KR102313316B1 - 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서는 레퍼런스 공진 회로, 및 제1 공진 회로를 포함하고, Z축 방향을 따라 입력되는 외력에 의하여 형성되는 타겟과 인덕티브 코일 간의 변위에 기반하여 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수 및 레퍼런스 공진 주파수에 관한 정보를 획득하는 판정 회로를 포함한다. 판정 회로는 제1 공진 주파수 및 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 타겟의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정한다.
Description
본 발명은 포스 센서 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 외부 힘에 의하여 타겟 레이어와 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board), 또는 유연 인쇄 회로 기판(FBCB) 상에 형성되거나, 투명 전극으로 형성된 코일 사이의 거리 변화에 따라 가변하는 인덕턴스를 이용하여 가해지는 힘의 정도를 감지하는 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
최근의 터치 인식 기술은 급속한 발전을 이루었으며, X축과 Y축 상의 좌표를 이용하여 터치 위치를 인식하는 2차원 터치 인식 기술에서, 단순히 터치 여부가 아닌 터치의 강도(Z축 방향으로 가해진 힘의 크기)를 감지하여 사용자 인터페이스를 풍부하게 하는 3D 터치 인식 기능이 대두되었다.
APPLE INC 사의 3D 터치는 터치 센서와 압력 센서를 결합하여, 터치의 강도를 차등화하여 인식하는 기술을 도입한 바 있다. 그러나 압력센서를 터치센서와 결합하는 방식은 하드웨어 제조 비용을 증가시키고, 압력센서의 감도가 높지 않아 사용자의 터치 강도를 정확히 인식하는 데에 어려움이 있다.
Texas Instruments Inc 사의 미국공개특허 US 2017/0269754 "Dual Touch Sensor Architecture With XY-Position And Z-Force Sensing For Touch-On-Surface Button"는 용량형 터치 센서와 인덕티브 센서를 결합하여, 터치 여부 및 터치의 XY 평면 상의 위치는 용량형 터치 센서로 인식하고, 터치 위치에서의 Z축 방향의 터치 힘(touch force)은 인덕티브 센서로 인식한다.
Texas Instruments Inc 사의 또 다른 미국공개특허 US 2018/0180450 "Inductive Touch Input"는 복수개의 인덕티브 터치 센서를 이용하여, 서로 다른 위치에서 터치 여부 및 터치 힘을 감지하고, 터치 여부 및 터치 힘의 이동 패턴을 인식하여 터치 스크롤 제스쳐를 인식한다.
이러한 3D 터치 힘 인식 기술을 응용하여 자동차 도어에 가해지는 힘을 감지하여 자동차 도어를 로킹 또는 언로킹하려는 사용자의 의도를 검출하는 선행기술로서 한국공개특허 KR 10-2017-0007127 및 미국공개특허 US 2017/0016255 "Device for Detecting a User's Intention to Lock or Unlock a Motor Vehicle Door" 등이 있고, 플렉시블 인쇄 회로 기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board) 상에 코일을 구현하여 인덕티브 포스 센서를 구현하는 선행문헌으로서 한국등록특허 KR 10-1920440 "3D 터치 구현을 위한 셀프 인덕티브 포스 센서 모듈", 한국등록특허 KR 10-1954368 "3D 터치 구현을 위한 뮤추얼 인덕티브 포스 센서 모듈" 등이 소개된 바 있다.
인덕티브 센서를 이용하여 터치 힘을 감지하는 선행문헌들은 부품 및 요소의 배치, FPCB 등 새로운 재료 또는 부품을 선택하여 터치 힘을 인식하는 기술을 소개하고 있으나, 인덕티브 센서만을 이용하는 경우 터치 위치 및 터치 힘을 감지하는 정밀도가 낮고, 인덕티브 센서와 다른 센서를 결합하는 경우 하드웨어 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한 최근 모바일 디바이스, 스마트 디바이스의 대두로 인하여 사용자 인터페이스 및 사용자 경험에 대한 다양한 니즈가 존재하고, 이를 충족하기 위하여 미세 영역 별로 터치 힘을 구분하여 인식하는 기술이 필요하며 이를 위해서는 터치 센서/터치 포스 센서를 밀집하여 배치하되, 각 센서를 구분하여 인식하는 기술도 필요한데, 상기 선행기술들로 이러한 요구를 충족하기 어려움이 있다.
상기 선행기술들은 부품 및 요소의 배치, 부품 또는 재료의 선택을 통하여 센서의 감도를 개선하거나, 인덕티브 센서와 다른 센서를 결합하여 터치 힘과 터치 위치를 분담하여 감지하거나, 인덕티브 센서를 복수 개 구현하고, 인덕티브 센서들의 센싱 정보를 추적하여 사용자 제스쳐 패턴을 인식하는 기술들이다.
또한 선행 기술들은 공진 회로에 인가되는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하여 입력 전기 신호에 대한 응답으로 공진 회로에 형성되는 출력 전기 신호의 크기를 스캔하여 최대 크기를 가지는 경우의 주파수를 공진 주파수로 산출하는 구성을 취한다. 이로 인하여 상기 선행기술은 입력 전기 신호의 가변 주파수의 해상도 만큼의 오차를 가지며, 전기 신호의 크기를 검출하여 공진 주파수를 산출하는 간접적인 방법으로 정확도가 떨어지고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변해야 하므로 측정에 상당한 시간이 소요되는 문제점이 있다.
또한 선행 기술들은 전기 신호의 크기를 검출하여 공진 주파수 및 인덕턴스를 산출하므로 정밀한 측정이 어려우며, 이로 인하여 인덕턴스 변화가 어떤 임계값을 넘어서는지 여부를 주로 판정할 뿐, 그 인덕턴스의 변화를 정량적으로 분석할 수 있을 정도의 정확도를 제공하지 못한다.
본 발명은 상기의 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 인덕티브 터치 센서만을 이용하여 하드웨어 비용을 절감하고, 인덕티브 터치 센서만을 이용하는 경우에도 터치 위치 및 터치 힘을 정밀하게 감지할 수 있는 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 주파수의 변동이나 서로 다른 주파수 성분의 입력 없이 단일 측정만으로도 인덕턴스의 변화를 감지함으로써, 다채널 인덕티브 포스 센서의 경우에도 신속하게 터치 위치 및 터치 힘을 감지하고, 사용자의 의도를 인식할 수 있는 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 인덕티브 터치 센서만을 이용할 뿐 아니라 주파수의 변동이나 서로 다른 주파수 성분의 입력을 필요로 하지 않으므로, 터치 위치 및 터치 힘을 감지하는 데 소요되는 소비 전력을 절감하고, 다채널 인덕티브 포스 센서인 경우에도 소비 전력을 크게 절감할 수 있는 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 인덕티브 포스 센서는 공진 주파수의 편이(shift)를 효과적으로 검출할 수 있는 회로 및 동작 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에 따른 인덕티브 포스 센서는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하는 과정이 필요하지 않으므로 터치 위치 및 터치 힘의 센싱 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 인덕티브 포스 센서는 정전용량형 센서 없이 인덕티브 터치 센서만으로도 터치 위치와 터치 힘을 동시에 인식함으로써, 센싱 시간을 단축하고 센싱 시 소비 전력을 절감하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 도출된 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서는 Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품; 상기 제1 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되는 인덕티브 코일; 상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로; 상기 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터; 상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로; 상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 판정 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 레퍼런스 공진 회로에 인가되는 상기 레퍼런스 교류 신호의 영향으로 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 상기 레퍼런스 전기 신호의 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 제1 부품이 상기 인덕티브 코일에 대하여 움직인 상대적인 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 것으로 판정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 인덕티브 코일은 복수 개의 단위 코일 권선들이 동심 구조로 중첩되어 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 인덕티브 코일은 복수 개의 단위 코일 권선들의 집합으로 이루어지며, 상기 복수 개의 단위 코일 권선들은 특정 위치에서 멀어질수록 서로 멀리 이격되도록 배치되는 구조일 수 있다.
