KR101769889B1 - 수동 입력 동작과 연관된 신호의 생성 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수동 입력 동작, 특히 물리적 디바이스의 앞에서 손들 또는 손가락들을 가지고 사용자에 의해 행해지는 제스처-형 입력 동작과 연관된 신호를 생성시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 특히 사용자 프로그램 상호작업들을 위한 제어신호들로서, 신호처리동작들을 위한 입력신호들을 생성할 수 있는 해결책을 제공하는 것이다. 여기서 신호들은 특히 신뢰성이 있고 정확한 방식으로 수동 입력 동작들, 특히 사용자에 의해 행해지는 제스처-형 입력 동작들과 관련이 있다. 이 문제점은 그 자체로서 사용자에 의해 행해진 수동 입력 동작들과 상호관계가 있는 입력 신호들을 생성시키는 시스템에 의한 본 발명에 의해 해결된다. 여기서 시스템은 서로 인접한 몇 개의 평면 형상 전극들로 이루어지고 기기 부품에 통합된 전극 그룹 및 전극 그룹의 전극들과 연결된 회로 배치를 포함하며, 전극 그룹과 회로 배치는 기기 부품의 물리적 접촉으로서 평가할 상태의 검출 및 기기 부품의 공간적으로 상류에 놓여 있는 영역에서의 사용자의 손 또는 손가락의 위치 검출을 가능케 하는 센서회로를 구성한다.

Description

수동 입력 동작과 연관된 신호의 생성 시스템 및 방법{System and method for the generation of a signal correlated with a manual input operation}
본 발명은 사용자에 의해서 손 또는 손가락으로 물리적 디바이스에 대하여 행해지는 수동, 특히 제스처-형 입력 동작과 연관된 신호를 생성시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
여기서 이 신호는 전자 디바이스, 특히 사용자 프로그램을 사용하기 위해 제공된 컴퓨터 시스템을 제어하는 데 사용된다.
본 발명의 목적은 해결책들을 만들어내는 것이며, 이 해결책들에 의해, 특히 사용자 프로그램 상호작용들을 위한 제어신호들로서, 신호처리동작들을 위한 입력신호들을 생성시키는 것이 가능하며, 이 신호들은 사용자에 의해 행해지는 수동, 특히 제스처-형 입력 동작들과 특히 신뢰할 수 있고 정확하게 연관된다.
이 문제는 본 발명에 의해, 사용자에 의해 행해지는 수동 입력 동작들과 연관된 입력 신호들을 생성시키는, 하기를 포함하는 시스템에 의해 해결된다:
- 몇 개의 평탄 형상의 인접 전극들을 포함하는 기기 부품에 통합된 전극 그룹, 및
- 이 전극 그룹의 전극들과 연결된(coupled) 회로 배치,
- 여기서, 전극 그룹과 회로 배치는 기기 부품의 물리적 접촉의 상태를 검출하고 또는 기기 부품 위에 공간적으로 놓여있는 영역에 있는 사용자의 손 또는 손가락의 위치를 검출할 수 있는 센서 회로를 구성한다.
그래서, 유리하게는 사용자에 의해 조정되는(coordinated) 수동 입력 동작들을 위한 입력 인터페이스를 생성할 수 있으며, 이 입력 인터페이스는 손가락의 자유공간이동(free spatial movement)과 전극 배치를 수용하는 구조체의 물리적 접촉 사이를 신뢰성 있게 구별하는 것을 가능케 한다. 특히 유리한 모드에서는, 이러한 방식으로 제스처 및 커서 제어 및 선택 프로세스들을 다루는 것이 가능하며, 이 프로세스들은 접촉 프로세스로 종료되거나 또는 확인되며 또는 하나 또는 몇 개의 간단한 접촉 단계들을 포함한다. 본 발명은 특정 범위에서 “히든(hidden) 인터페이스”의 구현에 적합하며, 이 히든 인터페이스에 의해 통상 설계 속성을 갖는 전자 기기들의 경우에는 직관에 의해 잘 제어할 수 있는 추가 기능이 제공될 수 있다. 본 발명은 별개의 평면 형상 기기 부품들, 특히 디스플레이들, 하우징들, 사용자 패널들 및 특히 또한 컴퓨터 키보드들의 경우에 사용하는 데 특히 적합하다.
본 발명의 특정 유형에 따라, 최초 위치 검출(position detection primary)은, 전극 그룹에 포함되고 서로 이격되어 있는 몇 개의 서브 전극들로 이루어진 전극 서브 그룹에 의해 달성된다.
개개의 전극들은 바람직하게는 전극들의 전체가 대부분 닫힌 영역을 나타내도록, 윤곽이 그려진다. 이들 전극의 회로 배치와의 전기적 연결은, 터치 검출이 전극 그룹의 전극 상에서 주로 작용하는 전기 효과들에 의해 이루어지며 그렇게 하여 터치 검출이 이 전극에 의해 검출되도록, 이루어진다. 이 전극이 크기에 있어 가장 큰 전극을 나타내도록, 이 전극은 구성된다. 이 전극은 그것이 위치 검출 전극들과 실질적으로 동일한 영역 상에서 연장하도록, 구성될 수 있다. 터치에 제공된 이 전극은 또한 전방에 또는 바람직하게는 위치 검출 전극들의 뒤에 배열될 수 있다.
터치의 검출은 예를 들면 전극과 사용자와의 의미 있는 정전용량성 결합의 존재를 결정하는 전극에 의해 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 전극은 절연체로 덮여 있고, 그래서 전극의 어떠한 갈바닉(galvanic) 접촉도 일어나지 않는다. 그러나, 터치 검출에 역할을 하는 이 전극이 사용자에 의해 갈바닉 접촉이 일어날 수 있는 실시예들이 또한 가능하다.
