KR100981269B1 - 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치 - Google Patents

촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포인팅 오브젝트가 인가한 작용힘의 질감, 강약 등이 반영된 반작용힘을 사용자에게 전달하여 보다 자연스럽고 현실적이며, 다양한 접촉 정보를 사용자에게 제공할 수 있는 장치로서, 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 디스플레이 위를 지시하기 위한 장치로 포인팅 오브젝트의 작용힘이 인가되고, 그에 따른 반작용힘이 전달되는 매체인 터치패드; 터치패드의 하부에 위치하고, 작용힘을 감지하여 소정의 신호를 발생시키는 촉각센서; 촉각센서의 신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 출력하는 제어부; 및 터치패드의 하부에 위치하고, 제어신호에 기초하여 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위한 액추에이터;로 구성되어, 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 터치패드에 작용힘을 인가하면, 해당 위치에서 그에 따른 반작용힘을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치, 그 구동방법 및 기록매체에 대한 것이다.
촉각센서, 액추에이터, 터치패드, 촉감 피드백, 기록매체, 작용힘, 반작용힘

Description

촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치{Tactile feedback touch pad apparatus using tactile sensors}
본 발명은 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정확하게 접촉 정보를 검출할 수 있는 촉각센서를 이용하여 사용자가 포인팅 오브젝트(예를 들어, 사용자의 손가락, PDA단말기에서 주로 사용하는 스타일러스(stylus tip) 팁 등)를 통해 가한 작용힘의 특징이 반영된 반작용 힘을 사용자에게 전달(이하, 촉감 피드백이라 함)하는 터치패드장치, 그 구동방법 및 그 기록매체에 관한 것이다.
인간은 다양한 애플레케이션에서 전자/기계 장치와 인터페이스를 이루고 있다. 따라서, 보다 자연스럽고, 사용이 용이하며, 정보 제공이 가능한 인터페이스에 대해 끊임없는 관심을 보이고 있다. 또한 오늘날 접촉을 통한 주변환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 의한 온도변화 등을 획득하는 촉각기능은 차세대 정보수집 및 정보전달 매체로 인식되고 있다.
노트북 컴퓨터와 같은 휴대용 컴퓨터 또는 전자/기계장치에서, 작업공간 및/ 또는 촉각감각을 고려한 장치로는 컴퓨터의 키보드 근처에 제공되는 작은 사각형의 평면 패드인 터치패드(touch pad)가 있다. 일반적으로 터치패드는 용량형 센서와 같은 센싱기술로 포인팅 오브젝트의 위치를 감지하게 된다.
기존의 터치패드에서의 문제는 사용자에게 제공되는, 접촉 감각을 경험할 수 있는 접촉식 피드백이 없다는 점이다. 이러한 점에서 착안된 임머숀 코퍼레이션사의 '터치패드용 촉감 피드백 및 기타 터치제어장치'(출원번호 2001-7011968)에 나타난 촉감 피드백 터치제어장치는 액추에이터(20)만을 이용한 것으로서, 터치패드에 가해지는 포인팅 오브젝트(1)의 힘의 강약 또는/및 질감 등에 관계없이 일단 포인팅 오브젝트에 의해 신호가 발생하면, 터치제어장치에 미리 설정된 일정한 세기의 힘이 출력될 뿐이다.
도 1은 종래기술인 터치패드장치의 측면도이다. 그 구성으로 포인팅 오브젝트가 작용하는 터치입력장치(10)가 있고, 터치입력장치(10)의 하부에는 액추에이터(20)가 존재한다. 액추에이터(20)는 별도로 존재하는 터치제어장치(미도시)에서 미리 설정/정의된 일정한 세기의 힘을 출력한다.
종래의 터치패드장치는 사용자에게 촉감 피드백을 제공할 수는 있으나, 이는 프로그래밍을 통해 미리 설정/정의된 강도의 피드백이라는 것이다. 예를 들면, 그래픽 환경에서 아이콘 상을 커서가 이동하는 경우에는 0.1(N)의 힘을 전달할 수 있는 펄스를 출력하고, 메뉴의 엘리먼트 상을 커서가 이동하는 경우는 0.001(N)의 힘을 전달할 수 있는 미세한 진동을 출력하도록 정의하여 사용자가 미리 터치제어장치에 프로그래밍한다. 이 후 사용자의 포인팅 오브젝트가 그래픽 환경에서 아이콘 상에 커서가 이동되도록 움직인다면, 상기 프로그램에 따라 이미 설정/정의된 0.1(N)의 힘을 전달할 수 있는 펄스가 출력된다.
따라서, 종래의 터치패드장치는 접촉을 통한 주변환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 의한 온도변화 등을 획득하는 차세대 정보수집 및 정보전달 방법에 있어서 다양성을 저해하는 문제점이 있다.