이때 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이의 변화 패턴에 기반하여 상기 인덕티브 코일이 커버하는 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator); 상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및 상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는(차동 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값을 출력하는) 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에 있도록 외부에서 강제로 조정된 상태에서 상기 제1 공진 주파수 및 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서는 Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 복수 개의 개별 영역들을 포함하는 제2 부품; 상기 제2 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되며, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각에 대응하고, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각과 대향하여 배치되는 복수 개의 인덕티브 코일들; 상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제1 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제1 인덕티브 코일에 대한 상기 제2 부품 내의 상기 개별 영역들의 제1 변위에 기반하여 상기 제1 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 채널 공진 회로; 상기 제1 채널 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터; 상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제2 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제2 인덕티브 코일에 대한 상기 제2 부품 내의 상기 개별 영역들의 제2 변위에 기반하여 상기 제2 인덕티브 코일에 형성되는 제2 인덕턴스에 기인하는 제2 공진 주파수를 가지는 제2 채널 공진 회로; 상기 제2 채널 공진 회로에 제2 교류 신호를 인가하는 제2 오실레이터; 상기 제1 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태 및 상기 제2 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제2 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로; 상기 제1 오실레이터 및 상기 제2 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및 상기 제1 채널 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호, 상기 제2 채널 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호, 및 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수, 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수, 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 판정 회로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 레퍼런스 공진 회로에 인가되는 상기 레퍼런스 교류 신호의 영향으로 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 상기 레퍼런스 전기 신호의 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 채널 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 제2 부품 내 상기 개별 영역들의 상기 제1 변위, 및 상기 제1 인덕티브 코일에 대응하는 제1 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제2 채널 공진 회로가 상기 제2 상태에서 벗어난 정도, 상기 제2 부품 내 상기 개별 영역들의 상기 제2 변위, 및 상기 제2 인덕티브 코일에 대응하는 제2 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이, 또는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이 중 적어도 하나 이상이 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수 또는 상기 제2 공진 주파수 중 적어도 하나 이상이 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 것으로 판정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이의 제1 변화 패턴 및 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이의 제2 변화 패턴에 기반하여, 상기 제1 인덕티브 코일이 커버하는 제1 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 상기 제2 인덕티브 코일이 커버하는 제2 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이, 및 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이에 기반하여, 상기 제1 인덕티브 코일이 커버하는 제1 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 제2 인덕티브 코일이 커버하는 제2 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 추출하고, 상기 Z축 방향의 상기 외력이 사용자에 의하여 의도된 입력인 지 여부를 판정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 판정 회로는 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수의 차이를 구하고, 상기 제2 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator); 상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및 상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제1 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하고, 상기 제2 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제2 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법은 제1 오실레이터가, 상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 단계; 상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 레퍼런스 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 단계; 판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계; 상기 판정 회로가 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하는 단계; 및 상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 단계를 포함한다.
이때 상기 판정 회로가 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 단계는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계; 및 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 제1 부품이 상기 인덕티브 코일에 대하여 움직인 상대적인 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법은 상기 판정 회로가 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이의 변화 패턴에 기반하여 상기 인덕티브 코일이 커버하는 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법은 제1 오실레이터가, 상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제1 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제1 인덕티브 코일에 대한 상기 제2 부품 내의 상기 개별 영역들의 제1 변위에 기반하여 상기 제1 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 채널 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 단계; 제2 오실레이터가, 상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제2 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제2 인덕티브 코일에 대한 상기 제2 부품 내의 상기 개별 영역들의 제2 변위에 기반하여 상기 제2 인덕티브 코일에 형성되는 제2 인덕턴스에 기인하는 제2 공진 주파수를 가지는 제2 채널 공진 회로에 제2 교류 신호를 인가하는 단계; 상기 제1 오실레이터 및 상기 제2 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 레퍼런스 오실레이터가, 상기 제1 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태 및 상기 제2 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제2 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 단계; 판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 채널 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계; 판정 회로가 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 채널 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계; 상기 판정 회로가 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하는 단계; 및 상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수, 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수, 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 단계를 포함한다.
이때 상기 판정 회로가 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 단계는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계; 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계; 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 제2 부품 내의 상기 개별 영역들의 상기 제1 변위, 및 상기 제1 인덕티브 코일에 대응하는 제1 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계; 및 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제2 공진 회로가 상기 제2 상태에서 벗어난 정도, 상기 제2 부품 내의 상기 개별 영역들의 상기 제2 변위, 및 상기 제2 인덕티브 코일에 대응하는 제2 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 인덕티브 센서만을 이용하여 인덕티브 터치 포스 센서를 구현할 수 있어 하드웨어 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면 인덕티브 센서만을 이용하여 인덕티브 터치 포스 센서를 구현하는 경우에도 터치 위치, 터치 힘, 터치 패턴, 및 제스쳐를 정밀하게 감지할 수 있다. 이때 터치 위치, 및/또는 터치 힘은 하나의 출력값에 의하여 동시에 나타내어질 수도 있다.
본 발명에 따르면 주파수 성분의 스캔 없이 단일 측정으로 인덕턴스의 변화를 감지할 수 있어 소비 전력을 절감하고 센싱 시간을 단축할 수 있다.
본 발명에 따르면 주파수 성분의 스캔 없이 센서 별 단일 측정으로 인덕턴스의 변화를 정밀하게 감지할 수 있으므로, 인덕티브 센서 어레이 또는 인덕티브 센서 매트릭스를 형성하여 동작하더라도 소비 전력과 센싱 시간의 제약에서 상대적으로 자유로우며, 어레이 또는 매트릭스를 이용하여 다양한 터치 패턴, 터치 제스쳐, 및 터치 상황을 정밀하게 판정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 싱글 채널 또는 싱글 코일의 인덕티브 센서를 이용하여 시간 도메인에서의 변화를 검출하고 제스쳐를 인식할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 복수 개의 채널들 또는 코일들에 대해서 동시에 검출된 센싱 결과를 조합하여 센싱 결과에 오류가 없는지 검증할 수 있다. 복수 개의 코일들에 대하여 동시에 검출된 센싱 결과와 코일들이 커버하는 영역들의 위치 관계를 고려하여 센싱 결과 도출된 터치 포스가 사용자의 의도에 의한 것인지 여부, 또는 오류에 의한 것인지 여부를 검증할 수 있다.
종래 기술들은 공진 신호의 진폭을 검출하거나, 아날로그 교류 신호의 진폭을 검출하기 때문에, 검출된 결과가 소정의 임계값을 초과하는 지 여부만을 검출할 수 있다. 그러나 본 발명은 차동 신호의 공진 주파수 차이를 산출하고, 이를 디지털 카운트하므로 정량화된 감지 정보를 얻을 수 있고, 이를 이용하여 시간-공간 상의 터치 포스의 변화를 정밀하게 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 코일 구조를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 코일 구조를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 회로 및 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 회로 및 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 코일 구조를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 코일 구조를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 회로 및 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 회로 및 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서를 도시하는 도면이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서 및 그 동작 방법을 첨부된 도 1 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100)를 도시하는 도면이다. 도 1에는 싱글 버튼/채널/코일을 가정한 인덕티브 포스 센서(100)가 도시된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100)는 Z축 방향의 외력(150)에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력(150)에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품(130); 상기 제1 부품(130)의 변형에 기반하여 상기 Z축 방향을 따라 이동 가능하도록 배치되는 타겟 레이어(140); 상기 타겟 레이어(140)와 이격되어 배치되는 기판(110) 상에 형성되는 인덕티브 코일(112); 및 제1 부품(130)을 지지하고 인덕티브 포스 센서(100)를 다른 센서 또는 센싱 채널과 구분하는 스페이서 레이어(160)를 포함한다.
도 1에 도시된 인덕티브 포스 센서(100)는 싱글 채널을 형성한다. 실시예에 따라서는 도 1과 같은 인덕티브 포스 센서(100)를 복수 개 병렬 배치하여 어레이 또는 매트릭스를 구현할 수 있다.
Z축 방향을 따라 인가되는 외력(150)에 의하여 제1 부품(130)이 탄성적으로 변형하면, 제1 부품(130)의 변형 정도에 따라서 타겟 레이어(140)가 Z축 방향을 따라 이동할 수 있다. 이때 인쇄 회로 기판(110) 상에 형성된 인덕티브 코일(112)과 타겟 레이어(140)는 인덕티브 결합(inductive coupled)되어 있다.
이때, 타겟 레이어(140)과 인덕티브 코일(112) 간에는 탄성복원력을 가지는 소재, 예를 들어 폼(foam)이 배치될 수 있다. 외력(150)이 가해지면 타겟 레이어(140)가 인덕티브 코일(112)에 가까워지고, 이에 따라 타겟 레이어(140)와 인덕티브 결합된 인덕티브 코일(112)에 형성되는 인덕턴스가 변화한다.
외력(150)이 제거되면 폼이 가지는 탄성복원력에 의하여, 타겟 레이어(140)는 변형 전의 위치로 돌아간다. 즉, 외력(150)이 가해지는 동안에만 인덕턴스의 변화가 나타나며, 이를 감지하면 Z축 방향의 외력(150)을 감지할 수 있다.
외력(150)이 인가되지 않은 제1 상태에서 타겟 레이어(140)이 인덕티브 코일(112)과 이격되는 거리를 d0라 하고, 외력(150)이 인가된 상태에서 타겟 레이어(140)이 인덕티브 코일(112)과 이격되는 거리를 d라 하면, 변위 △d = |d-d0|는 타겟 레이어(140)와 인덕티브 결합된 인덕티브 코일(112)에 형성되는 인덕턴스의 변화를 일으키는 원인이다. 따라서 인덕턴스의 변화를 검출하면 변위 △d를 검출할 수 있고, 외력(150)의 크기를 정량화할 수 있다.
본 명세서에서는 설명의 편의상 하나의 인덕티브 코일(112) 및 그 인덕티브 코일(112)이 커버하는 영역의 외력(150)을 감지하는 단위를 채널(channel)로 칭하기로 한다. 타겟 레이어(140)는 도 1에 도시된 것처럼 다른 채널과 분리되어 하나의 채널마다 배치될 수도 있고, 후술할 도 2에 도시된 것처럼 복수 개의 채널들로 이루어진 그룹에 공통적으로 배치될 수도 있다. 도 1에서는 개별 채널마다 타겟 레이어(140)가 배치되며, 각 채널은 스페이서 레이어(160)에 의하여 다른 채널과 물리적으로 구분되는 실시예가 도시된다.