의미 있는 신호 레벨에 기초한 터치 상태의 검출 이외에, 전극에 작용하는 동적 특징들에 기초하여 터치 검출을 결정할 수도 있다. 그래서, 예를 들면 전극에 가해진 전압 레벨의 현저한 저하(stagnancy) 또는 그 전극을 포함하여 구성된 정전용량성 시스템의 정전용량의 저하는 접촉으로 분류될 상태를 줄 수 있는 상황과 관련된 증거로서 일부의 레벨 상에 사용될 수 있다. 사용자의 손가락 또는 손의 본 발명에 따른 시스템에의 접근 상태를 터치 상태로의 평가는, 또한 특히 절대 신호 레벨, 신호 레벨의 시간 응답에 대한 도함수 및 해당되는 경우 삼각 측량(triangulation)의 결과들의 여러 가지 결합 처리 기준들에 의해 이루어질 수 있다. 접촉을 표시하는 삼각 측량 결과가 효과적이기 때문에, 예를 들면 삼각 측량의 결과(그의 위치 검출 전극들까지의 계산된 개개의 거리들)은 검출된 물체가 위치 검출 전극들에 의해 정의된 레벨에 적어도 상당히 가까이 놓여 있다는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 전극 그룹은 개개의 전극들의 형상 및 전극들의 각각의 다른 전극을 향한 배치(management)에 대하여 대칭적으로 구성될 수 있다. 이러한 사상들은 특히 한-손 입력 시스템에 특히 적합하다. 본 발명에 따른 전극 그룹은 그것이 두-손 입력에 의해 달성될 수 있게 구성하는 것도 가능하다. 이러한 애플리케이션들을 위하여, 전극 그룹의 한 존(zone)이 이 목적을 위해 해당 디바이스의 유리한 영역에서 특히 정확한 위치 검출을 목적으로 하고 나머지 영역은 실질적으로 터치 검출을 목적으로 하도록 전극 그룹은 구성될 수 있다. 시스템을 본 발명에 따른 컴퓨터 키보드에 통합하는 경우에, X-축, Y-축 및 바람직하게는 Z-축에 대한 아주 정확한 정보가 또한 예를 들면 수 패드들(number pads)의 범위에서 결정될 수 있으며, 또한 왼손에 배정된 키 패드 영역에서 그들 터치 검출은 키보드의 물리적 부품의 제 2 손에 의한 접촉의 검출 위에 설계된다.
예를 들면, 손이 접근의 영역 내에 있기 전에, 즉 아직 접촉 전에, 검출된 신호들에 따라서 접촉시에, 예를 들면 결정된 위치 정보를 처리하도록 시스템을 연속으로 측정하는 것이 가능하다.
게다가, 전극들의 주 위치 검출 전극 또는 터치 검출 전극들로서의 기능이 메모리에 기초하여 결정될 수 있도록 회로 배치와 전극들을 설계하고 연결할 수 있다. 또한, 전극들의 기능을 동적으로 조절할 수 있다. 그래서, 위치 검출을 위한 각 접근 상태에 대해서는 특히 신뢰성 있는 삼각측량이 가능한 전극 그룹이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 전극 그룹은 주 전극 및 그것들의 서브 전극들을 포함하도록, 전극 그룹이 배열된다. 바람직하게는 매번 서브 전극들이 주 전극보다 더 작은 하나의 전극 표면을 갖도록 서브 전극들이 구성된다. 서브 전극들의 총 면적이 주 전극의 총 면적보다 작도록, 서브 전극들은 특히 작은 표면을 갖도록 설계될 수 있다.
특히 전극 그룹의 직사각형 전극 그룹으로서의 구성에서, 서브 전극들을 검출 존의 가장자리 영역에 배치할 수 있다. 서브 전극들은 매번 중앙에 대하여 직사각형 표면의 전방에 놓여 있는 전극 쌍을 구성하도록, 서브 전극들이 배열될 수 있다. 그래서, 좌 및 우 전극을 통하여 X-축에 대한 상당히 정확한 데이터를 얻을 수 있고 상 및 하 전극을 통하여 Y-축에 대한 상당히 정확한 데이터를 얻을 수 있다. 그리고 나서 이 정보의 전체로부터 일부의 일치(합치) 및 추가 접근 평가들을 갖는 Z-축에 대한 정보가 정해질 수 있다.
상당히 길게 연장된 전극들 및 검출 존의 가장자리 영역을 따라 연장되는 전극들로서의 서브 전극들의 형태에 대한 대안예로서, 서브 전극들을, 상당히 작고, 견고하게 형성된 전극들로서, 검출 존의 해당하는 가장자리 영역들에 배치할 수도 있다.
서브 전극들을 경계 가까이에 또는 전극들을 가장자리 영역에 앞서 설명된 배열은, 터치 패드 디스플레이 시스템들과 관련하여 본 발명에 따른 기술을 사용하는 경우에 아주 적합하다.
본 발명에서 언급된 추가 해결 사상에 따르면, 서브 전극들을, 주 전극에 의해 둘러싸인 영역에 배열할 수도 있다. 이 점에서 서브 전극들은 중앙에 실질적으로 가까운 전극 그룹으로 설계될 수 있거나, 또한 서브 전극들은, 대안적으로, 그것들의 중량의 표면 중심이 터치 검출 존의 배정된 사분면 또는 세그먼트의 중량의 표면 중심에 상당히 가까이 놓이도록, 배열될 수 있다.
바람직하게는, 전극 배열은 검출 존이 실질적인 직사각형 영역을 나타내도록 구성된다. 이 점에서 전극 서브 그룹은 바람직하게는 검출 존에서 기본적으로 회전 대칭 또는 점-대칭적으로 구성된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 전극 서브 그룹이 네 개의 서브 전극들을 포함하도록 전극 서브 그룹이 구성되며, 서브 전극들의 위치는 서브 전극들의 중량의 표면중심이 직사각형, 마름모 또는 정사각형의 가장자리들을 나타내도록, 고정된다.
