KR102364056B1 - 터치 및 터치 포스를 감지하는 하이브리드 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
하이브리드 센서 및 그 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서는 외측에 위치하는 제1 센싱 요소; 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소; 제1 센싱 요소 및 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품; 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로; 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 및 제1 공진 회로 및 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함한다. 검출 회로는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성한다. 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부가 판정된다.
Description
본 발명은 근접에 기반한 사용자 인터페이스 디바이스, 디바이스를 위한 센서, 및 그 동작 방법에 관한 것이다. 구체적으로는 근접에 기반한 제스쳐 센서, 터치 센서, 및 터치 포스 센서의 감도를 개선하고 효과적으로 구현하는 기술 및 그 동작 방법에 관한 기술이다.
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 터치 기술은 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.
3D 터치 힘 인식 기술을 응용하여 자동차 도어(도어 핸들)에 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 있다. 이 선행문헌의 검출 디바이스(D')는 매우 작은 거리(20 ㎛ 내지 100 ㎛)에서 차량을 로킹하는 로킹 영역에 사용자의 압력을 나타내는 타겟의 움직임을 측정하도록 설계된다. 매우 작은 거리에서의 변화를 검출할 수 있도록 민감도를 높였지만 상대적으로 측정할 수 있는 다이나믹 레인지는 매우 좁다.
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 도 1에서와 같이 커패시티브 터치 센서(28)와 인덕티브 터치 포스 센서(29)를 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. 다만 도 1에 도시된 것처럼 이 선행기술은 커패시티브 터치 센서(28)의 동작을 위하여 외부의 전극(21)에 전기적으로 연결되는 도선이 필요하여 구조가 복잡해지고, 밀폐성 및/또는 방수성이 요구되는 어플리케이션에는 적용하기 어려운 문제가 있다.
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.
미국등록특허 US 9,990,121 "Device, method, and graphical user interface for moving a user interface object based on an intensity of a press input" 에서는 회로를 구현하는 구체적인 과정은 개시되어 있지 않으나, 제1 제스처 인식기는 세기(intensity) 기반 제스처 인식기이고, 제 2 제스처 인식기는 탭 제스처 인식기이며, 제3 제스처 인식기는 제1 입력에 후속되는 제2 입력 후속 제스처를 감지하는 인식기로 구분하고 있어서 , 각각의 임계치 및 제스처의 종류마다 개별적인 인식기 센서가 이용되는 구성을 개시하고 있다.
미국등록특허 US 9,870,109 "Device and method for localized force and proximity sensing" 에서는 터치의 위치 정보를 인식하기 위하여 터치 전극 이외의 그라운드 트레이스 전극을 그라운드 상태로 유지하는 위치 감지 모드, 터치 힘을 인식하기 위하여 그라운드 트레이스 전극을 수신 전극(receiver electrode)으로 이용한다. 이 방식은 터치 및 터치 힘을 인식하기 위한 전극의 수를 줄일 수 있다는 장점은 있지만 여전히 터치 감지와 터치 힘 측정에 별도의 채널이 필요하며, 터치 위치 감지 모드와 터치 힘 감지 모드를 별도로 구별하여 동작시켜야 한다.
한국등록특허 KR 10-1697975 "주파수 변조를 이용한 인덕턴스 방식의 변위센서" 에서는 공진 주파수의 차이의 변화를 이용하는 인덕턴스 센서로서, 부품의 변위를 측정하는 기술이 개시된다.
한국등록특허 KR 10-2185046 "터치 대상을 식별할 수 있는 스위칭 조작 센싱 장치 및 전자 기기" 에서는 사용자의 단일 액션에 대하여 인덕티브 또는 커패시티브 반응 중 어느 하나가 적용되고 이때 터치에 의하여 공진 주파수가 변화하는 현상을 이용하는 센서가 개시된다. 그러나 이 선행문헌은 공진 주파수를 시간 구간 내에서 카운트하는 방식을 이용하므로 응답이 느린 문제점이 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 다이나믹 레인지가 낮거나, 다이나믹 레인지를 높이면 정밀도가 낮아지고, 인덕티브 센서와 다른 센서를 결합하는 경우 하드웨어 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한 복수의 종류의 센서를 결합하는 경우 배선이 복잡하여 하드웨어 비용이 증가함은 물론, 밀폐성 및 방수성을 요구하는 어플리케이션에는 적용되기 어렵다.
