이스의 단면도.
도 6c는 내부의 변위가능한 전극이 사용자의 손가락에 의해 인가된 힘에 응답하여 감지 시스템에 대해 이동되는 도 6b에 도시된 포인팅 디바이스의 단면도.
도 7은 변위가능한 전극을 구비하는 중심 타겟 전극 구조체를 둘레의 주변 영역 내에 적합한 개별적인 영역을 구비하는 주변 타겟 전극 구조체를 포함하는 타겟 전극의 실시예의 하면도.
도 8a 및 8b는 각각 도 1에 도시된 변위가능한 부재의 실시예의 확장도 및 단면도.
도 9a는 도 3a 및 3b에 도시된 감지 전극 구조체의 실시예 위에 포개진 2차원 좌표 시스템의 평면도.
도 9b는 중심 감지 전극을 둘러싸는 세 개의 주변 감지 전극을 포함하는 감지 전극 구조체의 실시예의 평면도.
도 10은 도 3a 및 3b에 도시된 타겟 전극 및 감지 전극 구조체의 등가 회로에 전기적으로 접속된 프로세싱 시스템 및 측정 회로의 블록도.
도 11은 도 1에 도시된 측정 회로의 실시예의 회로도.
도 12는 도 3a 및 3b에 도시된 타겟 전극 및 감지 전극 구조체 양단에 입력 신호를 인가함으로써 측정값을 획득하는 방법의 실시예의 순서도.
도 13은 도 12의 방법에 따라 생성된 측정값으로부터 디스플레이 제어 신호를 생성하는 방법의 실시예의 순서도.
도 14는 도 12의 방법에 따른 측정 사이클 동안 측정된 총 캐패시턴스를 시 간의 함수로 도시한 그래프.
본 발명은 2004년 11월 24일 출원된 계류 중인 미국 특허출원 10/723,957인, Jonah Harley 외 다수에 의한, 발명의 명칭 "COMPACT POINTING DEVICE"에 관한 것으로 이것은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
서로 다른 다양한 유형의 포인팅 디바이스들이 기계에 명령을 입력하도록 개발되어왔다. 예를 들어, 컴퓨터 마우스, 조이스틱, 트랙볼, 터치패드 및 키보드와 같은 수조종되는 포인팅 디바이스가 포인팅 디바이스를 조종함으로써 컴퓨터 내에 지시를 입력하는 데에 흔히 사용된다. 이러한 포인팅 디바이스들은 컴퓨터 스크린을 가로지르는 커서(즉, 가상 포인터)의 움직임을 제어하도록 하여 컴퓨터 스크린 상에 디스플레이된 아이콘 또는 다른 가상의 항목을 선택하거나 또는 이동시키고 서로 다른 입력 명령에 상응하는 메뉴 아이템을 여닫는다.
포인팅 디바이스는 고정적인 데스크탑 컴퓨터와 같은 큰 전자 디바이스와, 휴대폰 및 이동성 컴퓨터 시스템과 같은 작은 휴대용 전자 디바이스에 대해 개발되어 왔다. 전형적으로 큰 전자 디바이스에서의 포인팅 디바이스는 보다 넓은 공간과 입수가능한 보다 많은 전력 리소스를 갖기 때문에 휴대용 전자 디바이스에서의 포인팅 디바이스보다 설계에 대한 제약이 낮고 유연성 있다. 일반적으로, 휴대용 전 자 디바이스에서 사용하는 포인팅 디바이스는 사용자가 커서를 빠르고 정확하게 움직이고, 직관적으로 동작하며, 제한된 작용공간과 전력의 제약 내에서 동작하도록 해야한다.
변위형 포인팅 디바이스(displacement type pointing devices)는 휴대용 전자 디바이스에서의 본질적인 제약을 만족시키도록 개발되어왔다. 이러한 유형의 포인팅 디바이스는 예를 들어, 사용자의 손가락에 의한 힘의 적용에 따라 정의되는 동작 필드 내에서 움직이는 변위가능한 부재(예를 들어, 퍽(puck), 버튼 또는 다른 이동가능한 바디)를 포함한다. 사용자가 변위가능한 부재를 해제시킬 때, 복원 메커니즘(예를 들어, 스프링의 셋)은 일반적으로 변위가능한 부재를 동작 필드 내의 중심 위치로 복귀시킨다. 위치 센서는 변위가능한 부재의 변위를 동작 필드 내에서 결정하고 일반적으로 변위가능한 부재의 변위를 커서의 속도로 맵핑한다(maps). 위치 맵핑 시스템은 일반적으로 복원 메커니즘이 변위가능한 부재를 동작 필드의 중심 위치로 복귀시킨 후 커서의 위치를 디스플레이 상에 고정시킨다.
전형적인 변위형 포인팅 디바이스에서, 변위가능한 부재는 x-y 평면 내에서 지시되는 횡방향 힘에 응답하여 2차원 이동한다. 변위가능한 부재의 2차원 이동은 디스플레이 상의 커서의 2차원 동작으로 맵핑된다. 횡방향 힘에 응답하는 것에 추가하여, 변위형 포인팅 디바이스는 종종 x-y 평면에 수직하는 z-축을 따라 변위가능한 부재에 인가되는 수직의 또는 z-축의 힘을 검출하는 기능성을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 z-축 방향의 힘은, 예를 들어 디스플레이 상에 존재하는 대상의 선택을 제어하거나 또는 디스플레이 상에 그어지는 가상 라인의 폭을 제어하는 신호 를 생성하는 데에 사용될 수 있다.
횡방향 뿐 아니라 수직 방향에서 변위가능한 부재에 인가되는 사용자 입력을 높은 정확도로 검출할 수 있는 변위형 포인팅 디바이스 및 방법이 필요하다.
일 측면에서, 본 발명은 감지 전극 구조체 및 변위가능한 부재를 포함하는 포인팅 디바이스를 특징으로 갖는다. 감지 전극 구조체는 중심 감지 전극을 둘러싸는 주변 영역 내의 주변 감지 전극 배치를 포함한다. 변위가능한 부재는 감지 전극 구조체 위의 동작 구역 내에서 이동가능하다. 변위가능한 부재는 감지 전극와 대향하고 적어도 중심 감지 전극의 각 일부분에 오버랩되는 타겟 전극을 포함하며, 이때 변위가능한 부재의 각 위치는 동작 구역 내에 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 도면과 특허청구범위를 포함하는 하기의 설명으로부터 명백해질 것이다.
하기의 설명에서, 동일한 소자를 구분하는 데에 동일한 참조 번호가 사용되었다. 또한, 도면은 예시적인 실시예의 주요 특성을 개략적으로 도시한다. 도면은 실제 실시예의 모든 특성을 도시하는 것은 아니며 도시된 소자의 상대적인 길이는 실제 축적대로 도시되지 않았다.
Ⅰ. 도입
하기에 상세하게 기술된 실시예는 변위가능한 부재의 위치의 캐패시티브 감지를 포함하는 변위형 포인팅 디바이스 및 방법을 제공하며 이것은 의도치 않은 경사력(tilt forces) 및 캐패시티브 감지 구조체 양단의 다른 의도치 않은 갭 변화에 대해 보상한다. 또한 이러한 실시예의 일부는 횡방향 뿐 아니라 수직 방향에서 변위가능한 부재에 인가된 사용자 입력을 높은 정확도로 검출할 수 있다. 특히, 이러한 실시예의 일부는 횡방향 측정과 수직 측정 사이의 실질적인 혼선(crosstalk) 없이 3차원에서 변위가능한 부재의 힘-유도 변위를 측정할 수 있다. 이러한 측정은 변위가능한 부재에 대한 어떠한 유선 전기 접속 없이도 가능하다. 또한, 이러한 측정은 동작 구역 내의 전 범위에 걸친 변위가능한 부재의 횡방향 이동에 대해 가능하다.