또한, 사용자인 인간이 욕구하는, 보다 자연스럽고 현실적인 피드백을 제공할 수 없다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 터치패드장치에서 발생하는 제반 문제점을 해결하게 위해 창출된 것으로서,
본 발명의 목적은 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 디스플레이 위를 지시하기 위한 장치로서, 포인팅 오브젝트의 작용힘이 인가되고, 그에 따른 반작용힘이 전달되는 매체인 터치패드; 터치패드의 하부에 위치하고, 작용힘을 감지하여 소정의 신호를 발생시키는 촉각센서; 촉각센서의 신호에 기초하여, 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 출력하는 제어부; 및 터치패드의 하부에 위치하고, 제어신호에 기초하여 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위한 액추에이터;를 이용하여 터치패드에 가해진 포인팅 오브젝트의 작용힘의 강약 및/또는 질감(예를 들면, 부드러운 느낌 또는 딱딱한 느낌) 등이 반영된 반작용힘을 해당 위치에서 사용자에게 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로 촉각센서를 이용한 터치패드장치는, 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 디스플레이 위를 지시하기 위한 장치로서, 포인팅 오브젝트의 작용힘이 인가되고, 그에 따른 반작용힘이 전달되는 매체인 터치패드;
터치패드의 하부에 위치하고, 작용힘을 감지하여 소정의 신호를 발생시키는 촉각센서;
촉각센서의 신호에 기초하여, 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 출력하는 제어부; 및
터치패드의 하부에 위치하고, 제어신호에 기초하여 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위한 액추에이터;로 구성되어,
사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 터치패드에 작용힘을 인가하면, 해당 위치에서 그에 따른 반작용힘을 감지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 촉각센서 및 액추에이터는 매트릭스 어레이 형태로 배열되어 멀티터치(multi-touch)가 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 터치패드는 가요성 터치패드인 것을 특징으로 한다.
또한, 액추에이터는 보이스 코일 액추에이터, 압전 액추에이터, 고분자 액추에이터 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 디스플레이는 컴퓨터,휴대용 컴퓨터, 휴대폰 중 어느 하나의 디스플레이인 것을 특징으로 한다.
또한, 액추에이터는 포인팅 오브젝트가 터치패드 상에 접촉하고 있는 상태에서만 구동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부에 신호가 인가되기 전, 촉각센서의 신호를 소정의 크기로 증폭시키는 증폭기가 더 부가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증폭기의 증폭률은 [수학식]을 기초로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 촉각센서의 신호 중 포함된 잡음을 제거하기 위한 잡음제거부가 더 부가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어부는 마이컴(MICOM) 또는 전용 칩셋 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 촉각센서에서 감지한 작용힘에 대한 신호를 순차적으로 검출하는 릴레이 멀티플렉서가 더 부가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어신호는 주파수(f)와 진폭(A)이 반비례하는 관계에 기초한 것을 특징으로 한다.
또한, 제어신호는 주파수(f)가 일정할 때 진폭(A)이 작용힘에 따라 가변적인 관계에 기초한 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 구동방법은, 터치패드에 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 작용힘을 인가하는 단계(S10);
터치패드 하부의 촉각센서에서 작용힘을 감지하여 소정의 신호로 검출하는 단계(S20);
제어부에서 촉각센서의 검출신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호가 발생하는 단계(S30); 및
제어신호에 기초하여 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위해 액추에이터를 구동시키는 단계(S40);로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 액추에이터 구동단계(S40)는, 포인팅 오브젝트가 터치패드 상에 접촉하는지 여부를 판단하는 단계(S41), 판단결과 포인팅 오브젝트가 접촉하는 경우 액추에이터를 구동시키는 단계(S42) 및 판단결과 포인팅 오브젝트가 접촉하지 않은 경우 액추에이터를 비구동시키는 단계(S43)로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 촉각센서의 신호검출단계(S20)와 상기 제어신호 발생단계(S30) 사이에는, 촉각센서에서 검출된 신호의 증폭 또는 잡음 제거단계(S22)가 더 부가되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단으로 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 기록매체는, 컴퓨터에 의해 판독 가능하고,
터치패드에 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 작용힘을 인가하는지 여부를 감지하는 프로그램 코드;
촉각센서에서 작용힘을 감지하여 소정의 신호로 검출하게 하는 프로그램 코드;
제어부에서 촉각센서의 검출신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 발생시키도록 하는 프로그램 코드; 및
제어신호에 기초한 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위해 액추에이터를 구동시키는 프로그램 코드;를 포함하는 컴퓨터 프로그램을 기록하는 것을 특징으로 한다.