타겟 레이어(140)는 비자성 금속일 수도 있고, 자성을 띠는 금속일 수도 있다. 타겟 레이어(140)는 에디 전류(Eddy current)가 형성될 수 있도록 전도성을 띠는 도체가 선호된다. 타겟 레이어(140)가 자성을 가지는지 여부에 따라서, 외력(150)이 가해졌을 때 인덕턴스가 증가할 지, 감소할 지 여부가 결정될 수 있다. 타겟 레이어(140)의 자성/비자성, 및 채널의 하드웨어적 설계에 기반하여 변위 대비 인덕턴스 검출 감도 등의 변수가 최적화된 재료가 타겟 레이어(140)로 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100)의 인덕티브 코일(112)은 복수 개의 단위 코일 권선들이 동심 구조로 중첩되어 형성될 수 있다.
타겟 레이어(140)는 외력(150)에 의하여 Z축 방향으로 이동하되, 타겟 레이어(140)가 인덕티브 코일(112)과 평행한 상태를 유지하도록 구현될 수도 있으나, 본 발명의 실시예에 따라서는 타겟 레이어(140)가 인덕티브 코일(112)과 평행하지 않은 상태로 외력(150)이 집중되는 XY 평면 상의 위치에 따라서 인덕티브 코일(112)과 약간의 경사를 형성하면서 이동할 수도 있다. 이러한 경우, 종래 기술에서는 측정 상의 오차 요인이 되어 정확한 터치 포스 센싱이 어려운 요인이 되었으나, 본 발명에서는 인덕턴스의 차동 검출에 기반하여 인덕턴스의 변화를 정밀하게 정량화할 수 있으므로, 터치 포스를 정확하게 검출하는 것은 물론이고, 실시예에 따라서는 외력(150)이 집중되는 XY 평면 상의 위치를 세밀하게 검출할 수도 있다. 이러한 실시예에 관해서는 도 5 및 도 6과 관련하여 후술하기로 한다.
대부분의 웨어러블 장치는 외부와의 경계를 형성하는 인클로저(enclosure)에 컷 아웃이 필요한 기계식 버튼을 사용하므로 장치를 밀봉하기가 어려워지고 방진 방수 기능을 의미하는 IP 레이팅(IP Rating)이 낮아질 수 있다. 또한 기계식 버튼은 움직이는 부품(moving parts), 금속 접점(metallic contacts), 및 개스킷(gaskests)을 사용하게 되는데, 이들은 장기적으로 신뢰성 문제를 안고 있으며, 비용 증가의 원인이 되고, 환경 요인에 대한 내성이 낮은 문제점을 가진다.
컷 아웃이 필요하지 않은 인클로저(cut out free enclosure)를 구현할 수 있으면 높은 IP 레이팅을 구현할 수 있으며, 보다 높은 IP 레이팅을 가지는 웨어러블 장치는 이전에 활용되지 못한 다양한 용도로 활용될 수 있다. 개스킷을 사용하지 않고(gasket-less), 움직이는 부품을 사용하지 않는다면(no moving parts), 웨어러블 장치는 물리적으로 더욱 강인해질(robust) 수 있으며, 예를 들면 장갑(gloves)과 같은 웨어러블 요소에 임베디드될 수 있고, 수중(under water)에서도 활용될 수 있을 것이다.
이러한 높은 IP 레이팅을 달성하기 위하여 기계식 버튼 대신 터치 압력을 인식하는 전자기적 장치를 활용하고자 하는 시도가 있다. 이러한 시도 중 하나로 정전용량식 근접 센서를 이용하고자 하는 움직임이 있으나, 정전용량식 근접 센서는 전기장의 영향을 받으며 주변의 통전 여부에 영향을 받으므로, 수중에서는 활용할 수 없고, 활용 범위에 제약이 주어진다.
정전용량식 근접 센서를 대신하여 임피던스의 변화를 측정하여 터치 압력을 인식하고자 하는 방식으로 자기장의 변화를 일으켜 인덕턴스를 측정하는 인덕티브 터치 센서가 제안된 바 있다. 인덕티브 센서가 정전용량식 센서에 비하여 외부 교란에 민감하지 않은 점도 인덕티브 센서의 사용이 확산되는 원인이 된다.
인덕티브 터치 센서를 이용하여 인덕티브 포스 센서를 구현하는 방식은 이미 앞서 언급한 선행문헌들, 예를 들어, 미국공개특허 US 2018/0180450 "Inductive Touch Input", 미국공개특허 US 2017/0016255 "Device for Detecting a User's Intention to Lock or Unlock a Motor Vehicle Door", 또는 한국등록특허 KR 10-1920440 "3D 터치 구현을 위한 셀프 인덕티브 포스 센서 모듈" 등에서 언급되고 있다.
한편, 전기적 신호를 이용하여 정밀한 검출이 가능한 정전용량식 센서에 비하여 자기장의 변화를 이용해야 하는 인덕티브 센서는 검출 정밀도를 높이기 쉽지 않다. 상기 선행문헌들의 인덕티브 센싱 기술 또한 정밀한 측정보다는 어떤 임계값 이상인지 여부를 검출하는 정도로, 특정 이벤트를 검출하는 용도로 주로 활용되고 있다.
도 1의 구성 및 상기 선행문헌들은 본 발명의 구성의 일부로서 포함될 수 있으며, 이후에 언급될 본 발명의 새로운 구성들과 결합하여 본 발명의 고유한 효과를 달성하게 될 것이다. 특히 최근 모바일 디바이스, 스마트 디바이스, 가상 현실, 증강 현실 등과 결합하여 사용자 인터페이스는 정밀한 터치 포스를 인식할 것과 사용자 제스쳐를 정확히 인식하고, 사용자의 의도를 파악할 것을 목표로 하고 있다. 본 발명은 종래 기술의 인덕티브 센싱을 개선하여 터치 포스, 터치 포스에 기인한 타겟의 변위, 인덕턴스의 변화를 정밀하게 측정하고 정량화하여, 사용자의 의도를 파악하고 사용자 제스쳐를 정확히 인식하는 기술을 제안한다.
본 발명의 실시예들 중 일 실시예에 따르면 타겟 레이어(140)에 별도의 코일이 배치되지 않은 경우에는 인덕티브 코일(112)과 타겟 레이어(140)의 에디 전류가 호응하여 셀프 인덕티브 방식으로 타겟 레이어(140)의 변위를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 타겟 레이어(140)에 뮤추얼 인덕티브 코일(도시되지 않음)이 배치되고, 타겟 레이어(140)의 뮤추얼 인덕티브 코일과 기판(110) 상의 인덕티브 코일(112)이 호응하여 뮤추얼 인덕티브 방식으로 타겟 레이어(140)의 변위를 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200)를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200)는 Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 복수 개의 개별 영역들(232)을 포함하는 제2 부품(230); 상기 제2 부품(230)이 상기 복수 개의 개별 영역들(232) 중 적어도 하나 이상이 변형하는 경우에 상기 Z축 방향을 따라 이동 가능하도록 배치되는 타겟 레이어(240); 및 상기 타겟 레이어(240)와 이격되어 배치되는 기판(210) 상에 형성되며, 상기 복수 개의 개별 영역들(232) 각각에 대응하고, 상기 복수 개의 개별 영역들(232) 각각과 대향하여 배치되는 복수 개의 인덕티브 코일들(212)을 포함한다.
제2 부품(230)은 탄성적으로 변형 가능한 소재로 이루어지며, 개별 영역들(232)은 제2 부품(230)의 개별 영역들(232)을 제외한 나머지 영역과 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 즉, 제2 부품(230)은 도 2에 도시된 인덕티브 포스 센서(200)의 전체 영역을 하나의 외피로 둘러쌀 수 있으므로, 인덕티브 포스 센서(200)의 IP 레이팅을 높일 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이 개별 영역들(232)이 독립된 번호를 가지는 스마트 워치 등을 가정해 보면, 스마트 워치에서 노출되는 개별 영역들(232)은 하나의 외피로 둘러싸여 있으므로 우수한 방진 방수 성능이 기대된다. 개별 영역들(232)은 스페이서 레이어(260)의 hole에 대응하여 배치되므로 개별 영역들(232) 중 어느 하나 이상의 영역에 외력이 가해지면 제2 부품(230)의 탄성에 기반하여 해당 영역은 탄성적으로 변형될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서는 도 2의 인덕티브 포스 센서(200)는 모바일 디바이스의 베젤, 사이드, 또는 뒷면에 위치할 수 있으며, 개별 영역들(232)은 사용자에 의하여 식별되지 않도록 작은 크기를 가지고 밀집하여 배치될 수도 있다. 이때의 인덕티브 포스 센서(200)는 사용자가 해당 디바이스를 잡고 있는지, 또는 해당 디바이스의 인덕티브 포스 센서(200) 영역에 소정의 사용자 제스쳐를 입력하였는지 여부를 판정하는 수단으로 활용될 수도 있다.