Ⅱ. 개요
도 1은 변위가능한 부재(12), 감지 시스템(14), 측정 시스템(16) 및 프로세싱 시스템(18)을 포함하는 변위형 포인팅 디바이스(a displacement type pointing device)(10)의 실시예를 도시한다. 포인팅 디바이스(10)는 디스플레이(24)를 구동하는 디스플레이 제어 신호(20)를 디스플레이 컨트롤러(22)로 출력한다.
변위가능한 부재(12)는 퍽, 버튼 또는 다른 이동 가능한 바디에 의해 구현될 수 있다. 변위가능한 부재(12)는 정의된 동작 필드 내에서 이동 가능하며, 본 명세서에서는 이 필드를 "동작 구역(operational zone)"이라 칭한다. 동작의 예시적인 일 모드에서, 사용자의 손가락(26)은 변위가능한 부재를 동작 구역 내에서 조정한다. 변위가능한 부재(12)는 전형적으로 변위가능한 부재(12)에 인가되는 외력이 없을 때 복원 메커니즘에 의해 동작 구역 내의 중심에 다시 위치한다. 복원 메커니즘은 변위가능한 부재를 동작 구역의 중심부로 유도하는 하나 이상의 탄력있는 구조체(예를 들어, 스프링 또는 탄력성 소자)에 의해 구현될 수 있다.
하기에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 변위가능한 부재(12)는 타겟 전극을 포함하고 감지 시스템(14)은 복수의 감지 전극을 구비하는 감지 전극 구조체를 포함한다. 일부 실시예에서, 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 각 위치에서, 타겟 전극은 중심 감지 전극의 적어도 각 부분에서 오버랩되며 감지 전극은 타겟 전극과 완전히 오버랩되는 감지 영역을 가로질러 연장한다. 타겟 전극은 측정 시스템(16)에 의해 감지 전극 구조체의 각 전극 쌍들의 양단에 인가되는 입력 신호(28)를 용량성으로 연결한다. 인가된 입력 신호(28)에 응답하여, 감지 전극 구조체는 사용자의 손가락(26)에 의한 변위가능한 부재(12)의 접촉 및 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 서로 다른 위치에 반응하는 감지 신호(30)를 생성한다.
측정 시스템(16)은 감지 시스템(14)에 입력 신호(28)를 인가하고 결과적인 감지 신호(30)로부터 측정값(32)을 생성한다. 측정값(32)은 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 서로 다른 횡방향 위치와 변위가능한 부재(12)에 인가된 수직 힘을 나타낸다. 이러한 방법으로, 측정 시스템(16)은 변위가능한 부재(12)가 디스플레이-기반 선택을 위해 접촉되거나 또는 압박된 시점을 검출할 수 있다. 또한, 측정 시스템(16)은 동작 구역 내에서 변위가능한 부재(12)의 전류 위치를 검출할 수 있다. 감지 시스템(16)에 의해 생성된 측정 신호(32)는 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 전류 위치를 직접 전달하거나 또는 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 전류 위치가 유도될 수 있는 정보를 전달한다.
프로세싱 시스템(18)은 측정 신호(32)를 디스플레이 제어 신호(20)로 번역한다. 이러한 프로세스에서, 프로세싱 시스템(18)은 측정 신호(32)로부터 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 전류 위치를 판단한다. 프로세싱 시스템(18)은 또한 변위가능한 부재(12)가 사용자의 손가락(26)과 접촉하는 인-콘택트(in-contact) 기간을 판단한다. 프로세싱 시스템(18)에 의해 생성될 수 있는 디스플레이 제어 신호(20)의 예시적인 유형은, 동작 구역 내의 변위가능한 부재(12)의 위치를 기술하는 위치 데이터(예를 들어, 동작 구역의 원점에 중심을 둔 좌표 시스템 내의 거리 및 방향), 커서의 위치와 속도 데이터 및 스크롤링(scrolling) 위치와 속도 데이터를 포함한다. 일반적으로, 프로세싱 시스템(18)은 임의의 특정 하드웨어, 펌웨어, 또는 소프트웨어 구성으로 제한되지 않는 하나 이상의 개별적인 모듈에 의해 구현될 수 있다. 하나 이상의 모듈은 디지털 전자 회로소자(예를 들어, 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 애플리케이션-특정 집적 회로) 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 디바이스 드라이버 또는 소프트웨어를 포함하는 임의의 컴퓨팅 또는 데이터 프로세싱 환경에서 구현될 수 있다.
디스플레이 컨트롤러(22)는 디스플레이 제어 신호(20)를 생산하여 디스플레이(24) 상에서의 포인터(34)의 이동을 제어한다. 디스플레이 컨트롤러(22)는 전형적으로 드라이버를 실행시켜 디스플레이 제어 신호(20)를 생산한다. 일반적으로, 드라이버는 디지털 전자 회로소자 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어 또는 소프트웨어를 포함하는 임의의 컴퓨팅 또는 프로세싱 환경일 수 있다. 일부 실시예에서, 드라이버는 동작 시스템 또는 애플리케이션 프로그램의 구성 요소이다.
디스플레이(24)는, 예를 들어 LCD(liquid crystal display: 액정 디스플레이), 플라스마 디스플레이, EL 디스플레이(electro-luminescent display: 전자-발광 디스플레이) 및 FED(field emission display: 전계 방출 디스플레이)와 같은, 플랫 패널 디스플레이일 수 있다.
일부 실시예에서, 포인팅 디바이스(10) 및 디스플레이(24)는 휴대용(예를 들어, 핸드헬드(handheld)) 전자 디바이스와 같은 하나의 단일 디바이스로 집적된다. 휴대용 전자 디바이스는 사람에 의해 쉽게 이동될 수 있는 임의의 유형의 디바이스일 수 있으며, 이것은 휴대폰, 전지식 전화기, 삐삐, PDA(a personal digital assistant), 디지털 오디오 플레이어, 디지털 카메라 및 디지털 비디오 게임 콘솔을 포함한다. 다른 실시예에서, 포인팅 디바이스(10) 및 디스플레이(24)는 개별적인 포인팅 디바이스 및 원격 디스플레이-기반 시스템과 같은 개별적인 분리된 디바이스로서 구현된다. 일반적으로, 원격 시스템은 일반적인 목적의 컴퓨터 시스템, 특정 목적의 컴퓨터 시스템 및 비디오 게임 시스템을 포함하는, 사용자 입력을 수신하는 임의의 유형의 디스플레이 기반 장치일 수 있다. 디스플레이 제어 신호(20)는 유선 통신 링크(예를 들어, RS-232 시리얼 포트, 유니버설 시리얼 버스 또는 PS/2 포트와 같은 시리얼 통신 링크) 또는 무선 통신 링크(예를 들어, 적외(IR) 무선 링크 또는 무선 주파수(RF) 무선 링크) 상의 원격 시스템으로 전달될 수 있다.