본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치는 포인팅 오브젝트의 작용힘의 질감, 강약 등이 반영된 반작용힘을 사용자에게 출력함으로써, 보다 자연스럽고 현실적이며, 다양한 접촉 정보를 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 상기의 촉감 피드백은 정보수집 및 통신을 이용한 정보전달산업 등에 새로운 수단/매체로 활용가 능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
<촉각센서의 구성>
본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치는 같은 출원인의 출원번호 2006-83584의 '촉각센서의 제조 방법 및 그 촉각센서의 신호처리장치'에 나타난 촉각센서를 이용한 것이다. 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치에 대한 구성을 설명하기에 앞서, 우선, 본 발명에 사용되는 주요 구성요소로서 촉각센서(230)의 구성 및 제조공정을 살펴본다.
도 2는 본 발명에 사용되는 촉각센서(230)의 측면도이고, 도 3a 내지 도 3j는 촉각센서(230)의 제조방법을 보인 공정도이다.
촉각센서(230)의 구성은 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 두께의 고분자 필름(101)상에 코팅층(102)과 금속층(103)이 순서대로 형성되고, 금속층(103) 상에 저항체(104)를 형성하여 제조된 상판;과 소정의 두께의 고분자 필름(111)상에 코팅층(112)과 금속층(113)이 순서대로 형성되고, 금속층(113) 상에 저항체(114)를 형성하여 제조된 하판;으로 이루어져 있으며, 상판의 저항체(104)와 하판의 저항체(114)가 대향되도록 스페이서(115)를 포함하여 구성된다.
<촉각센서의 제조공정>
이하에서는 도 3a 내지 도 3j를 참고하여 본 발명에 사용되는 촉각센서의 제조공정을 살펴본다.
촉각센서는 먼저, 도 3a 내지 도 3d와 같은 공정을 통해서 상판을 제조하고, 도 3e 내지 도 3i와 같은 공정을 통해서 하판을 제조한 후, 도 3j와 같이 상판과 하판을 본딩하여 촉각센서(230)를 제조하게 된다.
이를 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 상판의 제조 과정을 살펴보면, 도 3a 와 같은 125㎛ 두께를 갖는 캡톤 폴리이미드 필름(101)상에 도 3b와 같이 고분자 재료인 HD 4000을 코팅하여 코팅층(102)을 형성하게 된다. 여기서 코팅층(102)은 통상의 스핀코팅 장비를 이용하여 코팅하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3c와 같이 코팅층(102) 위에 금속을 증착하여 금속층(103)을 형성한 후 리프트-오프 공정을 이용하여 신호선을 형성하게 된다. 여기서 사용되는 금속은 티타늄, 니켈, 금의 그룹에서 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 금속층(103)은 이-빔(E-beam) 또는 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 증착하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3d와 같이 금속층(103) 위에 저항체(104)를 형성하게 된다. 여기서 저항체(104)는 감압잉크 또는 니크롬(Ni-Cr)을 사용하는 것이 바람직하며, 감압잉크를 사용하는 경우에는 스크린 인쇄법을 이용하여 감압잉크를 도포한 후 저항체(104)를 형성하고, 니크롬을 이용하는 경우에는 니크롬을 이-빔 또는 스퍼터 장비를 이용하여 증착한 후 에칭을 통해 저항체(104)의 패턴을 형성하는 것이 바람직 하다.
상기와 같은 방법으로 상판을 제조한 후에는 상판 제조와 동일한 방법으로 하판을 제조하게 된다.
하판 제조 과정을 살펴보면, 도 3e와 같이 50㎛ 두께를 갖는 캡톤 폴리이미드 필름(111)상에 도 3f와 같이 고분자 재료인 HD 4000을 코팅하여 코팅층(112)을 형성하게 된다. 하판의 코팅층(112)도 통상의 스핀코팅 장비를 이용하여 코팅하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3g와 같이 코팅층(112) 위에 금속을 증착하여 금속층(113)을 형성한 후 리프트-오 공정을 이용하여 신호선을 형성하게 된다. 여기서 사용되는 금속은 티타늄, 니켈, 금의 그룹에서 선택된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 금속층(113)은 이-빔(E-beam) 또는 스퍼터(sputter) 장비를 이용하여 증착하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 3h와 같이 금속층(113) 위에 저항체(114)를 형성하게 된다. 여기서 저항체(114)에는 감압잉크 또는 니크롬(Ni-Cr)을 사용하는 것이 바람직하며, 감압잉크를 사용하는 경우에는 스크린 인쇄법을 이용하여 감압잉크를 도포한 후 저항체(114)를 형성하고, 니크롬을 이용하는 경우에는 니크롬을 이-빔 또는 스퍼터 장비를 이용하여 증착한 후 에칭을 통해 저항체(114)의 패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 저항체(114)를 제외한 금속층(113) 위에 소정의 두께로 스페이서(115)를 형성하게 된다. 여기서 스페이서(115)는 절연물질을 이용하는 것이 바람 직하며, 두께는 저항체(114)의 두께보다 2.1배 이상 높게 하여 상판과 하판 접착시 에어 갭(Air Gap)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 에어 갭이 너무 높게 형성되면 측정하고자 하는 최소 힘 크기가 크게 되어 측정 감도가 저하되어 검출에 정확성이 떨어질 우려가 있으므로, 이러한 점을 고려하여 에어 갭을 설정하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 과정을 통해 상판과 하판이 제조되면, 도 3j와 같이 상판의 저항체와 하판의 저항체가 대향되도록 본딩 공정을 통해 접촉하게 한다. 본딩된 촉각센서는 외부의 힘에 의해서 니크롬 저항체의 접촉 면적에 따른 저항률의 변화를 측정함으로써, 촉각센서의 감도를 나타낼 수 있다. 여기서 사용된 본딩 방법은 양면테이프를 이용하거나 필름 접착용 열접착 테이프를 이용하여 접착하는 것이 바람직하며, 이로써 별도의 반도체 공정을 이용하지 않아도 되므로 비용의 면에서 경제적이다.