본 발명에 따른 시스템에는, 전극 그룹 아래의 검출 존에서 떨어져 붙여진 전극의 하나의 하부 측에 연장하는 캐리어 전극이 설치될 수 있다. 이 캐리어 전극을 통하여 후방 차폐가 얻어질 수 있다. 캐리어 전극은, 이 캐리어 전극이, 전극 그룹의 아래 측의 광범위한 차폐를 위한, 차폐 전극으로서 동작되도록 회로 배치 또는 또 하나의 드라이버 회로에 연결될 수 있다. 캐리어 전극은 또한 터치 검출을 위하여도 사용될 수 있다(도 15, 16 참조).
본 발명에 따른 사상을 통하여 디바이스 전방의 공간영역에서의 사용자의 팔들 특히 손가락의 위치 및 이동을 검출하기 위하여 또한 동시에 사용자가 디바이스의 표면을 터치하는지를 결정하기 위하여, 디바이스에 통합될 수 있는 전자 디바이스를 만들 수 있다. 본 발명은 제스처 제어의 자유도와 접촉에 기초한 동작의 명확도(clearness)를 결합시키는, 사용자와 사용자에 의해 동작되는 디바이스 사이의 새로운 통신채널을 만들 수 있다. 본 발명의 사상은 경제적이고 아주 콤팩트한 하드웨어로 구현될 수 있다. 회로 배치는 해당하는 경우에 단일 ASIC(응용 주문형 집적회로)에 의해 구현될 수 있다. 대안적으로, 본 발명에 따른 회로는 또한 상업적으로 이용가능한 부품들을 가지고 상당한 공간절약형으로(still in a relatively place saving way) 개별적으로 구현될 수 있다.
본 발명은 접촉에 기초한 제어 사상과 접촉 없이 제스처에 기초한 제어 사상 사이의 가교를 만들고 기술을 확장 컴퓨터 애플리케이션( 및 유사한 것)에 통합할 수 있다. 본 발명은 제스처들에 기반한 제어들을 가능케 하며, 제스처들에 기반한 제어들을 적용하는 것을 돕는다.
본 발명에 따른 해결책은, 특정 전극 배열체 및 배정된 회로 배열체로 이루어진 여기에 표시된 시스템 이외에, 접근 과정들의 범위 내에, 기구 부품의 접촉의 경우에 생성된 추출된 사이트 정보(extracted site information) 및 터치 정보를 포함하는 신호를 제공하는 방법을 포함한다.
본 발명의 추가적인 상세한 특징들은 도면과 관련된 다음의 설명에 기인한다.
도 1은 제스처와 접촉 검출의 결합을 위한 본 발명에 따른 시스템에서의 전극 그룹의 구조를 예시하는 개략도이다.
도 2는 도 1에 따른 전극 그룹의 ASIC으로서 실행되는 회로 배치에의 회로 연결을 보여주는 개략도이다.
도 3은 전극 배치의 구조의 두 개의 추가 변형예를 보여주는 개략도이다.
도 4는 이동 및 접촉 과정들에 대한 신호의 시간 응답을 보여주는 챠트 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 신호 처리의 바람직한 변형예를 보여주는 플오루챠트이다.
도 6 내지 도 9는 제스처와 접촉의 결합된(combined) 검출을 위한 본 발명에 따른 시스템에서 본 발명에 따른 전극 그룹들의 추가 변형예의 구조를 보여주는 추가 개략도이다.
도 10 내지 도 12 및 도 15, 도 16은 결합된 접촉 검출의 본 발명에 따른 사상의 더 깊은 설명을 위한 스케치들이다.
도 13 및 도 14는 디스플레이 디바이스들과 결합하여 사용하기 위한 본 발명에 따른 사상을 설명하기 위한 스케치들이다.
도 17, 도 18 및 도 19는 데이터 프로세서들-본 예에서는 노트북 또는 데스크탑 컴퓨터들 및 프로젝션 장치들과 연결하여 본 발명에 따른 시스템을 사용하는 것을 보여주는 스케치들이다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템과 사용자에 의해 행해지는 수동 입력 동작들을 서로 연결시키는 입력신호들을 생성시키는 본 발명에 따른 시스템을 위한 전극 그룹의 구조를 도시한다.
전극 그룹은 서로 인접한 몇 개의 평면 형상 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)을 포함한다. 이들 전극 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)은 도 2와 결합하여 다음에 더 상세하게 설명되는 회로 배치에 연결된다.
전극 그룹은 전체로서 손발, 특히 사용자의 손가락의 공간적 검출을 가능케 하고, 또한 접촉을 측정(평가)하기 위한 근사 상태의 검출을 가능케 하는 검출 존(detection zone)을 정의한다. 전극 그룹 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)에 연결된 회로 배치는, 전극 그룹 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)에 통하여 터치 검출과 위치 검출이 얻어지도록, 구성되며, 여기서 제 1 위치 검출은 전극 그룹 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)에 포함되고, 서로 떨어진 몇 개의 서브 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)을 포함하는 전극 서브 그룹 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)에 의해 행해진다.