Ⅲ. 예시적인 감지 시스템 실시예
도 2a는 포인팅 디바이스(10)의 예시적인 실시예(40)의 평면도를 도시한다. 도 2b는 라인 2B-2B를 따라 취한 포인팅 디바이스(40)의 단면도를 도시한다. 포인팅 디바이스(40)에서, 변위가능한 부재(12)는 퍽(42)에 의해 구현된다. 퍽(42)은 지지 프레임(46)의 벽(45)에 의해 정의되는 동작 구역(44) 내에서 이동 가능하다. 일반적으로, 동작 구역은 (도시된 바와 같은) 원형 및 다각형(예를 들어, 직사각형)을 포함하는 임의의 형태를 가질 수 있다. 지지 프레임(46)은 복원 메커니즘(48)을 기계적으로 지지하며 이것은 설명을 위해 네 개의 스프링(50)의 셋(set)으로 구현되었다. 지지 프레임(46)은 기판(51)(예를 들어, 인쇄 회로 보드) 상에 장착된다. 감지 시스템(14)은 기판(51) 상의 퍽(42) 아래에 지지된다.
동작시에, 퍽(42)은 사용자의 손가락(26)에 의한 횡방향 힘(즉, x-y 평면 내의 성분을 갖는 힘)의 적용에 반응하여 동작 구역(44) 내에서 움직인다. 사용자가 그 또는 그녀의 손가락(26)을 가져가 퍽(42)을 해제시킬 때, 퍽(42)은 복원 메커니즘(48)에 의해 자신의 중심 위치로 복귀된다.
일부 실시예에서, 프로세싱 시스템(18)은 사용자가 선택된 문턱값을 초과하는 수직 힘(즉, z-축을 향하는 성분을 갖는 힘)을 퍽(42)에 인가할 때를 측정 신호(32)로부터 판단한다. 이러한 정보에 기초하여, 프로세싱 시스템(18)은 퍽(42)이 접촉 중인 상태인지(즉, 사용자가 퍽(42)을 조정할 때) 또는 접촉하지 않는 상태(즉, 사용자가 퍽(42)을 조정하지 않을 때)인지를 판단한다. 프로세싱 시스템(18)은 접촉하지 않은 상태인 동안 커서(34)의 속도를 0으로 설정하여 디스플레이(24) 상의 커서(34)의 위치에 영향을 미치지 않은 채 퍽(42)을 다시 중심에 위치하도록 하는 복원 메커니즘(48)을 허용한다. 이러한 특징은 특히 퍽(42)의 동작 필드가 뚜렷하게 제한되는 노트북 컴퓨터, 핸드헬드 디바이스 및 다른 이동성 전자 디바이스에서 바람직하다.
일부 실시예에서, 또한 프로세싱 시스템(18)은 사용자가 언제 제 2 "클릭(click)" 문턱값을 초과하는 수직 힘을 퍽(42)에 인가하였는지를 측정 신호(32)로부터 검출할 수 있다. 이러한 정보에 기초하여, 프로세싱 시스템(18)은 퍽(42)이, 전형적으로 컴퓨터 마우스의 오른쪽 또는 왼쪽 버튼과 관련된 기능에 상응하는 디스플레이 제어 기능에 반응할 수 있는 선택 상태(또는 "클릭" 상태)에 있는지 또는 없는지를 판단한다. 이러한 방법으로, 사용자는 퍽(42)에 인가된 압력을 사전-캘리브레이션된 클릭 문턱값 이상으로 증가시킴으로써 디스플레이(24) 상의 커서(34)의 전류 위치에서 클릭할 수 있다. 포인팅 디바이스(10)의 일부 실시예는 클릭 문턱값에 대해 촉각 피드백을 제공하는 기계적 클릭킹 메커니즘(예를 들어, 탄력 있는 돔 스위치)를 포함한다.
도 3a 및 3b는 타겟 전극(52)(점선의 원형에 의해 가상으로 도시됨)을 포함하는 변위가능한 부재(12)와 감지 전극 구조체(54)를 포함하는 감지 시스템(14)이 있는 포인팅 디바이스(10)의 예시적인 실시예(50)의 평면도이다. 감지 전극 구조체(54)는 중심 감지 전극(E) 둘레의 주변 영역 내의 네 개의 주변 감지 전극(A, B, C, D)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 감지 전극 구조체(54)는 기판(51)의 평면 표면 상에 배치된다. 다른 실시예에서, 감지 전극 구조체(54)는 기판(51)의 하나 이상의 구부러진(예를 들어, 오목하거나 또는 볼록한) 표면 상에 배치될 수 있다. 감지 전극(A-E)은 전기적으로 서로 절연된다. (도시되지 않은) 전기 접속부는 감지 전극(A-E)을 측정 시스템(16)에 전기적으로 접속시킨다. 일부 실시예에서, 타겟 전극(52)과 감지 전극(A-E) 사이에 위치한 저-마찰 유전 스페이서는, 타겟 전극(52)을 감지 전극(A-E)으로부터 전기적으로 절연시키고 동시에 타겟 전극(52)이 감지 전극(A-E) 위에서 슬라이드(slide) 하도록 한다. 타겟 전극(52)과 각각의 감지 전극(A-E) 사이의 오버랩되는 정도는 감지 전극(A-E)과 관련한 퍽(42)의 위치에 의존한다.
도 3a는 중심 감지 전극(E) 위에 중심을 갖는 타겟 전극(52)을 도시한다. 도 3b는 동작 구역(44)의 외부 벽(45)에 기대어 위치한 타겟 전극(52)을 도시한다. 이러한 실시예에서, 타겟 전극(52)은 동작 구역 내의 변위가능한 부재의 각 위치에서 중심 감지 전극(E)에 완전히 오버랩된다. 즉, 타겟 전극(52)의 반지름 rT는 적어도 중심 감지 전극의 반지름 rE와 동작 구역 내의 타겟 전극의 동작 범위의 반지름 rM의 합 이상이어야 한다(즉, rT ≥ rE ＋ rM). 또한, 감지 전극(A-E)은 동작 구역 내의 퍽(42)의 각 위치에서 타겟 전극(52)과 완전히 오버랩되는 감지 영역에 걸쳐 연장한다. 즉, 감지 영역의 반지름 rS은 적어도 타겟 전극의 반지름 rT와 동작 구역 내의 타겟 전극의 동작 범위 반지름 rM의 합 이상이어야 한다(즉, rS ≥ rT ＋ rM). 기술된 실시예에서, 감지 영역은 동작 구역과 같은 공간을 차지한다. 다른 실시예 에서, 감지 영역은 동작 구역을 넘어 확장할 수 있다.
타겟 전극(52)은 (점선의 원에 의해 가상으로 도시된) 둘레의 주변 타겟 전극 구조체와는 실질적으로 독립적으로 감지 전극 구조체(54)로/로부터 이동할 수 있는, 변위가능한 전극(56)을 포함하는 중심 타겟 전극 구조체를 둘러싸고 이에 전기적으로 접속된 주변 타겟 전극 구조체를 포함한다. 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 중심 감지 전극(E)은 동작 구역 내의 퍽(42)의 각 위치에서 변위가능한 전극(56)에 완전히 오버랩된다. 즉, 중심 감지 전극의 반지름 rE은 적어도 변위가능한 전극의 반지름 rD과 동작 구역 내의 타겟 전극의 동작 범위 반지름 rM의 합 이상이어야 한다(즉, rE ≥ rD ＋ rM).