<터치패드장치의 구성>
이하에서는, 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치에 대한 구성을 설명한다.
도 4는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 측면도로서, 제어부(440)를 생략하여 도시한 것이다. 도 5는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치가 휴대용 컴퓨터(300) 상에 장착되어 있는 상태를 나타낸 것이다.
본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 구성으로는 포인팅 오브젝트( 1:사용자의 손가락 또는 스타일러스 팁 등)에 의하여 작용힘(Fin)이 인가되는 터치패드(210)과, 터치패드의 하부에 위치하고 작용힘(Fin)을 감지하여 소정의 신호를 발생하는 촉각센서(230)와, 촉각센서의 신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 출력하는 제어부(440)와, 터치패드의 하부에 위치하고 제어신호에 기초한 반작용힘(Fout)을 터치패드에 전달하기 위해 구동하는 액추에이터(220)가 있다.
도 4에서는 액추에이터(220)가 촉각센서(230)의 상위에 놓인 것을 도시한 것으로, 액추에이터(220)와 촉각센서(230)의 위치는 서로 바뀌어도 무방하다. 또한, 액추에이터와 촉각센서의 구체적인 배선은 당업자의 범위에서 용이한 사항으로 여기에서 자세한 설명은 생략한다.
터치패드(210)는 이에 접촉하고 있는 포인팅 오브젝트(1)의 위치를 근거로 디스플레이(310)에 커서(312) 등이 위치하는 입력 매체이다. 본 발명에서는 촉각센서(230) 및 액추에이터(220)를 매트릭스 어레이 형태로 배열함이 바람직하다.
특히 터치패드(210)는 종래기술의 터치패드와 마찬가지로 정전 용량방식 또는 저항망 방식이 될 수 있으며, 기타 다른 형태의 감지 기능을 사용할 수 있다. 정전 용량방식은 커패시터와 포인팅 오브젝트 간의 정전용량 커플링을 근거로 터치패드의 표면 위 또는 근처의 포인팅 오브젝트의 위치를 감지한다. 저항망 방식의 경우 서로 다른 두 개의 층이 물리적으로 접촉되어 좌표를 획득하는 방식으로 작동하기 때문에 장기간 사용시 물리적 접촉에 의한 표면 손상이 이루어질 수 있다. 따라서 상당한 접촉 압력을 요구하지 않는 정전 용량방식의 사용이 보다 적합할 수 있다. 그리고, 터치패드는 마우스에 장착된 왼쪽 버튼(314)이나 오른쪽 버튼(316)과 같은 기능을 하는 특별한 장소를 가질 수 있다. 그러나 기존 터치패드는 위치를 감지할 수 있으나 포인팅 오브젝트에 의한 접촉력을 감지할 수 없다. 반면 촉각센서(230)는 위치에 따른 접촉력을 측정할 수 있기 때문에 향후 터치패드로 각광받고 있다.
촉각센서(230)는 터치패드(210)의 하부에 위치하며, 터치패드(210)에 가해진 포인팅 오브젝트(1)의 작용힘(Fin)에 대한 신호를 발생시킨다. 촉각센서(230)의 구성은 앞서 설명한 바와 같다.
촉각센서(230)는 수개의 힘센서들로, 터치패드(210)의 형상에 따라 방사형, 매트릭스형 등으로 배열될 수 있으나, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 매트릭스 어레이(Matrix array) 형태로 구성함이 바람직하다.
촉각센서(230)가 매트릭스 어레이 형태로 구성된다면, 해당 촉각센서의 신호의 처리에 의해 구동되는 액추에이터(220) 역시 매트릭스 어레이 형태로 구성됨이 바람직하다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 촉각센서(230)와 하나의 액추에 이터(220)가 하나의 단위체를 이루어 수개의 단위체가 매트릭스 어레이 형태로 배치되는 형상이다.