도 1에서와 달리 도 2에서는 타겟 레이어(240)가 복수 개의 개별 영역들(232)와 인덕티브 코일들(212)로 이루어진 모듈에 공통적으로 배치된다. 스페이서 레이어(260)도 약한 탄성복원력을 가진다고 가정하면, 개별 영역들(232) 중 어느 영역에 터치 포스가 인가되었는지에 따라 타겟 레이어(240)는 XYZ 공간 상에서 뒤틀리며 인덕티브 코일들(212)에 비대칭적인 변위를 제공하게 될 것이다. 예를 들어, 1번 버튼이 눌린 경우와 6번 버튼이 눌린 경우의 인덕티브 코일들(212)에 형성되는 인덕턴스 분포는 상이할 것이며, 이러한 패턴을 사전에 테스트 과정을 거쳐 인덕티브 포스 센서(200)의 컨트롤러가 저장해 둘 수 있다. 인덕티브 포스 센서(200)는 실제로 외력이 인가되어 복수의 인덕티브 코일들(212)에 나타난 인덕턴스의 분포와 사전에 저장된 인덕턴스 분포 패턴을 비교하여 사용자가 의도한 입력은 무엇인지를 추출해 낼 수 있다.
종래 기술들에서는 복수 개의 채널들의 인덕턴스를 동시에 검출하기 용이하지 않았다. 본 발명에서는 복수 개의 채널들의 인덕턴스를 실질적으로 시간 차이 없이 동시에 검출 가능하며, 정량화된 데이터를 얻을 수 있으므로 인덕턴스 포스 센서(200)가 커버하는 영역 내의 터치 포스의 공간 분포를 얻을 수 있고, 정확한 사용자의 의도를 파악할 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 일 실시예에 따르면 타겟 레이어(240)에 별도의 코일이 배치되지 않은 경우에는 인덕티브 코일(212)과 타겟 레이어(240)의 에디 전류가 호응하여 셀프 인덕티브 방식으로 타겟 레이어(240)의 변위를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면 타겟 레이어(240)에 뮤추얼 인덕티브 코일(도시되지 않음)이 배치되고, 타겟 레이어(240)의 뮤추얼 인덕티브 코일과 기판(210) 상의 인덕티브 코일(212)이 호응하여 뮤추얼 인덕티브 방식으로 타겟 레이어(240)의 변위를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(300) 및 그 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 인덕티브 포스 센서(300) 내의 복수 개의 코일들(312)의 집합으로 이루어진 한 세트로서, 하나의 모듈(310a)이 도시된다.
모듈(310a) 내에서 복수 개의 코일들(312)에 나타나는 인덕턴스의 XY 평면 상에서의 공간적 분포를 시간 도메인에서 추적함으로써 모듈(310a)에 의하여 커버되는 영역 내에서 사용자의 터치 포스가 시간-공간적으로 변화하는 패턴을 추적할 수 있다.
인덕티브 포스 센서(300)는 복수 개의 코일들(312) 각각이 커버하는 개별 영역들에서 인식되는 Z축 방향의 외력의 XY 평면 상에서의 공간적 분포를 시간 도메인에서 추적하여, 외력의 중심이 XY 평면 상에서 시간 도메인에서 이동하는 방향과 속도를 분석할 수 있다. 이에 따르면 인덕티브 포스 센서(300)는 사용자가 인덕티브 포스 센서(300)가 커버하는 영역에서 가해지는 터치 포스의 패턴, 예를 들어 두드리거나, 슬라이드/스크롤/스와이프하거나, 줌 인/줌 아웃하는 등의 사용자 제스쳐를 인덕티브 센싱 기법으로 인식할 수 있다.
인덕티브 포스 센서(300)는 X축 방향을 따라 터치 포스의 중심 위치가 이동하는 X축 이동 정보, 및 Y축 방향을 따라 터치 포스의 중심 위치가 이동하는 Y축 이동 정보를 결합하여 XY 평면 상에서 터치 포스의 중심 위치가 이동하는 XY 평면 상의 이동 정보를 도출할 수도 있다. 또 다른 실시예에서는 인덕티브 포스 센서(300)는 복수 개의 코일들(312) 각각이 커버하는 개별 영역들에서 얻어지는 터치 포스의 변동 패턴으로부터 직접적으로 XY 평면 상에서 터치 포스의 중심 위치가 이동하는 제스쳐 정보를 얻을 수도 있다. 또한 각 채널 정보는 독립적으로 얻어지므로, 인덕티브 포스 센서(300)는 복수 개의 코일들(312)에 의하여 커버되는 센싱 영역 내에서 멀티 터치에 의한 사용자 제스쳐가 입력되더라도 혼동 없이 사용자 제스쳐를 인식할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(400) 및 그 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 인덕티브 포스 센서(400) 내의 복수 개의 코일들(412)의 집합으로 이루어진 한 세트로서, 하나의 모듈(410a)이 도시된다.
예를 들어, 모듈(410a)이 각 개별 영역들에 번호가 부여되어 외부에 표시되는 인터페이스인 경우, 도 4에 도시된 것처럼 외력이 입력되는 범위(452) 내에서 개별 영역을 특정하기 어려운 정도로 외력이 균등하게 측정되는 경우에는, 사용자가 특정한 번호 영역을 터치할 것을 의도한 것이 아니라 단지 디바이스를 손에 들고 있거나 외부에서 다른 요인으로 압력이 가해진 것으로 측정할 수도 있어서 디바이스의 오동작을 방지할 수 있다.
이를 위해서는 모듈(410a) 내에 포함되는 개별 영역들 및 복수 개의 코일들(412)에 대한 실질적으로 동 시간의 인덕턴스 분포 패턴을 검출해야 하는데, 본 발명에서는 레퍼런스 인덕턴스와의 차동 공진 신호에 기반하여 인덕턴스의 변화 및 각 코일들(412)에 관련된 개별 영역들의 터치 포스를 검출함으로써 이를 달성한다. 이와 관련된 사항은 도 7과 도 8의 설명에서 후술하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(500)의 코일 구조를 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(500)의 인덕티브 채널 코일(512)은 복수 개의 단위 코일 권선들의 집합으로 이루어지며, 상기 복수 개의 단위 코일 권선들은 특정 위치에서 멀어질수록 서로 멀리 이격되도록 배치되는 구조를 가질 수 있다.
도 1에서 도시된 타겟 레이어(140)는 Z축 방향의 외력이 인가되면 Z축 방향의 변위를 일으키는데, 이때 타겟 레이어(140)가 반드시 인덕티브 코일(512)과 평행한 상태를 유지할 수 있는 것은 아니다. 따라서 타겟 레이어(140)는 XYZ 공간 상에서 뒤틀린 채로 Z축 방향의 변위를 일으킬 수 있다. 이때 하나의 인덕티브 채널 코일(512)이 커버하는 채널 영역(514) 내에서 외력이 집중되는 XY 평면 상의 위치에 따라서 타겟 레이어(140)의 변위가 다르게 나타날 수 있다. 이때 도 5에 도시된 것처럼 인덕티브 코일(512)의 코일 구조가 인덕티브 포스 센서(500)의 중심에서 멀어질수록 인덕티브 코일(512) 내의 단위 코일 권선 간의 간격이 멀어지거나 가까워지는 구조라면, 채널 영역(514) 내에서 외력이 집중되는 XY 평면 상의 위치에 따라 인덕티브 코일(512)이 감지하는 인덕턴스 변화가 달라질 것이다. 따라서 사전에 미리 테스트되고 저장된 인덕턴스의 정량화 패턴과 실제로 측정된 인덕턴스의 정량화 패턴을 비교함으로써, 채널 영역(514) 내에서 외력이 집중되는 XY 평면 상의 위치를 식별할 수 있다.
이때 시간 도메인 상에서 채널 영역(514) 내에서 외력이 집중되는 XY 평면 상의 위치를 식별하고 추적함으로써, 싱글 채널의 인덕티브 포스 센서에서도 두드리거나 슬라이딩/스크롤/스와이핑하는 사용자 제스쳐를 인식할 수 있다.
도 5에서는 각 인덕티브 코일(512)의 구조는 비대칭적이지만, 인덕티브 코일들(512)의 집합으로 형성되어 하나의 모듈을 구성할 경우, 그 모듈은 대칭성을 가지도록 인덕티브 포스 센서(500)가 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(600)의 코일 구조를 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(600)의 인덕티브 채널 코일(612)은 복수 개의 단위 코일 권선들의 집합으로 이루어지며, 상기 복수 개의 단위 코일 권선들은 특정 위치에서 멀어질수록 서로 멀리 이격되도록 배치되는 구조를 가질 수 있다.
이때 하나의 인덕티브 채널 코일(612)이 커버하는 채널 영역(614) 내에서 외력이 집중되는 XY 평면 상의 위치를 식별할 수 있고, 시간 도메인 상에서 외력이 집중되는 XY 평면 상의 위치를 추적할 경우 싱글 채널 영역(614) 내에서도 사용자 제스쳐를 인식할 수 있음은 앞의 도 5에서 설명한 바와 같다.
도 6에서는 각 인덕티브 코일(612)의 구조가 비대칭적이고, 인덕티브 코일들(612)의 집합으로 형성되어 하나의 모듈을 구성할 경우, 그 모듈이 비대칭성을 유지하지만 규칙성을 인덕티브 포스 센서(600)가 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(700)의 회로 및 동작 방법을 도시하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 인덕티브 포스 센서(100)와 도 7의 회로를 함께 참조하면, 인덕티브 포스 센서(100, 700)는 인덕티브 코일(112, 712)과 결합하며 상기 인덕티브 코일(112, 712)에 대한 타겟 레이어(140, 740)의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일(112, 712)에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 공진 회로(720)를 포함한다.