도 4a는 중심 타겟 전극 구조체(64) 둘레의 주변 타겟 전극 구조체(62)의 평면 배치를 포함하는 타겟 전극(52)(도 3a 및 3b에 도시됨)의 실시예(61)를 포함하는 포인팅 디바이스(10)의 실시예(60)를 도시한다. 중심 타겟 전극 구조체(64)는 탄력있는 복원 메커니즘(68)에 의해 주변 타겟 전극 구조체(62)로 접속된 변위가능한 전극(66)을 포함하는 주변 타겟 전극 구조체(64)이다. 복원 메커니즘(68)은 변위가능한 전극(66)이 변위가능한 전극으로의 외력의 적용에 응답하여 평형 위치로 향하게 한다. 예를 들어, 하나의 예시적인 도면에서, 도 4b는 사용자의 손가락(26)에 의해 인가된 힘에 응답하여 도 4a에 도시된 평형 위치로부터 이동되어 감지 시스템(14)에 맞닿는 변위가능한 전극(66)을 도시하였다. 도 4b는 변위가능한 전극(66)과 접촉한 사용자의 손가락(26)을 도시하였으며, 이것은 단지 설명을 위한 것이다. 실제 실시예에서, 사용자의 손가락(26)은 포인팅 디바이스(10)의 다른 구성 요소에 의해 변위가능한 전극(66)으로부터 전기적으로 절연된다. 사용자의 손가락(26)에 의해 인가된 힘은 복원 메커니즘(68)을 변형시키고, 그에 응답하여, 복원 메커니즘(68)은 인가된 힘과 반대인 복원력을 인가하여 변위가능한 전극(66)을 평형 위치로 이끈다. 사용자의 손가락(26)에 의해 인가된 힘을 제거함에 따라, 복원 메커니즘(68)에 의해 가해진 반대가 없는 복원력은 변위가능한 전극(66)을 평형 위치로 복귀시킨다.
도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 유전 스페이서(70)는 타겟 전극(52)과 감지 시스템(14) 사이에 위치한다. 이 실시예에서, 유전 스페이서(70)는 감지 시스템(14)에 대향하는 타겟 전극(52)의 각 이격된 표면 영역에 부착된 분리된 유전 필름(72, 74, 76)을 포함한다. 분리된 유전 필름(72-76) 각각은 타겟 전극의 주변 표면 영역과 타겟 전극(52)의 적어도 하나의 중심 표면 영역에 부착된다. 유전 필름(72-76)은 감지 시스템(14)의 감지 전극 구조체의 표면 위에서 자유롭게 슬라이딩한다. 일부 실시예에서, 유전 스트립(72-76)은 타겟 전극(52)의 각 표면 영역에 본딩된 저-마찰 유전 재료(예를 들어, 나일론 및 TEFLON®과 같은 플라스틱 재료)로 형성된다.
단일의 균일한 유전 필름에 반대되는 복수의 분리된 유전 필름의 사용은 타겟 전극이 감지 전극 구조체 상의 임의의 표면 불규칙성에 보다 잘 맞추도록 한다. 또한, 유전 스페이서(70)는 공기의 유전율에 관한 타겟 전극과 감지 전극 구조체 사이의 유전율을 증가시킴으로써 타겟 전극과 감지 전극 구조체를 분리시키는 갭의 변화에 대한 감지 시스템의 민감도를 감소시킨다.
기술된 실시예에서, 유전 필름(72-76)은 고리형이다. 다른 실시예에서, 유전 스페이서(70)는 유전 필름(72-76)과는 다른 형태와 크기를 갖는 유전 필름을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 유전 스페이서(70)는 타겟 전극(52)의 바닥-대향 표면 전체를 코팅하고 변위가능한 전극(66)이 중심 감지 전극을 전기적으로 단락시키는 것을 방지하는 유전 재료(예를 들어, TEFLON®)의 박막을 포함한다. 유전 스페이서(70)는 박막 유전 코팅의 노출된 표면 영역에 접착된 두 개의 고리형 유전 필름(72, 74)을 추가로 포함한다. 박막 유전 코팅은 전형적으로 25-100㎛ 범위의 균일한 두께를 가지며 두 개의 고리형 유전 필름(72, 74)은 전형적으로 100-300㎛ 범위의 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 타겟 전극(52)과 감지 전극 구조체(54) 사이가 전기적으로 단락될 위험은 얇은(예를 들어, 약 100㎛) 유전 코팅을 감지 전극 구조체(54)의 노출된 상부 표면에 접착시킴으로써 추가로 감소된다.
도 5a는 평면 타겟 전극(61)(도 4a 및 4b에 도시됨)의 예시적인 실시예(80)를 도시한 평면도이다. 타겟 전극(80)은 중심 타겟 전극 구조체(84)를 둘러싸는 고리형의 주변 타겟 전극 구조체(82)를 포함한다. 중심 타겟 전극 구조체(84)는 평면 복원 메커니즘(88)에 의해 주변 타겟 전극 구조체(82)에 접속된 변위가능한 전극(86)을 포함한다. 복원 메커니즘(88)은 변위가능한 전극(86)을 양분하는 축(96) 에 따른 각각의 가요성 연동 장치(92, 94)에 의해 주변 타겟 전극 구조체(82)와 변위가능한 전극(86)에 접속된 링(90)을 포함한다. 도 5b를 참조하면, 타겟 전극(80)은 타겟 전극의 바닥 표면을 코팅하는 유전 재료인 선택적인 균일한 박막(98)과 박막 유전 코팅(98)의 각 바닥 표면 영역에 접착된 두 개의 고리형 유전 필름(100, 102)을 포함한다. 일부 실시예에서, 평면 타겟 전극(80)은 스탬프 또는 다이를 사용하여 한 시트의 전기적으로 전도성인 재료(예를 들어, 금속)로부터 컷아웃된다.
도 6a는 타겟 전극(52)(도 3a 및 3b 참조)의 실시예(112)를 포함하는 포인팅 디바이스(10)의 실시예(110)를 도시한다. 타겟 전극(112)은 평면 평형 상태를 갖는 대신, 타겟 전극(112)이 볼록한 평형 상태를 갖는다는 점을 제외하면, 타겟 전극 실시예(61)와 동일하다. 이 실시예에서, 타겟 전극(112)의 주변 타겟 전극 구조체(114)는 평형 상태에서 타겟 전극(112)의 볼록한 형태를 제공한다. 주변 타겟 전극 구조체(114)는 탄력이 있으며, 타겟 전극(112)을 감지 전극 구조체에 기대도록 하는 인가된 힘에 응답하여 감지 시스템(14)의 감지 전극 구조체의 표면 영역에 맞춘다. 이러한 타겟 전극(112)의 유연성은 사용자의 손가락(26)으로부터 인가된 압력을 검출하는 데에 사용될 수 있다.
도 6b 및 6c는 주변 타겟 전극 구조체(14)와, 사용자의 손가락(26)에 의해 인가된 힘에 반응하여 도 6a에 도시된 평형 위치로부터 이동됨으로써 감지 시스템(14)에 인접하는 변위가능한 전극(66)의 예시적인 실례를 도시한다. 도 6b 및 6c는 단지 설명을 위해 변위가능한 전극(66)과 접촉하는 사용자의 손가락(26)을 도시하였다. 실제 실시예에서, 사용자의 손가락(26)은 포인팅 디바이스(10)의 다른 구 성 요소에 의해 변위가능한 전극(66)으로부터 전기적으로 절연된다. 사용자의 손가락(26)에 의해 인가된 힘은 주변 타겟 전극 구조체(114)와 복원 메커니즘(68)을 변형시킨다. 도 6b에서, 타겟 전극 구조체(114)는 감지 시스템의 표면 영역에 맞추도록 변형된다. 도 6c에서, 변위가능한 전극(66)은 사용자의 손가락(26)에 의해 인가된 힘에 응답하여 감지 시스템에 기대도록 이동된다. 인가된 힘에 응답하여, 주변 타겟 전극 구조체(114)는 타겟 전극(112)이 평형 상태를 향하게 하는 반대의 힘을 인가한다. 반대의 힘은 타겟 전극(112)이 감지 전극 구조체의 표면 영역에 합치되고 그에 따라 감지 전극 구조체의 표면 내에서 임의의 비평면 편차를 수용하도록 한다. 변위가능한 전극(66)으로부터 사용자의 손가락(26)을 제거함에 따라, 저항이 없는 주변 타겟 전극 구조체의 힘은 타겟 전극(82)을 도 6a에 도시된 평형 상태로 복귀시킨다.