매트릭스 어레이 형태로 구성된 터치패드장치는 도 6에 도시된 바와 같이, 터치패드(210) 상의 임의의 수개의 지점에 신호를 인가할 수 있다. 즉, 포인팅 오브젝트(1, 1')가 가하는 작용힘(Fin)의 특성을 감지할 수 있는 촉각센서(230) 및 해당 위치에서 반작용힘(Fout)을 구현하는 액추에이터(220)가 수개 존재하는바, 멀티터치(multi-touch)가 가능하다.
촉각센서(230)에서 신호의 처리에 관하여는 도 7을 참고하여 이하 동작예에서 설명하기로 한다.
제어부(440)는 촉각센서(230)에서 감지한 작용힘(Fin)의 신호에 기초하여 제어신호를 발생시키고, 이러한 제어신호를 액추에이터(220)로 출력한다. 제어부(440)는 극소형으로서 컴퓨터 또는 휴대용 전자/통신기기(휴대폰 등) 등에 쉽게 내장이 가능한 마이컴(MICOM) 또는 전용 칩셋을 사용함이 바람직하다.
제어부(440)에서는 반작용힘(Fout)이 터치패드를 통해 충분히 출력될 정도의 제어신호가 발생하여야 하므로, 이러한 제어신호의 발생에 필요한 정보가 함수나 룩업테이블로 미리 프로그래밍되어 있음이 바람직하다. 그 프로그래밍 내용은 이하, 도 10a 및 도 10b에 나타난 진동수(f)와 진폭(A) 사이의 관계를 기초로 한 것 일 수 있으며, 이에 대한 내용은 이하 동작예에서 설명하기로 한다.
액추에이터(220)는 터치패드(210)의 하부에 위치하고, 다양한 반작용힘(Fout)이 사용자에게 출력되도록 구동된다. 액추에이터(220)는 회전, 병진 또는 선형운동을 할 수 있다. 특히 액추에이터(220)의 회전운동은 상기 터치패드(210)의 강도, 진동가능한 변위 등을 고려하여 선형운동으로 변환됨이 바람직하다.
액추에이터(220)로는 압전 액추에이터, 보이스 코일(voice coil) 액추에이터, 고분자(polymer) 액추에이터 등이 있다.
압전 액추에이터는 전계에 의해 유기되는 압전체의 변형 특성을 이용하므로 기계 동작방식에 비하여 동작시간이 0.1㎳정도로 매우 짧고, 변위 정밀도가 0.01㎛ 정도로서 미세영역에서의 위치 제어능력이 매우 뛰어난 특성을 갖는다. 그리고 얇고, 작게 구성할 수 있기 때문에, 휴대용 컴퓨터 또는 전자/통신기기(예를 들어, 휴대폰 등) 등의 콤팩트한 하우징에 적합하게 사용할 수 있다. 또한 압전 액추에이터는 매우 낮은 전력을 요구하므로 제한된 전력(예를 들어, 휴대용 배터리 등)을 공급받는 휴대용 컴퓨터 또는 전자장치에 유용하다.
보이스 코일 액추에이터는 코일과 자석을 포함하는 것이 바람직하며, 전류가 코일을 통해 흐르고, 자석의 자계와 상호작용하여 액추에이터의 가변부위에 힘을 발생시킨다.
고분자 액추에이터는 경량이고, 유연성이 풍부한 특성을 지닌 고분자 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 고분자 액추에이터는, 폴리불화 비닐리렌을 이용한 고분자 압전소자, 전자 도전성 고분자 등을 이용한 도전성 고분자 액추에이터, 고분자 겔(gel)을 이용한 겔 액추에이터 등이 있다. 상기 고분자의 재료적 특성으로 인하여 고분자 액추에이터는 가요성(flexible)인 터치패드에 효과적으로 사용될 수 있다.
도 8은 촉감 피드백을 제공하기 위한 구동장치의 블록도이다. 신호선이 매트릭스 어레이(Matrix array) 형태로 형성된 촉각센서(230)에서 발생된 신호가 제어부(440)로 인가되기 전에, 촉각센서(230)에서 발생된 작용힘의 신호를 순차적으로 검출하는 릴레이 멀티플렉서(420 :Relay multiplexer) 및 멀티플렉서(420)의 신호를 소정의 레벨로 증폭시키는 증폭기(430)가 더 부가됨이 바람직하다.
여기서, 증폭기(430)는 아날로그 증폭기, 디지털 증폭기, 전압 증폭기 등 다양한 종류의 증폭기가 사용될 수 있다.