이때 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 700)는 상기 제1 공진 회로(720)에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터(722); 상기 제1 공진 회로(720)가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태(외력(150, 750)이 인가되지 않는 상태가 선호됨)와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로(도 7에서는 도시되지 않음); 상기 제1 오실레이터(722)와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터(도 7에서는 도시되지 않음); 및 상기 제1 공진 회로(720)에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수(ω1)와 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)에 기반하여 상기 타겟 레이어(140, 740)의 변위 △d = |d-d0| 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(150, 750)을 판정하는 판정 회로(770)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 700)의 판정 회로(770)는 상기 레퍼런스 공진 회로에 인가되는 상기 레퍼런스 교류 신호의 영향으로 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 상기 레퍼런스 전기 신호의 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이를 검출하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 타겟 레이어(140, 740)가 상기 인덕티브 코일(112, 712)에 대하여 움직인 상대적인 변위 △d = |d-d0|, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(150, 750)에 대한 정량화된 감지 정보를 획득할 수 있다.
도 7에 도시된 제1 공진 회로(720)는 등가 회로를 나타낸 것이며, 반드시 lumped RLC 요소를 포함해야 하는 것은 아니다. 예를 들어 커패시턴스 C(716)과 저항 R(718)은 독립적인 소자일 수도 있고, 기생 성분을 나타낸 것일 수도 있다. 또한 독립적인 소자를 이용하여 제1 공진 회로(720)를 구현한 경우에도, 소자의 배치가 반드시 도 7을 따를 필요는 없으며 등가적으로 제1 공진 회로(720)에 대응할 수 있으면 충분하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 700)의 판정 회로(770)는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력(150)이 입력된 것으로 판정할 수 있다. 즉, 노이즈, 의도하지 않은 움직임, 의도하지 않은 접촉, 의도하지 않은 진동에 의하여 제1 공진 주파수(ω1)의 변화가 감지되었으나 제1 임계값 미만인 경우에는 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으키지 않은 것으로 간주할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 700)의 판정 회로(770)는 상기 제1 공진 회로(720)가 상기 제1 상태에 있도록 외부에서 강제로 조정된 상태에서(외부의 압력(150, 750)이 인가되지 않은 상태가 선호됨) 상기 제1 공진 주파수(ω1) 및 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이에 기반하여 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다.
판정 회로(770)는 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다. 판정 회로(770)는 외력(150, 750)이 인가되지 않은 상태에서 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다. 이때 캘리브레이션 과정을 통해 제1 공진 주파수(ω1) 및 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이가 zero가 되도록 제1 공진 회로(720) 또는 레퍼런스 공진 회로가 조정될 수 있다. 또한 캘리브레이션 과정을 통해 외력(150, 750)이 인가되지 않은 제1 상태에서 검출되는 제1 공진 주파수(ω1) 및 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이가 별도의 메모리 또는 스토리지(storage)에 저장되어 향후 인덕티브 포스 센싱 과정에서 오프셋 정보로 처리될 수 있다. 캘리브레이션을 거친 후 제1 공진 주파수(ω1) 및 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이에 대한 조정은 제1 공진 회로(720)에 부가될 수 있는 가변 저항기 R' 의 값을 조정하는 등의 수단을 이용하여 실행될 수 있다.
일반적으로 현재까지 알려진 인덕티브 센싱 기술은 가변 주파수 스캔을 통하여 복수의 주파수 신호를 순차적으로 입력한 이후 임피던스의 변화를 측정하는 것이었는데, 이 같은 방법은 신호의 크기를 정확히 검출하고 비교해야 하는 전제 조건이 있었다. 그런데 일반적인 인덕티브 센서에서 노이즈에도 불구하고 신호들의 크기를 정확히 검출하는 것은 대단히 어려운 일이다.
본 발명은 신호들의 진폭을 주된 검출 대상으로 삼는 대신 공진 주파수의 변화를 주된 검출 대상으로 삼았으며, 또한 가변 주파수 스캔과 같은 방식을 채택하지 않고 동일 주파수의 교류 신호를 인가하는 수단만으로도 충분히 소기의 목적을 달성할 수 있다. 따라서 이러한 방식을 이용하여 본 발명은 신속하게 해당 시점의 인덕턴스의 변화를 감지하고, 이를 정량화할 수 있다. 후술할 도 8의 방식에 의하여 공진 신호의 진폭과 관련 없이 제1 공진 주파수(ω1)의 실시간 변화가 검출될 수 있다. 또한 제1 공진 주파수(ω1)가 간접적인 방법으로 검출되는 것이 아니라 주파수의 값이 직접적으로 검출되므로, 이를 이용하여 디지털화하기 용이하며, 디지털화된 값을 이용하여 인덕턴스의 변화 및 터치 포스의 변화를 정밀하게 검출할 수 있는 장점이 있다. 또한 가변 주파수 스캔과 같은 과정이 없으므로 센싱 과정이 빠르고 소비 전력이 적다. 하나의 코일 및 채널에 대한 인덕티브 센싱 과정이 신속하면서 센싱 결과는 디지털화된 값으로 얻어지므로, 다수의 채널을 구현한 경우에도 실질적으로 동시에 인덕턴스의 변화 및 터치 포스의 변화를 검출할 수 있다. 각각의 채널 및 코일이 XY 평면 상의 위치에 대응할 경우, 신속하게 얻어진 터치 포스의 XY 평면 상에서의 공간적 변화는 터치 포스가 사용자의 의도에 의한 것인지, 오류 또는 다른 원인에 의한 것인지를 용이하게 식별할 수 있게 한다. 또한 터치 포스의 XY 평면 상에서의 공간적 변화를 시간 도메인 상에서 추적함으로써 사용자의 의도에 의한 제스쳐를 용이하게 인식할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도 2의 인덕티브 포스 센서(200)와 도 7의 회로를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200, 700)는 상기 복수 개의 인덕티브 코일들(212, 712) 중 제1 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제1 인덕티브 코일에 대한 상기 타겟 레이어(240, 740)의 제1 변위에 기반하여 상기 제1 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 채널 공진 회로(720); 상기 제1 채널 공진 회로(720)에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터(722); 상기 복수 개의 인덕티브 코일들(212, 712) 중 제2 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제2 인덕티브 코일에 대한 상기 타겟 레이어(240, 740)의 제2 변위에 기반하여 상기 제2 인덕티브 코일에 형성되는 제2 인덕턴스에 기인하는 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 채널 공진 회로(도시되지 않음); 상기 제2 채널 공진 회로에 제2 교류 신호를 인가하는 제2 오실레이터(도시되지 않음); 상기 제1 채널 공진 회로(720)가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태 및 상기 제2 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제2 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로; 상기 제1 오실레이터(722) 및 상기 제2 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및 상기 제1 채널 공진 회로(720)에 형성되는 제1 전기 신호, 상기 제2 채널 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호, 및 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수(ω1), 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수(ω2), 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)이 입력된 위치 및 상기 외력(750)을 판정하는 판정 회로(770)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200, 700)의 판정 회로(770)는 상기 레퍼런스 공진 회로에 인가되는 상기 레퍼런스 교류 신호의 영향으로 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 상기 레퍼런스 전기 신호의 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이를 검출하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이에 기반하여 상기 제1 채널 공진 회로(720)가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 타겟(240, 740)의 상기 제1 변위, 및 상기 제1 인덕티브 코일에 대응하는 제1 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이를 검출하고, 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여 상기 제2 채널 공진 회로가 상기 제2 상태에서 벗어난 정도, 상기 타겟(240, 740)의 상기 제2 변위, 및 상기 제2 인덕티브 코일에 대응하는 제2 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200, 700)의 판정 회로(770)는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이, 또는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이 중 적어도 하나 이상이 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수(ω1) 또는 상기 제2 공진 주파수(ω2) 중 적어도 하나 이상이 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)이 입력된 것으로 판정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도 3의 인덕티브 포스 센서(300)와 도 7의 회로를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(300, 700)의 판정 회로(770)는 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1)의 차이의 제1 변화 패턴 및 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제2 공진 주파수(ω2)의 차이의 제2 변화 패턴에 기반하여, 상기 제1 인덕티브 코일이 커버하는 제1 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보, 상기 제2 인덕티브 코일이 커버하는 제2 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식할 수 있다.
이때 하나의 모듈(310a)의 개별 코일들(312)마다 판정 회로가 할당되지 않고 하나의 모듈(310a)에 하나의 판정 회로가 할당되어도 충분히 개별 코일들(312)의 인덕턴스 분포를 실질적으로 시간 차이 없이 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도 4의 인덕티브 포스 센서(400)와 도 7의 회로를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(400, 700)의 판정 회로(770)는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1)의 차이, 및 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제2 공진 주파수(ω2)의 차이에 기반하여, 상기 제1 인덕티브 코일이 커버하는 제1 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 제2 인덕티브 코일이 커버하는 제2 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보를 추출하고, 상기 Z축 방향의 상기 외력이 사용자에 의하여 의도된 입력인 지 여부를 판정할 수 있다.