도 7은 타겟 전극(112)(도 6a 및 6b에 도시됨)의 예시적인 실시예(120)를 도시한 하면도이다. 이 실시예에서, 주변 타겟 전극 구조체(121)는 중심 타겟 전극 구조체(124)를 둘러싸는 분리된 조각(122)을 포함한다. 분리된 조각(122)은 각각의 탄력 있는 연동 장치(132)에 의해 주변 타겟 전극 구조체(121)의 내부 원주 부분(130)에 부착된다. 중심 타겟 전극 구조체(124)는 변위가능한 전극(126) 및 복원 메커니즘(128)을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 타겟 전극(120)은 타겟 전극의 바닥 표면을 코팅하는 유전 재료인 선택적인 균일한 박막(129)과 박막 유전 코팅(129)의 각 바닥 표면 영역에 접착된 두 개의 고리형 유전 필름(131, 133)을 포함한다. 일부 실시예에서, 평면 타겟 전극(120)은 스탬프 또는 다이를 사용하여 한 시트의 전기적으로 전도성인 재료(예를 들어, 금속)로부터 컷아웃된다.
탄력 있는 연동 장치(132)는 분리된 조각(122)을 개별적으로 감지 전극 구조체의 표면 영역에 맞추도록 한다. 특히, 변형되지 않은 상태에서 각각의 분리된 조각(122)은 볼록한 형태의 타겟 전극(120)을 제공하도록 감지 전극 구조체를 향하여 각을 이룬다. 변위가능한 전극(126)에 인가된 아래 방향의 힘에 응답하여, 주변 타겟 전극 구조체(114)와 복원 메커니즘(128)은 볼록한 평형 상태로부터 감지 시스템(14)의 표면 영역에 맞는 평면 형태로 변형한다. 이러한 프로세스에서, 각각의 연동 장치(132)는 타겟 전극(114)이 평형 상태를 향하게 하는 반대의 힘을 인가한다. 이러한 반대의 힘은 타겟 전극(114)이 감지 전극 구조체의 표면 영역에 따르도록 하고 그에 따라 감지 전극 구조체의 표면 내의 임의의 비평면 편차를 수용한다. 인가된 힘을 제거함에 따라, 연동 장치(132)의 저항이 없는 힘은 타겟 전극(114)을 도 7에 도시된 볼록한 평형 상태로 복원시킨다.
도 8a는 버튼(142), 하우징(144), 복원 메커니즘(146) 및 타겟 전극 어셈블리(148)를 포함하는 변위가능한 부재(10)의 실시예(140)의 분해도를 도시한다.
버튼(142)은 중심 포스트(151)와 지지 링(154)에 본딩된 원주 에지(152)를 구비하는 발동작용 부재(150)를 포함한다. 버튼(142)은 전형적으로 가요성 플라스틱 재료로 형성된 단일의 몰딩된 구조체이다. 지지 링(154)은 발동작용 부재(150)를 탄력적으로 지지하는 고리형 리프 스프링(annular leaf spring)을 지지하는 플랜지(flange)(156)를 구비한다. 리프 스프링(158)은 발동작용 부재(150)에 인가된 외력에 응답하여 수직(또는 z-축) 방향을 따라 발동작용 부재(150)를 도 8a 및 8b 에 도시된 평형 위치로 향하게 한다. 선택적인 저-마찰 재료 박막(예를 들어, TEFLON®)은 지지 링(154)의 바닥 고리형 표면을 코팅할 수 있다.
하우징(144)은 복원 메커니즘(146)과 타겟 전극 어셈블리(148)를 포함하는 내부 챔버(164)를 정의하는 상부 벽(160)과 원통형 측벽(162)을 포함한다. 상부 벽(160)은 버튼(142)이 슬라이딩하는 지지 표면(166)을 구비하고 발동작용 부재(150)의 포스트(151)가 통과해 연장하는 원형 홀(168)을 포함한다. 하우징(144)은 전형적으로 금속 또는 플라스틱과 같은 리지드(rigid) 재료로 형성된다.
복원 메커니즘(146)은 지지 프레임(170)과, 지지 프레임(170)의 내부 고리형 표면(176)으로부터 윗방향으로 연장하는 네 개의 포스트(174)(이들 중 세 개는 도 8a에 도시되었다)들에 의해 지지되는 리본 스프링(172)을 포함한다. 지지 프레임(170)과 리본 스프링(172)은 전형적으로 금속 또는 플라스틱과 같은 리지드 재료로 형성된다.
타겟 전극 어셈블리(148)는 유지 구조체(180), 돔 스위치(182) 및 타겟 전극(184)을 포함한다. 유지 구조체(180)는 발동작용 부재(150)의 포스트(151)의 단부를 홀딩하는 커넥터(186)와 돔 스위치(182)를 포함하는 공동(188)을 구비한다. 유지 구조체(180)는 공동(188)을 커버하는 타겟 전극(184)에 본딩된다(예를 들어, 열-스테이킹됨(heat-staked)). 타겟 전극(184)의 바닥 표면은 얇은 유전 필름으로 코팅되고 유전 재료인 두 개의 박막 링(190, 192)은 얇은 유전 필름의 바닥 표면 영역에 부착된다.
도 8b는 버튼(142), 하우징(144), 복원 메커니즘(146) 및 타겟 전극 어셈블리(148)가 최종 집적 구조체 내에 조립된 후의 변위가능한 부재(140)의 단면도이다.
동작시에, 버튼(142)은 하우징(144)의 상부 벽(160) 내의 홀(168)에 의해 정의되는 동작의 범위를 갖는 하우징(144)의 상부 표면(166) 위에서 슬라이딩할 수 있다. 타겟 전극 어셈블리(148)가 포스트(151)에 의해 버튼(142)에 부착되기 때문에, 타겟 전극 어셈블리(148)는 동일한 동작의 범위에서 횡방향으로 움직인다. 발동작용 부재(150)로 수직(또는 z-축) 방향을 따라 인가된 아래 방향의 힘은 포스트(151)에 의해 돔 스위치(182) 및 타겟 전극(184)의 변위가능한 전극에 전달된다. 이러한 아래 방향의 힘의 적용에 응답하여, 돔 스위치(182)는 사용자에게 촉각 피드백을 제공하고 변위가능한 전극은 감지 시스템(14)(도 1에 도시됨)의 중심 감지 전극을 향해 이동한다.
Ⅳ. 측정 회로 및 프로세싱 시스템의 예시적인 실시예
A. 개요
하기의 예시적인 포인팅 디바이스 방법은 (도 3a 및 3b에 도시된) 포인팅 디바이스(50)의 맥락에서 기술된다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 감지 전극 구조체(54)는 단일 감지 전극(E)을 둘러싸는 네 개의 주변 감지 전극(A-D)을 포함하고, 타겟 전극(52)은 단일 중심 타겟 전극 구조체(56)를 둘러싸는 주변 타겟 전극 구조체를 포함한다. 다른 실시예에서, 감지 전극 구조체(54)는 서로 다른 수 의 주변 감지 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9b는 중심 감지 전극(I)을 둘러싸는 세 개의 주변 감지 전극(F, G, H)를 포함하는 감지 전극 구조체(198)를 도시한다.