시스템은, 제한된 스펙트럼의 상호작용 선택들(options)을 제공하는, 전극들 위에 비교적 멀리에 놓여 있는 이동하는 물체들(손가락, 손 …)의 존재 검출 또는 약간 더 거친 최초 위치 검출이 가능하도록, 구성될 수 있다. 그래서 예를 들면, 키보드 입력(엔트리)의 더 긴 실패 후에, 상당히 넓게 떨어진 영역에서 여전히 사용자의 손들의 존재가 키보드 앞에서 인식되어 질 때, 스크린 세이버 모드가 디스에이블될 수 있다. 손발, 특히 사용자의 손들의 존재를 더 넓게 떨어진 영역에서 검출하는 경우에, 또한 일부 사용자 및 제스처 해석 모드들이 활성화될 수 있다. 그래서 키보드 또는 약 30 cm의 디스플레이 스크린으로부터 손들을 제거하는 경우에 해당하는 컴퓨터는 어떠한 툴바아들 또는 광대한 제어 패널들도 시각화(영상화)되지 않는 “풀(full) 스크린 모드”에 도달할 수 있다. 이 풀 스크린 모드에서 적은 수의 추세적인 거친 운동근육 제스처들이 인식될 수 있으며, 예를 들면 “페이지-터닝 제스처(page-turning gesture)” 또는 “백 페이지 제스처(back page gesture)”로서 평평한 손을 사용한 암시 및 상응하는 이미지 재생이 개시될 수 있다.
키보드에서 및 동시에 디스플레이 스크린에서 본 발명을 사용하는 경우에 예를 들면 키보드에 충분한 접근이 일어났을 때, 스크린을 통한 입력 모드가 억제될 수 있다. 예를 들면 오른 손가락을 디스플레이 스크린에 접근함으로써 커서가 이 디스플레이 스크린상에서 조종될(navigated) 수 있는 본 발명에 따른 시스템이 또한 컴퓨터에도 사용될 수 있다. 왼 손의 키보드에 대한 공간적 제스처(spatial gestures) 또는 손가락 이동에 의해 선택(selections) 및 척도(scales)와 같은 일부 기능들이 조정될 수 있다. 구체적으로, 예를 들면 오른손의 손가락을 가지고 라인들 및 칼럼들에 배열된 다수의 상들을 갖는 상 미리보기(image preview)로부터 상이 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 키보드의 왼쪽 가장자리 가까이에서 왼손의 엄지손가락과 집게 손가락 사이의 거리를 확장시켜서, 선택된 상이 확대되고(“zoomed”) 다시 축소될 수 있다. 또한 이 콤비-시스템(combi-system)의 경우 직관적 및 특히 우수한 제어가능 방식으로 드래그 및 드롭 작용들(drag and drop actions)이 조정될 수 있다.
여기에 도시된 실시예의 예에서, 전극 그룹 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)은 주 전극 (GEN) 및 서브 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)을 포함한다. 서브 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4 및 EL5)은 매번 주 전극 (GEN) 보다 더 작은 전극 표면을 갖는다. 특히 서브 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)은 그것들의 전체 영역이 주 전극 (GEN)의 유효 전체 영역 보다 더 작다.
서브 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)은 검출 존의 가장자리 존에 도시된 바와 같이 배열된다. 서브 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)은 작은 사각형 스트립들로서 검출 존의 가장자리를 따라서 연장된다.
아래면, 즉 입력 영역과 마주하는 전극 그룹의 뒷 측면에는 생성기 신호(generator signal)를 갖는 전압에 의해 응력을 받는(stressed) 생성기 전극(generator electrode) (GEN)이 위치하게 된다.
도 1에 도시된 전극 배치의 모범적인 실시예에서, 전극 배치는 이미 언급된 바와 같이, 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)으로 역할을 하는 네 개의 띠 형상 서브 전극들 및 중앙에 배열된 터치 검출 전극 (E5)을 포함한다. (전극들의 수는 또한 적용에 따라서 더 작거나 또는 더 커질 수 있다). 이 모범적인 실시예에서의 생성기 전극 (GEN)은 모든 측정 전극들 아래에 놓여있다. 전극들은 사이에 절연층을 갖는 두 층들의 구조에 배열된다. 이 점에서 전극 배치는 예를 들면 두-층 프린트 회로상에 구현될 수 있다 (도 1의 하부 도면 참고).
터치 검출을 가능케 하는 아래 배치의 구별할 수 있는 특징은 큰 전극 (EL5)이 전극들 (EL 내지 EL4)에 의해 점유되지 않은 표면을 채우도록 큰 전극 (EL5)를 제조하는 것이다. 터치-민감 영역은 그것과 함께 전극들 (EL1 내지 EL5)에 걸쳐서 확장한다.
도 2, 도 11, 도 12 및 도 14에 있어서, 할당된(부여된) 전극 배치들에 대한 전극 회로들이 개략적으로 예시되어 있다.
도 2에서 알 수 있듯이, 전극들은 제스처 회로의 제스처 IC의 입력들에 연결되어 있다. CH1 내지 CH5는 그렇지만 회로의 (동일) 채널들이다.
측정 회로는 높은 저항성 입력들을 제공한다. 그러므로, 전극 (EL5)은 위치 검출 전극들 (EL1 내지 EL4)의 기능과 간섭을 일으키지 않는다. 전극 (EL5)는 생성기 전극 (GEN) 및 유사한 전기 포텐셜과 강한 정전용량 결합을 갖는다. 측정 디바이스의 범위가 전극 (E5)의 도입에 의해 영향을 받지 않는 이 이유 때문에, 이것은 도 7 및 도 8에 따른 전극 배치에 또한 적용된다. 이 경우에 범위 수평(range even)은 전극 (EL5)의 영향에 의해 증가된다.
도 3에 도시된 두 개의 모범적인 실시예들은 터치 검출 전극 (EL5)의 검출을 위한 두 개의 가능성을 보여준다. 도 3의 (a)에 따른 실시예는 도 1의 (b)에 따른 실시예에 대응한다. 도 3의 (b)에 따른 모범적인 실시예에서 터치 검출 전극 (EL5)는 한 레벨에 연장되고 이 레벨은 전극들 (EL1, EL2, EL3 및 EL4)에 의해 정의된 전극 레벨로 옮겨진다. 터치 검출 전극 (EL5)은 하우징의 구조 바로 아래에 또는 디스플레이의 상층 바로 아래에 위치될 수 있다.