또한, 촉각센서에서 발생된 신호 중에 포함된 잡음을 제거하기 위한 잡음제거부(미도시: 예를 들어, 필터 등) 를 더 부가함이 바람직하다. 잡음을 제거함으로써, 반작용힘의 구현시 효율을 도모할 수 있다.
디지털 증폭기는 전력의 소모가 작고, 크기가 작으므로 컴퓨터, 휴대용 전자제품 등에 쉽게 내장할 수 있으며, 하나의 주문형 반도체로 제작이 가능해 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하다는 장점이 있다. 디지털 증폭기를 사용하는 경우에는 아날로그 신호와 디지털 신호간에 신호를 변환하기 위한 컨버터(미도시: ADC (analog-to-digital convert) 또는 DAC(digital-to-analog convert))를 더 부가함이 바람직하다.
<기록매체의 구성>
이하에서는, 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 기록매체에 대하여 살펴본다. 기록매체는 터치패드에 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 작용힘을 인가하는지 여부를 감지하는 프로그램 코드(C1)와 촉각센서에서 작용힘을 감지하여 소정의 신호로 검출하게 하는 프로그램 코드(C2)와 제어부에서 촉각센서의 검출신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 발생시키도록 하는 프로그램 코드(C3) 및 제어신호에 기초한 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위해 액추에이터를 구동시키는 프로그램 코드(C4);를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 기록된 것이다.
기록매체에 기록된 컴퓨터 프로그램은 상기된 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 구동방법을 구현하는 방향을 설정하는 역할을 하게 된다.
<터치패드장치의 동작>
이하에서는, 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 구동방법에 대하여 바람직한 실시예로 설명한다.
도 9는 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 구동방법의 흐름도이다. 구동방법으로는 크게 촉각센서가 매트릭스 어레이 형태로 배열된 터치패드장치의 터치패드에 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 작용힘을 인가하는 단계(S10)와 터치패드 하부의 촉각센서가 작용힘을 감지하여 소정의 신호를 발생시키는 단계(S20)와 제어부에서 촉각센서의 검출신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 발생시키는 단계(S30)와 제어신호에 기초하여 반작용힘을 터치패드에 전달하기 위해 액추에이터를 구동시키는 단계(S40)로 나누어 볼 수 있다.
이하에서는, 터치패드 하부의 촉각센서가 작용힘을 감지하여 소정의 신호를 발생하는 단계(S20)에 대하여 살펴본다. 바람직하게는 도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(440)로 신호가 전달되기 전에 릴레이 멀티플렉서(420), 증폭기(430)와 잡음제거부(미도시: 필터 등)가 부가되어 신호의 증폭 또는 잡음 제거단계(S22)가 더 부가될 수 있다.
촉각센서가 매트릭스 어레이 형태로 배열된 터치패드장치에 포인팅 오브젝트(1)가 가한 작용힘의 신호는 릴레이 멀티플렉서(420)에 의하여 순차적으로 검출된다.
상기 검출된 신호는 증폭기에 의하여 소정의 레벨로 증폭된다. 도 7은 증폭기에 의하여 신호가 증폭되는 회로도를 나타낸다. 도 8의 구성에서 릴레이 멀티플렉서(220)를 생략한 것이다. 이하에서는 매트릭스 어레이 형태로 배열된 촉각센서 에서의 저항을 Rnm(n:매트릭스의 행, m:매트릭스의 열)이라 하고, 그 중 저항 R01 에 발생한 신호의 증폭에 대하여 설명한다.
출력단자의 출력은 아날로그 증폭기(430)의 부(-) 입력단자로 인가되고, 아날로그 증폭기(430:OPAMP1)의 정(+) 입력단자(V+)에는 측정 대상인 저항에 연결된 메인 입력라인 이외의 입력 라인으로 인가되는 전압 VGND 와 동일한 크기의 전압이 인가된다.
여기서 상기 아날로그 증폭기(430: OPAMP1)의 출력단자와 부(-) 입력단자 사이에 접속된 귀환 저항(Rf)의 저항치는 촉각센서를 구성하는 저항(R01)의 저항치와 동일한 크기로 설정하는 것이 바람직하다.
아날로그 증폭기(OPAMP1)의 출력(Vout) 값은 아래의 [수학식1]과 같다.
Figure 112008010963292-pat00001
(Vin:R01에 연결된 메인 입력라인의 전압, Vout: OPAMP1의 출력 전압, Rf:귀환 저항, R01:촉각센서 내의 측정대상 저항)
이하에서는, 액추에이터를 구동시키기 위한 제어신호의 발생 단계(S30)에 대하여 살펴본다.
제어신호는 액추에이터를 구동시키기 위한 신호로서, 촉각센서의 검출신호에 기초하고, 바람직하게는 작용힘의 특성이 반영되고, 작용힘에 비례하는 반작용힘(Fout)을 사용자에게 전달하여야 하므로, 작용힘(Fin)에 대한 정보를 갖게 된다. 그 정보를 구성하는 파라미터로는 진폭(A)과 주파수(f)가 있다.