도 9는 감지 전극 구조체(54) 위에 포개인 예시적인 2차원 x-y 좌표 시스템을 도시한다. 이러한 좌표 시스템은, x 축이 주변 감지 전극(A, B)을 주변 감지 전극(C, D)로부터 분리시키고 y 축이 주변 감지 전극(A, C)을 주변 감지 전극(B, D)으로부터 분리시키도록 배향된다. 이러한 배향에서, 주변 감지 전극(A, C)은 x-축의 한 측면에서만 정의되는 x-축 좌표를 구비하고 주변 감지 전극(B, D)은 x-축의 반대쪽 면에서만 정의되는 x-축 좌표를 구비한다. x-축과 y-축은 각각 중심 감지 전극(E)을 양분한다.
도 10은 타겟 전극(52)의 평형 회로와 감지 전극 구조체(54)의 블록도이다. 감지 전극(A-E)과 오버랩되는 타겟 전극(52)의 각 부분들은 상응하는 오버랩 양에 비례하는 캐패시턴스를 갖는 각 평행판 캐패시터를 형성한다. 모든 캐패시터들이 타겟 전극(52)의 부분들을 공유하기 때문에, 등가 회로는 참조 번호(52a, 52b, 52c, 52d, 52e)로 구분되는 각 부분들을 구비하는 공통의 타겟 전극(52)에 접속된 5개의 캐패시터(CA, CB, CC, CD, CE)를 포함한다. 설명된 실시예에서, 입력 신호(28)는 중심 감지 전극(E)과 주변 감지 전극(A-D) 중 하나로 각각 구성된 각 쌍들의 양단에 인가된다. 따라서, 등가 회로는 주변 감지 전극(A-D)의 병렬 캐패시터(CA, CB, CC, CD)와 직렬로 연결된 중심 감지 전극(E)의 캐패시터(CE)를 포함한다.
주어진 측정 사이클에서, 측정 회로(16)는 상응하는 주변 감지 전극과 중심 감지 전극(E)의 양단에 각 입력 신호를 인가함으로써 각각의 주변 감지 전극(A-D)에 대한 각 측정값(32)을 생성한다. 입력 신호(28)는 중심 감지 전극(E)을 통해 구동될 수 있고 주변 감지 전극(A-D)의 출력 단자에서 측정이 이루어진다. 이와는 달리, 입력 신호(28)는 각각의 주변 감지 전극(A-D)을 통해 구동될 수 있고 시간이 멀티플렉스된 방식으로 중심 감지 전극(E)의 출력 단자에서 측정이 이루어진다. 타겟 전극은 측정 시스템(16)으로부터 인가된 입력 신호를 중심 감지 전극(E)과 각 주변 감지 전극(A-D) 각각의 상응하는 쌍의 양단에 연결한다. 인가된 입력 신호에 응답하여, 감지 전극 구조체(54)는 사용자의 손가락(26)에 의해 변위가능한 부재(12)의 접촉과 동작 구역 내에서의 변위가능한 부재(12)의 다른 위치에 반응하는 감지 신호(30)를 생성한다. 특히, 측정 시스템(16)에 의해 생성된 각각의 측정값은 타겟 전극(52)과 상응하는 주변 감지 전극 사이의 각 오버랩 정도를 나타낸다. 또한, 주어진 측정 사이클 동안 생성된 측정값들의 조합은 변위가능한 부재에 인가된 수직(또는 z-축) 힘을 나타낸다.
프로세싱 시스템(18)은 측정값(32)으로부터 디스플레이 제어 신호(20)를 생성한다. 이러한 프로세스에서, 프로세싱 시스템(18)은 측정값(32)에 기초하여 주변 감지 전극(A-D)에 대한 타겟 전극(52)의 위치를 판단한다.
B. 예시적인 측정 회로 실시예
도 11은 측정 회로(16)의 실시예(200)를 도시한다. 측정 회로(200)는 구동 증폭기(202) 및 각각의 주변 감지 전극(A-D)의 출력 단자에 접속된 각 측정 회로(204, 206, 208, 210)를 포함한다. 구동 증폭기(202)는 중심 감지 전극(E)을 통해 입력 신호(28)를 구동한다. 설명된 실시예에서, 입력 신호(23)는 사각파 펄스이다. 각각의 측정 회로(204-210)는 각각의 통합기(212, 214, 216, 218), 각각의 필터(220, 222, 224, 226) 및 각각의 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(228, 230, 232, 234)를 포함한다. 각각의 통합기(212-218)는 기준 전압(VREF)에 접속된 각 포지티브 입력 단자와 피드백 캐패시터 CF를 포함하는 각각의 네가티브 피드백 루프를 통해 상응하는 출력 단자에 접속된 각각의 네가티브 단자 및 리셋 스위치를 포함한다. 각각의 필터(220-226)는 통합기(212-218) 중 각각의 출력을 필터링한다. 각각의 아날로그-디지털 컨버터(228-234)는 각각의 필터(220-226)로부터 필터링된 신호 출력을 샘플링한다. 프로세싱 시스템(18)은 아날로그-디지털 컨버터(228-234)에 의해 생성된 디지털 측정값을 수신한다.
도 12는 측정 시스템(16)이 측정값(32)을 생성하는 방법의 실시예를 도시한다. 이 실시예에 따르면, 측정 사이클 인덱스 k는 선택적으로 0으로 초기화된다(도 12, 블록(240)). 각 측정 사이클의 시작시에(도 12, 블록(242)), 측정 사이클 인덱스는 1만큼 증가된다(도 12, 블록(244)). 측정 회로(16)는 주변 감지 전극 i(i∈{A, B, C, D})와 중심 감지 전극(E)(도 12, 블록(246))의 양단에 입력 신호 VIN,k를 인가한다. 그 다음 측정 회로(16)는 측정값 VOUT , ki을 생성한다(도 12, 블록(248)). 그 다음 측정 회로(16)는 프로세스를 반복하기 전에 다음 측정 사이클을 대기한다(도 12, 블록(242)).
따라서, 각 측정 사이클 k 동안, 프로세서(18)는 통합기(212, 218)의 리셋 스위치를 폐쇄하고 크기 VIN,k를 갖는 사각파 펄스를 중심 감지 전극(E)에 인가한다. 각 통합기(212-218)의 출력 단자는 다음 식(1)에 의해 주어지는 전압 VOUT ,k를 생성할 것이며,
Figure 112007052153962-pat00001
이때 CF는 통합기(212-218)의 네가티브 피드백 루프 내의 피드백 캐패시터의 값이고, CEQ,i는 중심 감지 전극(E)의 캐패시턴스, CE와 주변 감지 전극(A-D) 중 각 하나의 동일한 시리즈 합이며, 이것은 식(2)에 의해 주어진다.
Figure 112007052153962-pat00002
식(1)은 식(3)에서 CEQ,i에 대해 다시 쓸 수 있으며
Figure 112007052153962-pat00003
이때 K1=CF/(VIN,i-VREF)이고 K2=CF*(VIN,i-VREF)이다. 따라서, VIN, VREF 및 CF가 알 려졌기 때문에, 측정된 출력 전압 VOUT은 CEQ ,i의 값을 주어준다.