이때 하나의 모듈(410a)의 개별 코일들(412)마다 판정 회로가 할당되지 않고 하나의 모듈(410a)에 하나의 판정 회로가 할당되어도 충분히 개별 코일들(412)의 인덕턴스 분포를 실질적으로 시간 차이 없이 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 도 5의 인덕티브 포스 센서(500)와 도 7의 회로를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(500, 700)의 판정 회로(770)는 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1)의 차이의 변화 패턴에 기반하여 상기 인덕티브 코일(512)이 커버하는 채널 영역(514)에서 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식할 수 있다. 즉, 단일 채널 영역(514) 내에서도 외력(750)의 XY 평면 상의 위치 변화를 인식할 수 있고, 외력(750)의 XY 평면 상의 위치 변화를 시간 도메인 상에서 추적하여 사용자가 의도한 제스쳐를 인식할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(800)의 회로 및 동작 방법을 도시하는 도면이다.
도 1과 도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 800)는 제1 공진 회로(820), 제1 오실레이터(822), 및 레퍼런스 공진 회로(820a), 레퍼런스 오실레이터(822a)를 포함한다. 도 8의 제1 공진 회로(820), 제1 오실레이터(822), 및 레퍼런스 공진 회로(820a), 레퍼런스 오실레이터(822a)의 동작은 도 7의 실시예들에서 설명한 내용과 유사하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 800)의 판정 회로(870)는 상기 제1 공진 주파수(ω1)와 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이를 구하는 연산기(operator) 회로(872), 상기 연산기 회로(872)의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter)(874), 및 상기 저역통과필터(874)의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수(ω1)와 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이에 해당하는 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는(차동 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값을 출력하는) 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)(876)를 포함할 수 있다.
연산기 회로(872)는 제1 전기 신호와 레퍼런스 전기 신호 간의 산술 연산(가산, 감산, 승산)을 이용하여 즉각적으로 차동 주파수 성분 신호를 획득할 수 있다. 타임-투-디지털 변환기(876)는 차동 주파수(또는 차동 주파수에 비례하는 주파수)를 가지는 펄스 신호의 펄스 개수를 일정 시간 구간 동안 카운트하거나, 차동 주파수(또는 차동 주파수에 비례하는 주파수)를 가지는 펄스 신호의 펄스폭 또는 주기에 대한 디지털 카운트 값을 생성할 수 있다.
판정 회로(870)의 실시예에 따라서는 차동 주파수 성분 신호에 대한 샘플러 및 비교기(comparator)를 포함할 수 있는데, 이때 판정 회로(870)의 원활한 동작을 위하여 샘플러 및 비교기는 제1 임계값보다 충분히 크고, 감지 대상 변위에 대응하는 공진 주파수 성분의 동작 범위보다 충분히 큰 동작 주파수를 선택하여 설계될 수 있다.
이때 레퍼런스 공진 회로(820a)는 외부의 영향으로부터 차단되어 초기화된 설정을 계속 유지할 수 있도록 관리된다.
본 발명의 다른 일 실시예인 도 2의 인덕티브 포스 센서(200)와 도 8을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200, 800)의 판정 회로(870)는 상기 제1 공진 주파수(ω1)와 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)의 차이를 구하고, 상기 제2 공진 주파수(ω2)와 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)의 차이를 구하는 연산기 회로(872), 연산기 회로(872)의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter)(874), 및 상기 저역통과필터(874)의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수(ω1)와 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이에 해당하는 제1 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하고, 상기 제2 공진 주파수(ω2)와 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이에 해당하는 제2 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기 (876)를 포함할 수 있다.
다수의 인덕티브 코일(212) 및 채널들이 추가되는 경우, 각 인덕티브 코일(212) 및 채널에 대응하여 공진 회로가 하나씩 추가될 수 있다. 다수의 인덕티브 코일(212) 및 채널들이 추가되는 경우에도, 레퍼런스 공진 회로(820a), 및 판정 회로(870)는 추가될 필요는 없다. 다수의 인덕티브 코일(212) 및 채널 각각으로부터 수신되는 전기 신호를 판정 회로(870)가 타임 멀티플렉싱 기법으로 수신하고, 수신된 각 채널의 전기 신호의 채널 공진 주파수 각각과 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차이를 검출하여 각 채널의 인덕턴스, 각 채널에서 발생하는 변위, 각 채널에서 발생하는 터치 포스를 검출할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 판정 회로(870)에서 검출된 각 채널의 인덕턴스, 각 채널에서 발생하는 변위, 각 채널에서 발생하는 터치 포스 데이터는 각 채널을 식별할 수 있는 채널 식별 정보와 연관되어 메모리 또는 스토리지에 저장될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 판정 회로(770, 870)에서 즉각적으로 각 채널의 공진 주파수와 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref) 간의 차동 주파수 성분을 구할 수 있으므로, 시간 지연 없이 실질적으로 동시에 다수의 채널들의 인덕턴스, 변위, 터치 포스를 식별할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 판정 회로(770, 870)에서 각 채널들의 전기 신호 및 레퍼런스 전기 신호의 진폭과 독립적으로(진폭의 검출 없이) 각 채널들의 공진 주파수 정보를 검출할 수 있다. 이때 실시예에 따라서는 공진 주파수와 독립적으로 진폭을 검출하는 종래의 기술을 병행적으로 적용하고, 서로 독립적으로 얻어진 두 개의 감지 정보(진폭의 검출에 기반한 제1 감지 정보, 진폭과 독립적으로 공진 주파수의 검출에 기반한 제2 감지 정보)를 상호 교차 검증할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 9의 동작 방법은 도 1, 도 7, 도 8이 함께 참조되는 인덕티브 포스 센서(100, 700, 800)에서 실행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(100, 700, 800)의 동작 방법은 제1 오실레이터(722, 822)가, 인덕티브 코일(112, 712)과 결합하며 상기 인덕티브 코일(112, 712)에 대한 타겟(140, 740, 840)의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일(112, 712)에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 공진 회로(720, 820)에 제1 교류 신호를 인가하는 단계(S910); 상기 제1 오실레이터(722, 822)와 동일한 특성을 가지는 레퍼런스 오실레이터(822a)가, 상기 제1 공진 회로(720, 820)가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로(820a)에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 단계(S920); 판정 회로(770, 870)가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 공진 회로(720, 820)에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계(S930); 상기 판정 회로(770, 870)가 상기 레퍼런스 공진 회로(820a)에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하는 단계(S930); 및 상기 판정 회로(770, 870)가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수(ω1) 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)에 기반하여 상기 타겟(140, 740, 840)의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(150, 750)을 판정하는 단계(S960)를 포함한다.
이때 상기 판정 회로(770, 870)는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이를 검출하는 단계(S940)를 수행하고, 단계(S940)의 결과에 기반하여 상기 제1 공진 회로(720, 820)가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 타겟(140, 740, 840)이 상기 인덕티브 코일(112, 712)에 대하여 움직인 상대적인 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(150, 750)에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계(S960)를 수행할 수 있다.
이때 상기 판정 회로(770, 870)는 단계(S940)의 결과가 제1 임계값을 초과하는지 여부를 판정하여 유의미한 변화가 검출되었는지 판정하는 단계(S950)를 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(500, 700, 800)의 동작 방법은 상기 판정 회로(770, 870)가 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 상기 제1 공진 주파수(ω1)의 차이의 변화 패턴에 기반하여 상기 인덕티브 코일(512, 712)이 커버하는 채널 영역(514)에서 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력(750)에 기반하여 사용자가 의도한 것으로 추측되는 사용자 제스쳐를 인식하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 10의 동작 방법은 도 2, 도 7, 도 8이 함께 참조되는 인덕티브 포스 센서(200, 700, 800)에서 실행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(200, 700, 800)의 동작 방법에서는 제1 채널에 대하여 도 9의 단계 S910 내지 S930이 수행되고, 특히 판정 회로(770, 870)가 단계 S930을 수행한다. 또한 제2 채널에 대해서도 개별적으로 도 9의 단계 S910 내지 S930이 수행된다.
판정 회로(770, 870)가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수, 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수, 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 단계(S1020, S1040)를 수행한다.
이때 상기 판정 회로가 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 단계는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계(S1010); 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계(S1030); 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 타겟의 상기 제1 변위, 및 상기 제1 인덕티브 코일에 대응하는 제1 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계(S1020, S1060); 및 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제2 공진 회로가 상기 제2 상태에서 벗어난 정도, 상기 타겟의 상기 제2 변위, 및 상기 제2 인덕티브 코일에 대응하는 제2 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계(S1040, S1060)를 더 포함할 수 있다.
판정 회로(770, 870)는 단계 S1020 및 S1040의 결과에 기반하여, 제1 채널과 제2 채널에 대하여 감지된 터치 포스가 사용자가 의도한 입력인지를 판정하고, 오류 또는 사용자가 의도하지 않은 다른 요인에 의한 신호 변동은 아닌지를 판정한다(S1050).
단계 S1050의 수행 결과 터치 포스가 사용자가 의도한 입력으로 판정되면, 판정 회로(770, 870)는 제1 채널과 제2 채널을 포함하는 영역에 대하여 터치 힘이 입력된 위치 및 터치 힘의 크기를 디지털화하고 정량화한다(S1060).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(1100)를 도시하는 도면이다. 도 11에는 싱글 버튼/채널/코일을 가정한 인덕티브 포스 센서(1100)가 도시된다.