특히 터치 검출 전극 (EL5)는 넓은 투명 전극으로 만들어질 수 있다. 이 투명 효과는 터치 검출 전극 (EL5)는 충분히 얇게, 예를 들면 진공 금속 용사 또는 화학 증착 금속 층 또는 예를 들면 ITO 층으로, 전도성 플라스틱재로서 충분히 얇게 만들어지거나 또는 미세-거미줄 격자구조로서 만들어진다는 점에서 얻어질 수 있다.
위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)으로서 역할을 하는 전극들의 풀-표면 커버(full-surface cover)에 있어서, 필드 생성을 손상시키기 않도록, 터치 검출 전극에 리세스들을 제공하거나, 또는 때때로 회로 배치에 의해 디커플링될 수 있는 하부 세그먼트들을 만들 수 있다.
도 3은 이 전극 배치가 디바이스의 하우징 (G)안으로 통합된 예들을 보여주고 있다. 부분 프레임 (a)는 모든 전극들이 하우징 내부에 놓여 있는 변형체를 보여준다. 부분 프레임 (b)에서, 전극 (EL5)은 하우징의 표면상에 놓여있다. 이 경우에 접촉의 경우 신호변화가 가장 크고 그래서 아주 우세하다.
도 4에는 본 발명에 따른 시스템을 통하여 전극들에 의해 스캔된 입력 신호들의 굴절률이 예시되어 있다. 전극들은 플라스틱 스페이서(여기서는 두께=6mm)로 덮여있어, 사용자의 손가락이 해당 전극들을 직접적으로 터치할 수 없다. 이 측정에 근거한 전극 배치의 구조는 도 3의 (a)에 따른 배열에 해당한다. 도시된 신호는 하나의 전극에 의해서만 스캔된 신호이다. 나타내어진 시간 경과(time lapse)는 연속적으로 1 초에 해당한다. 개개의 부분 프레임들은 다음을 나타낸다:
(a) 접촉 없이 전극 배치 근처에서 손의 아주 신속한 움직임(이후에는 “제스처(Gesture)”라 명명한다);
(b) 손가락의 최대로 스페이서까지 전극에 접근하고 이어서 전극 상에 놓여짐(“터치 및 그냥 있음(touch and rest)”);
(c ) 손가락으로 스페이서의 접촉 그리고 이어서 손가락의 들어올림, 버턴의 누름과 등가임(“클릭 이벤트”);
(d) 손가락으로 스페이서의 이중 터치(“이중 클릭 이벤트”).
본 발명에 따른 개념을 이용하여, 높은 정의를 가지고 사용자의 제스처 및 터치를 검출할 수 있고 이러한 이유로 사용자의 제스처와 터치 사이를 신뢰성 있게 구별할 수 있다. 도 4에서 알 수 있듯이, 즉, 케이스 또는 커버 (예를 들면 디스플레이 스크린)의 전기절연 스페이서를 사용할 때조차도, 유형 “제스처” 및 유형들 “터치 및 그냥 있음”, “클릭 이벤트” 및 “이중 클릭 이벤트”의 이동들 사이의 차이를 확실하게 구별할 수 있다. (전극 (EL5)이 디바이스의 표면상에 있을 때, 그러나 구별이 더욱더 선명하다.) 차이는 신호 진폭(그것은 디바이스에의 접근에 해당한다)의 특징의 도움으로 생기고, 그래서 신호 편차(signal derivation)는 신호 동력(signal dynamics)(이동의 속도에 해당한다)의 도움으로 생긴다.
손가락이 도달할 때에 신호의 시간적 변화는 케이스의 표면상에서, 정확하게 높은 값에서 적어도 거의 제로 값(표면에 도달하고 어떠한 추가 이동이 불가능하고 손가락은 정지된 상태가 된다)으로 강한 변화를 겪는다는 것은 “터치” 및 “클릭” 이동의 특징이다. “클릭” 및 “이중 클릭 이벤트들”의 경우에, 신속한 변화가, 해당되는 경우, 신호 편차의 큰 네거티브 값의 특징을 나타내는, 신호 진폭의 좁은 시간순서에서의 의미 있는 이중 변화가 뒤따른다.
도 5는 차이의 가능한 알고리즘을 보여준다. 이것은 입력 파라미터로서, 신호 (S)의 진폭, 신호의 시간에 대한 미분 (dS/dt) 및 결정된 이벤트들 사이의 시간 차이 (Δ)를 처리한다.
전자적 제스처들의 신호들은 (거리로부터의 제곱 및 세제곱 의존성으로서) 강한 비선형성을 나타낸다: 손가락 또는 다른 작용 관련 물체가 전극에 가까울수록, 신호의 동일 거리변화에서의 절대변화가 더 커진다. 이 자세(attitude)는, 디바이스의 하우징에의 더 느린 접근은 신호 편차의 더 큰 값을 의미하기 때문에, 접촉의 결정의 안전성을 증가시킨다.
이 이상하고 비전형적인 사용의 상태가 표면상의 접촉 및 그냥 있음과 혼돈될 수 있도록, 인간이 손가락을 하우징의 표면에 아주 가깝게 유지하는 것(가장 작은 이동에 대한 큰 신호 진폭 및 높은 감도)이 가능하지 않다는 것이 실험에 의해 밝혀질 수 있었다.
도 4의 (a)의 신속 이동과 달리, 손가락의 통상 속도로의 이동에 대한 신호는 확실히 더 느린 상승 및 하강 시간을 가지며 “클릭 이벤트”와 훨씬 덜 유사하다.