도 11에 도시된 실시예에서, 측정 회로(200)는 중심 감지 전극(E)을 통해 입력 신호(30)를 구동하고 주변 감지 전극(A-D)의 출력 단자로부터 결과적인 감지 신호(30)를 측정한다. (도 1에 도시된) 측정 회로(16)의 다른 실시예는 각각의 주변 감지 전극(A-D)을 통해 입력 신호(28)를 구동할 수 있고 시간-멀티플렉스된 방법으로 중심 감지 전극(E)의 출력 단자로부터 결과적인 감지 신호(30)를 측정한다.
C. 예시적인 프로세싱 시스템 실시예
도 13은 프로세싱 시스템(18)이 측정 신호(32)로부터 디스플레이 제어 신호(20)를 생성하는 방법의 실시예를 도시한 도면이다. 이 실시예에 따르면, 프로세싱 시스템(18)은 (ⅰ) 좌표축 P(예를 들어, P∈{x,y})의 한 측면 상의 주변 감지 전극에 대한 주어진 측정 사이클 k에서 생성된 측정값과 (ⅱ) 좌표축 P의 반대 면 상의 주변 감지 전극에 대한 주어진 측정 사이클 k에서 생성된 측정값 사이의 차이값(ΔP)을 판단한다(도 13, 블록(260)). 프로세싱 시스템(18)은 주어진 측정 사이클 k에서 생성된 모든 측정값의 합에 대해 차이값(ΔP)을 정규화하여 (
Figure 112007052153962-pat00004
)을 생성한다(도 13, 블록(262)). 프로세싱 시스템(18)은 정규화된 차이값(
Figure 112007052153962-pat00005
)을 출력한다(도 13, 블록(264)). 만약 모든 좌표축에 대한 좌표들이 결정되지 않았다면(도 13, 블록(266)), 프로세스는 다음 좌표축에 대해 반복된다(도 13, 블록(260-264)). 다 른 한편으로, 프로세싱 시스템(18)은 프로세스를 반복하기 전에(도 13, 블록(258-266)) 다음 측정 사이클에 대해 대기한다(도 13, 블록(268)).
따라서, 도 9에 정의된 x-축과 y-축에 대해 프로세싱 시스템은 식(4) 및 식(5)에 따라 차이값 Δx 및 Δy를 판단한다.
Figure 112007052153962-pat00006
Figure 112007052153962-pat00007
정규화된 차이값
Figure 112007052153962-pat00008
및
Figure 112007052153962-pat00009
은 VREF이 0 퍼텐셜로 설정되었다는 가정 하에서 식(6)과 식(7)을 따라 계산된다.
Figure 112007052153962-pat00010
Figure 112007052153962-pat00011
이러한 정규화된 차이값
Figure 112007052153962-pat00012
및
Figure 112007052153962-pat00013
는 동작 구역 내의 변위가능한 부재의 x 및 y 좌표에 해당하는 값을 생성하도록 스케일링될 수 있다. 식(6)과 식(7)에 따라 차이값 Δx 및 Δy를 정규화시키는 것은 타겟을 경사지게 하는 의도되지 않은 인가된 힘과, 타겟 전극과 감지 전극을 분리시키는 갭의 변화의 영향을 감소시킨다.
도 3a-8b와 관련하여 기술된 실시예에서, 타겟 전극은 둘레의 타겟 전극 구조체와 실질적으로 무관하게 감지 전극 구조체로/로부터 이동가능한 변위가능한 전극(56)을 포함하는 중심 타겟 전극 구조체를 둘러싸는 주변 타겟 전극 구조체를 포함한다. 이러한 일부 실시예에서, 중심 감지 전극(E)은 동작 구역 내의 변위가능한 부재의 각 위치에서 변위가능한 전극(56)과 완전히 오버랩된다. 이러한 실시예에서, 변위가능한 전극(56)의 수직 동작은 중심 감지 전극(E)의 캐패시턴스 CE에만 영향을 미친다. 따라서, 캐패시턴스 CE는 모든 주변 감지 전극에 대해 실시된 측정에 영향을 미친다. 그 결과, 이러한 좌표들이 총 캐패시턴스에 대해 정규화되기 때문에 캐패시턴스 CE는 변위가능한 부재의 x 좌표와 y 좌표를 결정하는 데에 오직 최소의 영향을 미친다.
일부 실시예에서, 변위가능한 부재에 인가된 수직(또는 z-축) 힘은 측정값(32)으로부터 총 캐패시턴스(CT)를 결정함으로써 측정된다. VREF가 0퍼텐셜로 설정되었다 가정하면, CT는 식(8)에 의해 주어진다.
Figure 112007052153962-pat00014
프로세싱 시스템(18)은 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 측정값의 합에 기초하여 중심 감지 전극(56)을 향하는 변위가능한 전극(56)의 움직임을 검출한다. 특히, 변위가능한 전극의 수직 변위는 변위가능한 전극 하의 갭을 감소시켜 프로세싱 시스템(18)에 의해 측정되는 총 캐패시턴스를 증가시킨다.
도 14는 사용자가 변위가능한 전극(56)에 대해 기간 T1 동안의 접촉 힘과 기간 T2 동안의 선택 힘을 인가할 때 기간 동안의 함수로서 도시된 총 캐패시턴스 CT의 분할된 그래프를 도시한다. 일부 실시예에서, 프로세싱 시스템(18)은 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 측정값의 합이 제 1 문턱값 CTOUGH를 초과함에 대한 결정에 반응하는 외력에 의해 변위가능한 부재가 접촉된다는 것을 나타내는 접촉 상태 신호를 생성한다. 프로세싱 시스템(18)은 또한 변위가능한 부재가 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 측정값들의 합이 제 1 문턱값 CTOUGH보다 큰 제 2 문턱값 CSELECT를 초과함에 대한 결정에 반응하여 선택하도록 눌러짐을 나타내는 선택 상태 신호를 생성한다.
Ⅴ. 결론
본 명세서에서 기술된 실시예는 캐패시티브 감지 구조체에 걸쳐 의도하지 않 은 경사력과 다른 의도하지 않은 갭 변화에 대해 보상하는 방법으로 변위가능한 부재의 위치의 캐패시티브 감지를 포함하는 변위가능한 유형의 포인팅 디바이스 및 방법이 상세하게 기술되었다. 또한 이러한 실시예의 일부는 횡방향 뿐 아니라 수직 방향에서 변위가능한 부재에 인가된 사용자 입력을 높은 정확도로 검출할 수 있다. 특히, 이러한 실시예의 일부는 횡방향 측정과 수직 방향 측정 사이의 실질적인 혼선 없이 3차원에서 변위가능한 부재의 힘-유도된 변위를 측정할 수 있다. 이러한 측정은 변위가능한 부재에 유선 전기 접속 없이도 가능하다. 또한, 이러한 측정은 동작 구역 내에서 횡방향 이동의 전체 범위에 걸쳐 실시될 수 있다.
다른 실시예들이 특허청구범위의 범주에 포함된다.
본 발명에 따르면 횡방향 뿐 아니라 수직 방향에서 변위가능한 부재에 인가되는 사용자 입력을 높은 정확도로 검출할 수 있는 변위형 포인팅 디바이스 및 방법이 제공된다.