도 11은 도 1의 실시예에서 타겟 레이어(140)와 제1 부품(130)의 기능을 도 11의 제1 부품(1140)이 수행하도록 변형된 실시예이다. 즉, 도 11에서는 별도의 타겟 레이어가 존재하지 않으며, 제1 부품(1140)의 변형에 따른 Z축 방향의 변위가 인덕티브 코일(1112)과 제1 부품(1140)의 인덕티브 결합에 의하여 나타나는 인덕턴스의 변화와 공진 주파수의 변화를 통하여 검출될 수 있다.
도 11에서 외력(1150), 기판(1110), 및 스페이서 레이어(1160)는 도 1의 외력(150), 기판(110), 및 스페이서 레이어(160)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
종래의 인덕티브 센싱 기술들은 외력(1150)에 의한 제1 부품(1140)의 Z축 방향의 변위를 정밀하게 측정하기 어려우므로, 측정의 정확도를 높이기 위한 노력의 일환으로 도 1에서와 같이 제1 부품(130)의 아래에 타겟 레이어(140)를 별도로 배치하고, 제1 부품(130)의 Z축 방향의 변형에 기반하여 타겟 레이어(140)가 Z축 방향으로 변위하면 그 변위가 감지된다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 인덕턴스의 변화를 차동 신호의 공진 주파수의 차이를 통하여 검출하므로, 측정값의 정량화 및 디지털화가 용이하여 변위의 감도가 높다. 따라서 도 11에서와 같이 하나의 제1 부품(1140)만으로도 Z축 방향의 외력(1150)의 검출 및 정량화가 가능하다. 이때, 제1 부품(1140)과 인덕티브 코일(1112) 간의 Z축 방향의 거리에 따라 제1 부품(1140)과 인덕티브 코일(1112) 간의 인덕티브 결합에 의하여 인덕티브 코일(1112)에 연결되는 공진 회로의 인덕턴스가 변동된다. 따라서 제1 부품(1140)의 Z축 방향의 변위만으로도 인덕턴스의 변화 및 공진 주파수의 변화가 검출되며, Z축 방향의 외력(1150)의 검출 및 정량화가 가능하다. 이때 제1 부품(1140)이 변형되어 인덕티브 코일(1112)에 보다 가까워지는 부분에 에디 전류(Eddy Current)가 유도되면 제1 부품(1140)의 Z축 방향의 변위에 의한 합성 인덕턴스의 변화가 검출된다. 따라서 제1 부품(1140)은 전기 전도성을 띠도록 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 포스 센서(1200)를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 2의 실시예에서 타겟 레이어(240)와 제2 부품(230)의 기능을 도 12의 제2 부품(1230)이 수행하도록 변형된 실시예이다. 즉, 도 12에서는 별도의 타겟 레이어가 존재하지 않으며, 제2 부품(1230) 내의 개별 영역들(1232)의 변형에 따른 Z축 방향의 변위가 복수 개의 인덕티브 코일들(1212)과 제2 부품(1230) 내의 개별 영역들(1232) 간의 인덕티브 결합에 의하여 나타나는 인덕턴스의 변화와 공진 주파수의 변화를 통하여 검출될 수 있다.
도 12에서 기판(1210) 및 스페이서 레이어(1260)은 도 2의 기판(210) 및 스페이서 레이어(260)와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
종래의 인덕티브 센싱 기술들은 외력에 의한 제2 부품(1230) 내의 개별 영역들(1232) 각각의 Z축 방향의 변위를 정밀하게 측정하기 어려우므로, 측정의 정확도를 높이기 위한 노력의 일환으로 도 2에서와 같이 제2 부품(230)의 아래에 타겟 레이어(240)를 별도로 배치하고, 제2 부품(230)의 Z축 방향의 변형에 기반하여 타겟 레이어(240)가 Z축 방향으로 변위하면 그 변위가 감지된다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 인덕턴스의 변화를 차동 신호의 공진 주파수의 차이를 통하여 검출하므로, 측정값의 정량화 및 디지털화가 용이하여 변위의 감도가 높다. 따라서 도 12에서와 같이 타겟 레이어가 배치되지 않고 제2 부품(1230) 내의 개별 영역들(1232) 각각과 복수 개의 인덕티브 코일들(1212) 간의 인덕티브 결합에 의하여 개별 영역들(1232) 각각의 변위를 검출하고 정량화할 수 있다.
개별 영역들(1232) 중 제1 개별 영역에 외력이 인가되어 제1 개별 영역이 변형되고 제1 개별 영역이 Z축 방향으로 변위한 경우, 복수 개의 인덕티브 코일들(1212) 중에서 제1 개별 영역과 대향하는 제1 인덕티브 코일에서 감지되는 인덕턴스의 변화에 기반하여 제1 개별 영역에 대한 외력의 인가 여부 및 외력의 크기가 판정될 수 있다. 제1 인덕티브 코일과 제1 개별 영역 간의 인덕티브 결합에 의하여 제1 개별 영역의 Z축 방향의 변위(제1 인덕티브 코일에 대한 제1 개별 영역의 변형 및 Z축 방향의 변위)가 제1 인덕티브 코일이 연결되는 제1 공진 회로의 인덕턴스에 영향을 미친다. 제1 공진 회로의 변경된 인덕턴스에 기반하여 제1 공진 회로의 제1 공진 주파수(ω1)의 변화를 판정 회로(770, 870)에서 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 제1 공진 주파수(ω1)의 차이에 기반하여 검출하고, 레퍼런스 공진 주파수(ω_ref)와 제1 공진 주파수(ω1)의 차이에 기반하여 제1 공진 주파수(ω1)의 변화가 정량화된다. 정량화된 제1 공진 주파수(ω1)의 변화는 디지털화되어 별도의 메모리 또는 스토리지에 저장될 수 있다.
이때 제2 부품(1230) 내의 개별 영역들(1232)과 대향하는 인덕티브 코일들(1212) 간의 인덕티브 결합에 의하여 인덕티브 코일들(1212) 각각에 연결되는 공진 회로의 인덕턴스가 변동된다. 따라서 개별 영역들(1232)의 Z축 방향의 변위만으로도 인덕턴스의 변화 및 공진 주파수의 변화가 검출되며, Z축 방향의 외력의 검출 및 정량화가 가능하다. 이때 제2 부품(1230) 내의 개별 영역들(1232) 중 외력에 의하여 인덕티브 코일들(1212)과의 거리가 가까워지는 부분에 에디 전류(Eddy Current)가 유도되면 Z축 방향의 변위에 의한 합성 인덕턴스의 변화가 검출된다. 에디 전류가 유도되기 쉽도록 개별 영역들(1232)이 구현되면 합성 인덕턴스의 변화가 더욱 잘 나타나게 되므로, 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 이때에는 개별 영역들(1232)에 에디 전류가 쉽게 유도되기 위하여 제2 부품(1230) 내에서 개별 영역들(1232)은 제2 부품(1230) 내의 나머지 영역들보다 높은 전기 전도성을 띠도록 구현될 수 있다. 예를 들어 비자성체이면서 전기 전도체인 알루미늄 등의 금속 박막을 개별 영역들(1232)에 배치하여 개별 영역들(1232)의 전기 전도성을 높일 수 있고, 개별 영역들(1232)의 Z축 방향의 변위에 대한 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회로의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명의 실시예와 도면에 소개된 길이, 높이, 크기, 폭 등은 이해를 돕기 위해 과장된 것일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 1100, 1200: 인덕티브 포스 센서
110, 210, 1110, 1210: PCB
310a, 410a: 복수 개의 코일들의 집합으로 이루어진 하나의 모듈
112, 212, 312, 412, 1112, 1212: 인덕티브 코일
512, 612: 채널 코일
514, 614: 채널 영역
130, 230: 변형 가능한 부품
232, 1232: 개별 영역
140, 240: 타겟 레이어
150, 750: 외부로부터의 힘(외력)
452: 외력이 입력되는 범위
160, 260, 1160, 1260: 스페이서 레이어
770, 870: 판정 회로
110, 210, 1110, 1210: PCB
310a, 410a: 복수 개의 코일들의 집합으로 이루어진 하나의 모듈
112, 212, 312, 412, 1112, 1212: 인덕티브 코일
512, 612: 채널 코일
514, 614: 채널 영역
130, 230: 변형 가능한 부품
232, 1232: 개별 영역
140, 240: 타겟 레이어
150, 750: 외부로부터의 힘(외력)
452: 외력이 입력되는 범위
160, 260, 1160, 1260: 스페이서 레이어
770, 870: 판정 회로
Claims (19)
- Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품;
상기 제1 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되는 인덕티브 코일;
상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터;
상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로;
상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및
상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 판정 회로;
를 포함하고,
상기 판정 회로는
상기 레퍼런스 공진 회로에 인가되는 상기 레퍼런스 교류 신호의 영향으로 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 상기 레퍼런스 전기 신호의 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고,
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 것으로 판정하고,
상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주되는 경우, 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 제1 부품이 상기 인덕티브 코일에 대하여 움직인 상대적인 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는
인덕티브 포스 센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 인덕티브 코일은 복수 개의 단위 코일 권선들이 동심 구조로 중첩되어 형성되는 인덕티브 포스 센서. - Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품;
상기 제1 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되는 인덕티브 코일;
상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터;
상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로;
상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및
상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 판정 회로;
를 포함하고,
상기 인덕티브 코일은 복수 개의 단위 코일 권선들의 집합으로 이루어지며, 상기 복수 개의 단위 코일 권선들은 특정 위치에서 멀어질수록 서로 멀리 이격되도록 배치되는 구조인 인덕티브 포스 센서. - 제5항에 있어서,
상기 판정 회로는
시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이의 변화 패턴에 기반하여 상기 인덕티브 코일이 커버하는 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식하는 인덕티브 포스 센서. - 제1항에 있어서,
상기 판정 회로는
상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator);
상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및
상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter);
를 포함하는 인덕티브 포스 센서. - Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품;
상기 제1 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되는 인덕티브 코일;
상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터;
상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로;
상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및
상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 판정 회로;
를 포함하고,
상기 판정 회로는
상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에 있도록 외부에서 강제로 조정된 상태에서 상기 제1 공진 주파수 및 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 캘리브레이션 과정을 수행하는 인덕티브 포스 센서. - Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 복수 개의 개별 영역들을 포함하는 제2 부품;
상기 제2 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되며, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각에 대응하고, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각과 대향하여 배치되는 복수 개의 인덕티브 코일들;
상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제1 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제1 인덕티브 코일에 대한 상기 개별 영역들의 제1 변위에 기반하여 상기 제1 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 채널 공진 회로;
상기 제1 채널 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터;
상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제2 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제2 인덕티브 코일에 대한 상기 개별 영역들의 제2 변위에 기반하여 상기 제2 인덕티브 코일에 형성되는 제2 인덕턴스에 기인하는 제2 공진 주파수를 가지는 제2 채널 공진 회로;
상기 제2 채널 공진 회로에 제2 교류 신호를 인가하는 제2 오실레이터;
상기 제1 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태 및 상기 제2 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제2 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로;
상기 제1 오실레이터 및 상기 제2 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및