도 6에 또 하나의 전극 구조가 도시되어 있는데, 여기서 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)은 터치 검출 존의 외부 가장자리 존에서 도 1의 (a)에 따른 모범적인 실시예와 유사하게 배열되지만, 얇은 스트립들로서가 아니라 콤팩트하고, 작고 단단한(stocky) 가장자리 전극들로서 만들어진다. 이들 특정한 가장자리 전극들은 더 작은 크기를 가지며 검출 영역의 가장자리들에 놓여있다. 터치 검출 전극 (EL5)는 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4) 사이의 영역을 채운다.
도 7은 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)이 검출 영역에 놓여있고 터치 검출 전극 (EL5)에 의해 둘러싸여 있는 변형체를 보여준다. 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)은 동전 크기 원형 디스크로서 구성된다. 이들 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)과 터치 검출 전극 (EL5) 사이에 비교적 넓은 환형 자유 존이 형성되어 있다.
도 8은 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4)이 극히 콤팩트하게 만들어지며 검출 영역의 가운데에 놓여 있는 변형체를 보여준다. 터치 검출 전극 (EL5)는 접촉을 위한 검출 영역을 정의한다. 위치를 결정하기 위한 검출 범위는 더 크다.
위에 설명된 전극들의 기하학적 형태는 모범적인 형태들이다. 형상 및 전극들의 상대적 위치들에서 특히 다른, 기타 기하학적 형태들이 또한 가능하다. 아래에 설명된 바와 같이, (EL5) 대신에 생성기 전극을 사용하는 것도 가능하다.
전극들의 수는 애플리케이션에 따라 변할 수 있다. 위치 검출 전극들의 수는 1 (단지 접근 검출)에서 예를 들면 8까지 또는 특수한 경우들에는 그 이상까지 변경할 수 있다. 터치 검출 전극들의 수도 변경할 수 있다. 그래서 예를 들면 검출 영역은 세 개의 터치 검출 전극들을 갖는 세 개의 하부 존들로 분할될 수 있다.
전극들의 아래에 평가회로로서 명명된 제스처 전자기기에의 연결은 여기에는 더 자세하게 나타내지 않은 전도 통로들, 바람직하게는 실드 전도 통로들에 의해 이루어진다. 이러한 연결들은, 프린트 회로들의 부가층에서 구현되거나 또는 (도 8의 전극구조에 대하여) 도 9에 예시된 두-층 프린트 회로의 경우에 구현될 수 있다. 터치 검출 전극 및 이 전극의 생성기가 컷들(cuts)을 구비할 수 있는데, 이는 이 컷들 및 전극들의 연결의 전도 통로들이 바람직하게 전극 표면의 상대적으로 작은 부분이라면, 아주 높은 신호 품질이 얻어지기 때문이다.
도 9에서는 전극들 이외에 연결의 전도성 통로들 및 그의 가능한 접촉점(contacting) K가 인식될 수 있는 변형예가 도시되어 있다. 전극의 이 구조를 디스플레이 바로 위에서 적어도 거의 눈에 띄지 않게 배치될 수 있는 널리 투명한 구조로서 설계할 수 있다. 이 목적에서 터치 검출 전극은 아주 얇은 금속층, 또는 ITO 층, 또는 웨브/그리드로서 구현될 수 있다.
상술한 설명에서, 터치 검출 전극이 제스처 전자기기의 입력들 중의 하나에 연결된 것으로 가정하였다. 이 입력은 이 목적을 위해 특정하게 설계될 필요는 없다. 본 발명의 사상에 기초하여, 생성기 전극의 정전용량성 부하를, 전자기기들의 상응하는 개량을 통하여, 검출하고 또한 이에 기초하여 터치 상태를 위한 표시 신호를 얻을 수 있다.
이 접근책이 도 10 및 11에 도시되어 있다. 도 10에서 알 수 있듯이, 생성기 전극 (GEN)은 터치 검출 전극으로서 역할을 한다(도 1 참고). 터치 검출은 생성기 전극 (GEN)의 정전용량성 부하 (C)를 측정하여 행해진다. 이 부하 (C)는 예를 들면 생성기 (G)와 생성기 전극 (GEN) 사이에 연결된 연결 임피던스 Z에서의 전압 강하를 측정하여 얻어질 수 있다(도 11에서 신호 S로서 개략적으로 도시됨). 그러므로 터치를 검출하는 이 방법이 전극들에 적은 비용을 들이는 일부 적용들에서 구현될 수 있기 때문에 이 방법이 유리할 수 있다. 부하 전극 (C) 대신에 결정된 감지 전극(decided sensing electrode)을 사용할 수도 있다(그것은 도 10에서 예를 들면 (GEN’)으로 지정된다). 그리고 이러한 전극 (GEN’)은 도 12의 도면과 같이 예를 들면 생성기 (G)에 연결된다.
비록, 터치 검출 전극(또는 생성기 전극)이, 도 10에 도시된 바와 같이, 검출 영역의 중간에 놓여 있고 투명하게 (코팅 또는 웨브로서) 구현되더라도, 이러한 전극 구조는 그 자체 뒤에 디스플레이를 수용할 수 있다. 그리고 제스처와 터치 제어는 디스플레이 상에서 가능하다.
디스플레이 둘레의 구조에 특히 유리한 전극 구조가 도 13에 도시되어 있다. 이 구조에서 생성기 전극 (GEN)은 위치 검출 전극들 (EL1, EL2, EL3, EL4) 아래에 프레임으로 구현되며 그것은 아래에 있는 디스플레이 (D)를 덮지 않기 위하여 투명할 필요는 없다. 디스플레이의 (EL1) 내지 (EL4)의 차폐 및 터치 검출은 생성기 전극 (GEN) 과 디스플레이 (D) 사이의 층에 위치한 투명 전극 (SE)에 의해 행해진다.