Claims (22)

  1. 포인팅 디바이스(a pointing device)에 있어서,
    중심 감지 전극을 둘러싸는 주변 영역 내의 주변 감지 전극들의 배치를 포함하는 감지 전극 구조체와,
    상기 감지 전극 구조체 위의 동작 구역(an operational zone) 내에서 이동가능하고 상기 감지 전극들과 대향하는 타겟 전극(a target electrode)을 포함하며 상기 동작 구역 내의 자신의 각 위치에서 상기 중심 감지 전극의 적어도 일부분과 오버랩되는(overlapping) 변위가능한 부재(a displaceable member)를 포함하는
    포인팅 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은 상기 동작 구역 내의 상기 변위가능한 부재의 각 위치에서 상기 중심 감지 전극과 완전히 오버랩되는
    포인팅 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 전극들은 상기 동작 구역 내의 상기 변위가능한 부재의 각 위치에서 상기 타겟 전극과 완전히 오버랩되는 감지 영역을 가로질러 연장하는
    포인팅 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은 중심 타겟 전극 구조체를 둘러싸는 주변 타겟 전극 구조체를 포함하되, 상기 중심 타겟 전극 구조체는 자신을 둘러싸는 상기 주변 타겟 전극 구조체와는 무관하게 상기 감지 전극 구조체를 향하거나 상기 감지 전극 구조체로부터 멀어지도록 이동할 수 있는 변위가능한 전극을 포함하는
    포인팅 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중심 감지 전극은 상기 동작 구역 내의 상기 변위가능한 부재의 각 위치에서 상기 변위가능한 전극과 완전히 오버랩되는
    포인팅 디바이스.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 중심 타겟 전극 구조체는 상기 주변 타겟 전극 구조체에 상기 변위가능 한 전극을 접속시키는 탄력 있는 복원 메커니즘을 포함하되, 상기 복원 메커니즘은 상기 변위가능한 전극에 대한 외력의 인가에 응답하여 상기 변위가능한 전극이 평형 위치를 향하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 전극과 상기 감지 전극 구조체 사이의 유전 스페이서를 더 포함하는
    포인팅 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유전 스페이서는 상기 감지 전극 구조체에 대향하는 상기 타겟 전극의 이격된 각 표면 영역들에 부착된 분리된 유전 필름을 포함하되, 상기 유전 필름은 상기 감지 전극 구조체의 표면 위에서 자유롭게 슬라이딩하는
    포인팅 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분리된 유전 필름 각각은 상기 타겟 전극의 주변 표면 영역과 상기 타겟 전극의 적어도 하나의 중심 표면 영역에 부착되는
    포인팅 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은, 탄력성을 갖고 상기 타겟 전극을 상기 감지 전극 구조체에 인접하게 하는 상기 변위가능한 부재에 가해진 힘에 응답하여 상기 감지 전극 구조체의 표면 영역에 맞추어지는(conform)
    포인팅 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은 상기 감지 전극 구조체의 상기 표면 영역에 각각 상응하는 분리된 조각들을 포함하는 주변 타겟 전극 구조체에 의해 둘러싸인 중심 타겟 전극 구조체를 포함하는
    포인팅 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    변형되지 않은 상태에서, 상기 주변 타겟 전극 구조체의 각 조각들은 상기 감지 전극 구조체를 향해 각을 이루는
    포인팅 디바이스.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 전극들에 연결되어 상기 타겟 전극과 상기 감지 전극들 각각과의 오버랩 정도를 나타내는 측정값을 생성하도록 동작하는 측정 회로를 더 포함하는
    포인팅 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    주어진 측정 사이클에서 상기 측정 회로는 각각의 주변 감지 전극들과 상기 중심 감지 전극의 양단에 각각의 입력 신호를 인가함으로써 상기 각각의 주변 감지 전극에 대해 각 측정값을 생성하도록 동작하되, 상기 각 측정값은 상기 타겟 전극과 상기 각각의 주변 감지 전극 사이의 오버랩 정도를 나타내는
    포인팅 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 측정값으로부터 디스플레이 제어 신호를 생성하도록 동작할 수 있는 프로세싱 시스템을 더 포함하는
    포인팅 디바이스.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템은, (ⅰ) 상기 동작 구역과 관련하여 정의된 좌표축의 한 측면 상에서만 정의되는 위치를 갖는 주변 감지 전극에 대해 주어진 상기 측정 사이클에서 생성된 측정값과 (ⅱ) 상기 좌표축의 반대 측면 상에서만 정의되는 위치를 갖는 주변 감지 전극에 대해 주어진 상기 측정 사이클에서 생성된 측정값 사이의 차이값을 판단하고, 상기 차이값을 상기 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 상기 측정값의 합에 대해 정규화함으로써 각 변위 값을 판단하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은, 주변의 타겟 전극 구조체와는 무관하게 상기 감지 전극 구조체를 향하거나 상기 감지 전극 구조체로부터 멀어지도록 이동가능한 변위가능한 전극을 포함하는 중심 타겟 전극 구조체를 둘러싸는 주변 타겟 전극 구조체를 포함하고,
    상기 프로세싱 시스템은 상기 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 상기 측정값들의 합에 기초하여 상기 중심 감지 전극을 향한 상기 변위가능한 전극의 움직임을 검출하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템은 상기 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 상기 측정값들의 합이 제 1 문턱값을 초과한다는 판단에 응답하여 상기 변위가능한 부재가 외력에 의해 접촉되었음을 나타내는 접촉 상태 신호를 생성하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 프로세싱 시스템은 상기 주어진 측정 사이클에서 생성된 모든 상기 측정값들의 합이 상기 제 1 문턱값보다 큰 제 2 문턱값을 초과한다는 판단에 응답하여 상기 변위가능한 부재가 선택을 하도록 눌러졌음을 나타내는 선택 상태 신호를 생성하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은 변형되지 않은 평형 상태에서 일반적으로 볼록하고 인가된 힘에 의해 상기 타겟 전극이 상기 감지 전극 구조체에 인접하는 편향된 상태에서는 일반적으로 평면이며,
    상기 프로세싱 시스템은 상기 타겟 전극이 상기 평형 상태에서 상기 편향된 상태로 이동하는 동안 상기 측정 회로에 의해 생성된 상기 측정값으로부터 상기 변위가능한 부재가 외력에 의해 접촉되었음을 나타내는 접촉 상태 신호를 생성하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 타겟 전극은 중심 타겟 전극 구조체를 둘러싸는 주변 타겟 전극 구조체를 포함하되, 상기 중심 타겟 전극 구조체는 자신을 둘러싸는 상기 주변 타겟 전극 구조체와는 무관하게 상기 감지 전극 구조체를 향하거나 상기 감지 전극 구조체로부터 멀어지도록 이동할 수 있는 변위가능한 전극을 포함하고,
    상기 프로세싱 시스템은, 상기 주변 타겟 전극 구조체가 상기 감지 전극 구조체에 인접하게 압박된 후 상기 중심 타겟 전극 구조체가 상기 감지 전극 구조체로 이동하는 동안, 상기 측정 회로에 의해 생성된 상기 측정값으로부터 상기 변위가능한 부재가 선택을 하도록 눌러졌음을 나타내는 선택 상태 신호를 생성하도록 동작할 수 있는
    포인팅 디바이스.
  22. 포인팅 디바이스에 있어서,
    중심 감지 전극 수단을 둘러싸는 주변 영역 내의 주변 감지 전극 수단의 배치를 포함하는 감지 전극 구조체 수단과,
    상기 감지 전극 구조체 위의 동작 구역 내에서 이동하고 상기 감지 전극 수단과 대향하는 타겟 전극 수단을 포함하며 상기 동작 구역 내의 자신의 각 위치에서 상기 중심 감지 전극 수단의 적어도 일부분과 오버랩되는 변위가능한 부재 수단을 포함하는
    포인팅 디바이스.
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