상기 제1 채널 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호, 상기 제2 채널 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호, 및 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수, 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수, 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 판정 회로;
를 포함하고,
상기 판정 회로는
상기 레퍼런스 공진 회로에 인가되는 상기 레퍼런스 교류 신호의 영향으로 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 상기 레퍼런스 전기 신호의 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고,
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 채널 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 개별 영역들의 상기 제1 변위, 및 상기 제1 인덕티브 코일에 대응하는 제1 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하고,
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하고,
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제2 채널 공진 회로가 상기 제2 상태에서 벗어난 정도, 상기 개별 영역들의 상기 제2 변위, 및 상기 제2 인덕티브 코일에 대응하는 제2 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는
인덕티브 포스 센서. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 판정 회로는
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이, 또는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이 중 적어도 하나 이상이 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수 또는 상기 제2 공진 주파수 중 적어도 하나 이상이 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 것으로 판정하는 인덕티브 포스 센서. - Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 복수 개의 개별 영역들을 포함하는 제2 부품;
상기 제2 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되며, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각에 대응하고, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각과 대향하여 배치되는 복수 개의 인덕티브 코일들;
상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제1 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제1 인덕티브 코일에 대한 상기 개별 영역들의 제1 변위에 기반하여 상기 제1 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 채널 공진 회로;
상기 제1 채널 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터;
상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제2 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제2 인덕티브 코일에 대한 상기 개별 영역들의 제2 변위에 기반하여 상기 제2 인덕티브 코일에 형성되는 제2 인덕턴스에 기인하는 제2 공진 주파수를 가지는 제2 채널 공진 회로;
상기 제2 채널 공진 회로에 제2 교류 신호를 인가하는 제2 오실레이터;
상기 제1 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태 및 상기 제2 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제2 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로;
상기 제1 오실레이터 및 상기 제2 오실레이터와 동일한 특성을 가지며 상기 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 레퍼런스 오실레이터; 및
상기 제1 채널 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호, 상기 제2 채널 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호, 및 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수, 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수, 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 판정 회로;
를 포함하고,
상기 판정 회로는
시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이의 제1 변화 패턴 및 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이의 제2 변화 패턴에 기반하여, 상기 제1 인덕티브 코일이 커버하는 제1 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 상기 제2 인덕티브 코일이 커버하는 제2 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식하는 인덕티브 포스 센서. - 제9항에 있어서,
상기 판정 회로는
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이, 및 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이에 기반하여, 상기 제1 인덕티브 코일이 커버하는 제1 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 제2 인덕티브 코일이 커버하는 제2 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 추출하고, 상기 Z축 방향의 상기 외력이 사용자에 의하여 의도된 입력인 지 여부를 판정하는 인덕티브 포스 센서. - 제9항에 있어서,
상기 판정 회로는
상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수의 차이를 구하고, 상기 제2 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator);
상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및
상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제1 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하고, 상기 제2 공진 주파수와 상기 레퍼런스 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제2 차동 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter);
를 포함하는 인덕티브 포스 센서. - Z축 방향의 외력에 노출되며 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품, 상기 제1 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되는 인덕티브 코일;을 포함하는 인덕티브 포스 센서의 동작 방법에 있어서,
제1 오실레이터가, 상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 단계;
상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 레퍼런스 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 단계;
판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 판정 회로가 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하는 단계; 및
상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 단계;
를 포함하고,
상기 판정 회로가 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 단계는
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계;
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 것으로 판정하는 단계; 및
상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주되는 경우, 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 제1 부품이 상기 인덕티브 코일에 대하여 움직인 상대적인 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계;
를 포함하는 인덕티브 포스 센서의 동작 방법. - 삭제
- Z축 방향의 외력에 노출되며 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 제1 부품, 상기 제1 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되는 인덕티브 코일;을 포함하는 인덕티브 포스 센서의 동작 방법에 있어서,
제1 오실레이터가, 상기 인덕티브 코일과 결합하며 상기 인덕티브 코일에 대한 상기 제1 부품의 변위에 기반하여 상기 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 단계;
상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 레퍼런스 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 단계;
판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 판정 회로가 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 부품의 변위 및 상기 Z축 방향의 상기 외력을 판정하는 단계; 및
상기 판정 회로가 시간 도메인에서 나타나는 상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수의 차이의 변화 패턴에 기반하여 상기 인덕티브 코일이 커버하는 영역에서 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 의도되는 사용자 제스쳐를 인식하는 단계;
를 포함하는 인덕티브 포스 센서의 동작 방법. - 인덕티브 포스 센서의 동작 방법에 있어서,
상기 인덕티브 포스 센서는
Z축 방향의 외력에 노출되며, 상기 Z축 방향의 상기 외력에 의하여 상기 Z축 방향을 따라 탄성적으로 변형 가능한 복수 개의 개별 영역들을 포함하는 제2 부품; 및
상기 제2 부품과 이격되어 배치되는 기판 상에 형성되며, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각에 대응하고, 상기 복수 개의 개별 영역들 각각과 대향하여 배치되는 복수 개의 인덕티브 코일들;
을 포함하고,
제1 오실레이터가, 상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제1 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제1 인덕티브 코일에 대한 상기 개별 영역들의 제1 변위에 기반하여 상기 제1 인덕티브 코일에 형성되는 제1 인덕턴스에 기인하는 제1 공진 주파수를 가지는 제1 채널 공진 회로에 제1 교류 신호를 인가하는 단계;
제2 오실레이터가, 상기 복수 개의 인덕티브 코일들 중 제2 인덕티브 코일과 결합하며 상기 제2 인덕티브 코일에 대한 상기 개별 영역들의 제2 변위에 기반하여 상기 제2 인덕티브 코일에 형성되는 제2 인덕턴스에 기인하는 제2 공진 주파수를 가지는 제2 채널 공진 회로에 제2 교류 신호를 인가하는 단계;
상기 제1 오실레이터 및 상기 제2 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 레퍼런스 오실레이터가, 상기 제1 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제1 상태 및 상기 제2 채널 공진 회로가 가질 수 있는 상태 중 미리 결정된 제2 상태와 동일한 임피던스를 가지는 레퍼런스 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호를 인가하는 단계;
판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 채널 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
판정 회로가 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 채널 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 판정 회로가 상기 레퍼런스 공진 회로에 형성되는 레퍼런스 전기 신호를 수신하는 단계; 및
상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수, 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수, 및 상기 레퍼런스 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 변위, 상기 제2 변위, 및 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 단계;
를 포함하고,
상기 판정 회로가 상기 Z축 방향의 상기 외력이 입력된 위치 및 상기 외력을 판정하는 단계는
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계;
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계;
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 공진 회로가 상기 제1 상태에서 벗어난 정도, 상기 개별 영역들의 상기 제1 변위, 및 상기 제1 인덕티브 코일에 대응하는 제1 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계; 및
상기 레퍼런스 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제2 공진 회로가 상기 제2 상태에서 벗어난 정도, 상기 개별 영역들의 상기 제2 변위, 및 상기 제2 인덕티브 코일에 대응하는 제2 개별 영역에서 나타나는 상기 Z축 방향의 상기 외력에 대한 정량화된 감지 정보를 획득하는 단계;
를 포함하는 인덕티브 포스 센서의 동작 방법. - 삭제
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|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right |