생성기 전극 (GEN)이 정전용량의 변화에 예민할 때, 차폐 전극 (SE)는 갈바니 전기에 의해 연결되지 않아야 하는 데, 그 이유는 그의 생성기 전극 (GEN)에의 정전용량성 결합 (CK)는 기능에 충분하기 때문이다(도 14).
터치 검출 전극 (EL5) 대신에 전극 (SE)를 연결할 수도 있다(도 2 비교). 거기서 그것은 전극들의 디스플레이로부터의 필요한 차폐를 확보할 것이다.
정전용량 감응 생성기 전극을 갖는 시스템에 대하여 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 것과 동일한 전극 조립체들을 사용하는 것도 가능하다. 단지 GEN/GEN’에 대한 (EL5) 설명만이 그것에 대하여 바뀌어야 한다.
도 15 및 16에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 시스템에, 캐리어 전극을 구비시킬 수 있으며, 이 캐리어 전극은 전극 그룹보다 아래의 검출 존에 대하여 전극의 한 하부측 상에 연장한다. 이 캐리어 전극을 통하여 후방 차폐가 이루어질 수 있다. 캐리어 전극은, 이 캐리어 전극이 전극 그룹의 아래면의 광범위한 차폐를 위하여 차폐 전극으로서 작동되도록, 회로 배치 또는 또 하나의 드라이버 회로에 연결될 수 있다. 캐리어 전극은 또한 터치 검출을 위하여도 사용될 수 있다.
도 17에는 본 발명에 따른 입력 시스템 (S) 및 키보드 (T)를 포함하는 휴대용 컴퓨터가 도시되어 있다. 이 입력 시스템은, 입력 시스템이 사용자에 의해 행해지는 수동 입력 동작들과 서로 관련이 있는 입력 신호들을 생성시킬 수 있도록, 구성된다. 입력 시스템은 서로 인접한 몇 개의 평면 전극들을 포함하는, 키보드 근처의 터치 패드 영역 안으로 통합된 전극 그룹을 포함한다. 입력 시스템은 또한 전극 그룹의 전극들과 결합된 회로 배치를 포함한다. 전극 그룹과 회로 배치는 기기 부품의 물리적 접촉(physical contacting)으로 평가할 상태를 검출할 수 있고 또한 기기 부품의 공간적으로 상부에 놓여있는 영역에 있는 사용자의 손 또는 손가락의 위치를 검출할 수 있는 센서 회로를 구성한다. 물리적 접촉의 경우 손가락 위치의 이차원 분해능(resolution)가 일어난다. 표시된 바와 같이, 손가락이 입력 시스템상에 위치한 관찰 영역에 놓일 때, 손가락 꼭대기 위치의 공간적 분해가 생긴다.
도 18에는 평탄 구조로서 구현된 본 발명에 따른 시스템의 변형예가 도시되어 있고, 이 시스템의 변형예는 전기 신호들에 의해 컴퓨터 시스템 (R)과 결합될 수 있다. 하우징의 이 평탄 구조에 전극 배치가 놓이는 데, 이 전극 배치는 손가락 꼭대기 위치의 공간적 분해능 및 물리적 접촉의 경우에 또는 - 구조에 따라서 - 충분히 좁은 접근으로부터 이차원 위치 분해능을 가능케 한다. 위치 검출은 정전용량성 상호작용 효과에 기초하여 이루어지며, 효과의 크기는 결국 사용자의 손의 위치와 상호 연관된다.
도 19는 프로젝션 장치 (B)와 연결된 본 발명에 따른 시스템의 사용을 도시한다. 여기에 보이는 연사의 데스크 위에, 연사의 손가락의 공간적 위치를 검출할 수 있으며 제스처 검출 및 그에 기초한 커서 제어를 할 수 있는 본 발명에 따른 시스템 (S)이 놓여있다. 시스템 (S)는, 이 시스템이 3D-모드에서 물리적 접촉의 경우에 2D 손가락 위치 검출을 갖는 터치 패드 모드로 변하도록, 구성된다.

Claims (20)

  1. 사용자에 의해 실행된 수동 입력 동작들과 관련 있는 입력 신호들을 생성시키는 시스템으로서,
    기기 부품(equipment component)에 통합된 생성기 전극 및 복수의 수신 전극들을 포함하는 전극 그룹 - 상기 생성기 전극 및 상기 복수의 수신 전극들은 평면형(flat shaped) 전극들에 의해 형성되고 그리고 상기 수신 전극들의 적어도 하나의 서브세트는 평면(in a plane)에 배치됨 - 그리고
    상기 전극 그룹의 상기 전극들과 결합한 회로 장치(arrangement)를 포함하고,
    상기 전극 그룹과 상기 회로 장치는 상기 기기 부품의 물리적인 접촉을 평가하는 사용자의 손 또는 손가락의 근접 상태의 검출과 또한, 상기 기기 부품의 전방에 공간적으로 위치한 영역에서의 사용자의 손 또는 손가락에 의해 수행된 비(non)-터치 제스처의 검출 둘 다를 가능케 하는 센서 회로를 구성하고,
    상기 회로 장치는 상기 수신 전극들에서 수신된 신호들을 평가하여 터치 이벤트와 제스처 이벤트를 구별하도록 구성되고, 상기 회로 장치는 신호 진폭에 대한 제1 임계값을 이용하고 시간에 따른 상기 신호 진폭의 도함수(derivative)에 대한 제2 임계값을 이용하여 상기 제스처 이벤트와 상기 터치 이벤트를 구별하는, 입력 신호 생성 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비-터치 제스처 검출은 서로 이격된 수 개의 서브 전극들을 포함하는 상기 전극 그룹에 수용된 상기 수신 전극들의 상기 서브세트를 통해 달성되는, 입력 신호 생성 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수신 전극들이 터치 검출 존(zone) 표면으로서 역할을 하는 전체 표면적을 실질적으로 덮도록 상기 전극 그룹이 구성되는, 입력 신호 생성 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극 그룹은 상기 수신 전극들 아래의 평면에 상기 생성기 전극을 포함하는, 입력 신호 생성 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들의 총 면적은 상기 생성기 전극의 총 면적보다 작은, 입력 신호 생성 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    