도 10a 및 도 10b는 작용힘에 대한 제어신호의 정보로서 진폭(A) 및 주파수(f)의 상대적 크기를 나타낸 그래프이다.
도 10a의 그래프 상에서, x축은 작용힘을 나타내고, y축은 제어신호의 정보파라미터로서 진폭(A) 및 주파수(f)를 나타낸다.
일실시예로, 질감, 즉 부드럽거나 딱딱한 느낌을 전달하기 위해서는 진폭(A)과 주파수(f)는 반비례 관계에 놓이게 된다. 제어신호가 전달된 액추에이터를 구동시켜 터치패드 상에 부드러운 느낌((가)영역)을 전달하려면 상대적으로 주파수(f)는 작은 값을 갖게 되고, 진폭(A)은 큰 값을 갖게 된다. 반대로 터치패드 상에 딱딱한 느낌((나)영역)을 전달하려면 상대적으로 주파수(f)는 큰 값을 갖고, 진폭(A)은 작은 값을 갖게 된다.
상기의 도 10a와 마찬가지로, 도 10b의 그래프에서, x축은 작용힘을 나타내고, y축은 제어신호의 정보파라미터로서 진폭(A) 및 주파수(f)를 나타낸다. 도 10b는 주파수(f)가 일정할 때, 진폭(A)이 가변적인 관계에 기초하여 제어신호의 정보를 결정하는 방식이다.
따라서, 진폭(A)과 주파수(f)의 관계는 제어부(440)에 미리 프로그래밍 되어 있음이 바람직하다.
또한, 도 10a 및 도 10b에 나타난 진폭(A)과 주파수(f)의 관계 이외에도 다양한 경우의 수로 제어신호의 정보를 다양화할 수 있다.
이하에서는, 제어신호에 기초하여 액추에이터를 구동시키는 단계(S40)에 대하여 살펴본다. 상기와 같이 작용힘에 대한 정보를 갖는 제어신호는 액추에이터로 인가된다. 이때 제어신호를 인가받는 액추에이터는 작용힘이 가해진 해당 지점에 위치한 것이다. 이후, 제어신호를 인가받은 액추에이터는 소정의 주파수(f) 및 진폭(A)으로 구동(병진, 회전, 선형운동 등)되고, 바람직하게는 작용힘(Fin)에 비례하는 반작용힘(Fout)이 작용힘(Fin)이 가해진 당해 위치에서 사용자에게 출력된다.
이때, 액추에이터 구동단계(S40)에는 터치패드상에 포인팅 오브젝트가 접촉하는지 여부를 판단하는 단계(S41), 판단결과 포인팅 오브젝트가 접촉하는 경우 액추에이터를 구동시키는 단계(S42) 및 판단결과 포인팅 오브젝트가 접촉하지 않는 경우 액추에이터를 비구동시키는 단계(S43)로 구성됨이 바람직하다.
포인팅 오브젝트의 접촉여부 판단결과, 터치패드상에 반작용힘(Fout)이 전달될 수 있는 포인팅 오브젝트(1)가 접촉되지 않는 경우에는 반작용힘(Fout)이 0[N]이 되도록 하여 전원을 절약할 수 있다. 이는 휴대용 배터리 등으로 운영되는 휴대용 컴퓨터 또는 휴대폰의 사용에 있어서 전력 절감에 기여를 할 수 있다.
이러한 동작은 액추에이터로 제어신호를 출력하지 않는 방법 등으로 제어 부(440)에서 담당할 수 있다.
<변형예>
다른 실시예로, 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치는 상기 실시예에서 기재된 휴대용 컴퓨터(300)뿐만 아니라, 기타 평면에 설치되는 컴퓨팅 장치, 포켓용 또는 사용자가 한 손으로도 사용가능한 개인 휴대장치(예를 들어,PDA, PMP)등에 사용될 수 있다. 도 11은 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치가 휴대폰에 설치된 상태를 나타낸다. 이는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치가 휴대폰에 설치된 일예를 나타낼 뿐, 설치된 위치, 상태 등이 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 터치패드장치가 원격제어장치로서, 게임 머신 또는 시뮬레이션에 사용되는 경우도 있다. 예를 들어, 사용자에 의하여 제어되는 게임용 총이 발사되도록 작용힘을 인가하면, 작용힘의 특성이 반영되고 그에 비례하는 반작용힘이 사용자에게 출력될 수 있게 된다.