검출 존이 가장자리 존들을 포함하며, 상기 수신 전극들의 상기 서브세트는 상기 가장자리 존들에 배치되는, 입력 신호 생성 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들은 상기 생성기 전극에 의해 커버되는 영역 내에 배치되는, 입력 신호 생성 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들의 상기 서브세트는 4개의 수신 전극들을 포함하고, 상기 수신 전극들의 위치는 상기 수신 전극들의 상기 서브세트의 중력의 표면 중심들이 사각형, 마름모 또는 정사각형의 가장자리들을 나타내도록 고정되는, 입력 신호 생성 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들의 상기 서브세트와 동일 평면에 배치되는 생성기 전극이 제공되고, 상기 수신 전극들은 상기 생성기 전극의 주위에 배치되는, 입력 신호 생성 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 생성기 전극은 상기 회로 장치에 연결되고, 상기 생성기 전극은 상기 수신 전극들의 하부를 광범위하게 차폐하기 위한 차폐 전극으로서 동작하는, 입력 신호 생성 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들 중 적어도 하나의 수신 적극은 투명하고 그리고 ITO 층 전극으로 설계되는, 입력 신호 생성 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들 각각은 상기 생성기 전극보다 더 작은 하나의 전극 표면을 갖는, 입력 신호 생성 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들은 검출 존의 가장자리 존에 배치되는, 입력 신호 생성 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 수신 전극들은 검출 존의 가장자리를 따라 연장하는 스트립형 전극 구조들인, 입력 신호 생성 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    검출 존은 실질적으로 사각형 영역을 나타내고, 상기 수신 전극들은 상기 검출 존에서 실질적으로 회전 대칭이 되도록 구성되는, 입력 신호 생성 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 회로 장치는, 삼각 측량에 의해 상기 수신 전극들의 상기 서브세트로부터 수신된 신호들로부터, 오브젝트에 의해 수행된 비-터치 제스처를 결정하도록 구성되는, 입력 신호 생성 시스템.
  17. 수 개의 평면형(plane shaped)의 수신 전극들과 생성기 전극을 포함하는, 기기 부품에 통합된 전극 그룹을 이용하여, 사용자에 의해 실행된 수동 입력 동작들과 관련 있는 입력 신호들을 생성시키는 방법으로서,
    상기 생성기 전극을 통해 전기장을 생성하는 것,
    상기 기기 부품의 물리적인 접촉이 일어났는지를 평가하는 근접 상태의 검출과 상기 기기 부품의 전방에 공간적으로 위치한 영역에서의 비-터치 제스처의 검출 둘 다를 수행하기 위해 상기 수신 전극들로부터 신호들을 수신하는 것을 포함하고,
    터치 이벤트와 제스처 이벤트의 구별은 상기 수신 전극들로부터 수신된 신호들을 평가하여 수행되고, 신호 진폭에 대한 제1 임계값 및 시간에 따른 상기 신호 진폭의 도함수에 대한 제2 임계값이 상기 제스처 이벤트와 상기 터치 이벤트를 구별하기 위해 이용되고, 상기 검출에 의해 검출된 제스처들은 시스템 기능을 제어하는데 이용되는, 입력 신호 생성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    검출 기준은 Z-축의 위치에 대한 표시 신호 기여의 동적 기준인, 입력 신호 생성 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    검출 기준은 Z-축의 검출된 위치의 관찰 값을 포함하며, 기기 부품까지의 소정 거리가 소정 값 아래에 있는 것으로 나타날 때에 접촉이 검출되는, 입력 신호 생성 방법.
  20. 사용자에 의해 실행된 수동 입력 동작들과 관련 있는 입력 신호들을 생성시키는 시스템을 구비한 디스플레이 디바이스로서,
    기기 부품에 통합된 생성기 전극 및 복수의 수신 전극들을 포함하는 전극 그룹 - 상기 생성기 전극 및 상기 복수의 수신 전극들은 평면형 전극들에 의해 형성되고 그리고 상기 수신 전극들의 적어도 하나의 서브세트는 하나의 평면에 배치됨 - 그리고
    상기 전극 그룹의 상기 전극들과 결합한 회로 장치를 포함하고,
    상기 전극 그룹과 상기 회로 장치는 상기 기기 부품의 물리적인 접촉을 평가하는 사용자의 손 또는 손가락의 근접 상태의 검출과 또한, 상기 기기 부품의 전방에 공간적으로 위치한 영역에서의 사용자의 손 또는 손가락에 의해 수행된 비-터치 제스처의 검출 둘 다를 가능케 하는 센서 회로를 구성하고,
    상기 회로 장치는 상기 수신 전극들에서 수신된 신호들을 평가하여 터치 이벤트와 제스처 이벤트를 구별하도록 구성되고, 상기 회로 장치는 신호 진폭에 대한 제1 임계값을 이용하고 시간에 따른 상기 신호 진폭의 도함수에 대한 제2 임계값을 이용하여 상기 제스처 이벤트와 상기 터치 이벤트를 구별하고,
    상기 손가락의 이동의 이차원 검출의 접촉 및 상기 사용자의 손가락 또는 손의 공간 검출의 접촉이 결정되고, 상기 디스플레이 디바이스에 연결된 컴퓨터 시스템의 기능은 사용자의 손가락 또는 손에 의해 상기 디스플레이 디바이스의 전방에서 실행되는 터치 입력들에 의해 조정되는(coordinated), 디스플레이 디바이스.
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