다른 실시예로, 도 12는 터치패드장치가 디스플레이 또는 컴퓨터 등과 분리되어 구성된 상태(타블렛(tablet)에 활용된 예)를 나타낸다. 사용자가 포인팅 오브젝트(1)를 사용하여 터치패드(210)상에 그림을 그리거나 신호를 인가하는 행위를 하면, 그 결과가 화면표시부(622)에 나타나고, 상기의 구동방법을 통해 작용힘(Fin)의 특성이 반영되고 그에 비례하는 반작용힘(Fout)이 사용자에게 전달된다.
다른 실시예로, 상기 터치패드(210)는 가요성(flexible) 터치패드가 될 수 있는바 평면 이외에도 터치패드(210)의 기능 및 내구성 등을 손상시키지 않는 범위에서 원통형, 구형 등의 다양한 형태가 될 수 있다. 따라서, 상기 터치패드(210)의 하부에 존재하는 촉각센서(230) 및 액추에이터(220)도 그에 적합한 형태로 배열될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 액추에이터(220)는 상기 압전 액추에이터, 보이스 코일 액추에이터, 고분자 액추에이터뿐만 아니라 표준 스피커, E-코어형 액추에이터, 솔레노이드, 무선 호출기 모터, DC모터, 스태핑(stepping)모터 등의 다른 유형의 액추에이터들이 사용될 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 기존의 터치패드장치의 측면도,
도 2는 본 발명에 사용되는 촉각센서의 측면도,
도 3a 내지 도 3j는 본 발명에 사용된 촉각센서의 제조방법을 보인 공정도,
도 4는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 측면도,
도 5는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치가 휴대용 컴퓨터상에 장착되어 있는 상태도,
도 6은 액추에이터 및 촉각센서가 매트릭스 어레이 형태로 배열된 터치패드장치의 사시도,
도 7은 증폭기에 의하여 촉각센서의 신호가 증폭되는 회로도,
도 8은 촉감 피드백을 제공하기 위한 구동장치의 설치흐름도,
도 9는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치의 구동방법의 흐름도,
도 10a 및 도 10b는 터치패드상에 작용한 힘에 따른 액추에이터의 진동 파라미터 간의 관계를 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치가 휴대폰 상에 장착되어 있는 상태도,
도 12는 본 발명인 촉각센서를 이용한 터치패드장치가 디스플레이의 하우징과 분리된 상태도를 나타낸다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1,1': 포인팅 오브젝트
210: 터치패드
220: 액추에이터
230: 촉각센서
40,240: 기준면
300: 휴대용 컴퓨터
420: 릴레이 멀티플렉서
430: 증폭기
440: 제어부
500: 휴대폰
312, 502: 커서
510,622: 화면표시부
610: 컴퓨터 본체
620: 디스플레이

Claims (17)

  1. 사용자가 포인팅 오브젝트를 사용하여 디스플레이 위치를 지시하기 위한 장치로서, 상기 포인팅 오브젝트의 작용힘이 인가되고, 그에 따른 반작용힘이 전달되는 매체인 가요성의 터치패드;
    상기 터치패드의 하부에 위치하고, 상기 작용힘을 감지하여 소정의 신호를 발생시키는 촉각센서;
    상기 촉각센서의 신호에 기초하여 하기 액추에이터를 구동시키기 위한 소정의 제어신호를 출력하는 제어부; 및
    상기 터치패드의 하부에 위치하되 상기 촉각센서의 상부 또는 하부에 위치하고, 상기 제어신호에 기초하여 반작용힘을 상기 터치패드에 전달하기 위한 액추에이터;로 구성되며,
    상기 액추에이터는 보이스 코일 액추에이터, 압전 액추에이터, 고분자 액추에이터 중 어느 하나이고,
    사용자가 상기 포인팅 오브젝트를 사용하여 상기 터치패드에 작용힘을 인가하면, 해당 위치에서 그에 따른 반작용힘을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 촉각센서 및 상기 액추에이터는 매트릭스 어레이 형태로 배열되어 멀티터치가 가능한 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부에 신호가 인가되기 전, 상기 촉각센서의 신호를 소정의 크기로 증폭시키는 증폭기가 더 부가되는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드 백용 터치패드장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 증폭기의 증폭률은 아래 [수학식]에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치.
    [수학식]
    Figure 112008010963292-pat00002
    (Vin:R01에 연결된 메인 입력라인의 전압, Vout: OPAMP1의 출력 전압, Rf:귀환 저항, RNM:촉각센서 내의 측정대상 저항)
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 촉각센서에서 감지한 작용힘에 대한 신호를 순차적으로 검출하는 릴레이 멀티플렉서가 더 부가되는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 작용힘을 이용한 제어신호는 주파수(f)와 진폭(A)이 반비례하는 반비례 신호이며,
    상기 반작용힘은 상기 반비례 신호에 기초하여 부드러운 촉각과 딱딱한 촉각으로 구분하여 전달될 수 있는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 촉감피드백용 터치패드장치.
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