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.
한편 선행문헌들은 구분하고자 하는 대상(터치 여부, 터치되는 위치, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 터치 힘의 세기(intensity))마다 개별적인 채널을 할당하는 것 외에도 개별적인 동작 모드를 할당하여 동작하기 때문에 전력 소비가 증가하고 신속한 응답이 어려운 문제점이 있다.
상기 선행기술들은 다양한 어플리케이션을 대상으로 터치/근접 감지 기반 사용자 제스쳐를 검출하는 기술을 제공하나, 구분하고자 하는 대상(터치 여부, 터치되는 위치, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 터치 힘의 세기(intensity))마다 개별적인 동작 모드를 할당하여 동작하기 때문에 전력 소비가 증가하고 신속한 응답이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 단일 채널 및 단일 동작 모드에 의한 하이브리드 센서 구성을 통하여, 사용자의 터치 여부, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 터치 힘의 세기(intensity)를 검출하고, 시간의 경과에 따른 제스쳐로서 터치, 및 터치 힘의 변화를 추적할 수 있으며, 이로 인하여 단일 채널 센서의 단일 동작 모드에 의하여 디바이스에 대한 사용자 모션 입력을 정확히 검출할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 주파수 성분의 스캔 없이 단일 측정으로 개별 영역에 대한 사용자의 터치 여부, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 터치 힘의 세기(intensity)를 감지함으로써 소비 전력을 절감하고 센싱 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단일 채널 및 단일 동작 모드의 하이브리드 센서를 이용하여 시간 및 주파수 도메인에서의 변화를 검출하고 제스쳐를 인식하는 사용자 인터페이스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 가변 주파수 스캔을 필요로 하지 않고도 시간 및 주파수 도메인에서의 변화를 용이하게 검출할 수 있을 뿐 아니라, 검출하고자 하는 대상에 따라서 동작 모드를 변경할 필요도 없어 센싱 회로의 설정을 단일 설정으로 유지하면서 실시간으로 연속되는 센싱 정보를 얻을 수 있는 제스쳐 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 실시간으로 연속되는 센싱에 의하여 개별 영역에 대한 사용자 모션의 디테일(사용자의 터치 여부, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 터치 힘의 세기)을 신속하게 검출함으로써 사용자 모션이 나타내는 제스쳐 및 사용자의 의도에 의한 입력을 해석할 수 있는 사용자 인터페이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단일 설정에 의한 센싱에 의하여 사용자 모션의 다양한 양상을 신속하게 검출함으로써 사용자 모션이 나타내는 제스쳐 및 사용자의 의도에 의한 입력을 해석할 수 있는 사용자 인터페이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 도출된 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서는 외측에 위치하는 제1 센싱 요소; 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소; 제1 센싱 요소 및 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품; 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로; 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 및 제1 공진 회로 및 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함한다.
검출 회로는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성한다. 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부가 판정된다.
사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하는 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부가 판정될 수 있다.
외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는 경우 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)가 판정될 수 있다.
제1 센싱 요소는 전도성 타겟일 수 있고, 제2 센싱 요소는 인덕티브 코일일 수 있다. 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하지 않는 경우는 전도성 타겟을 경유하는 외부의 전도체 및 인덕티브 코일 간의 커패시티브 커플링에 기반하여 감지 정보가 변화할 수 있다. 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 경우는 전도성 타겟 및 인덕티브 코일 간의 인덕티브 커플링에 기반하여 감지 정보가 변화할 수 있다.
제1 센싱 요소는 플로팅되는 제1 전극일 수 있고, 제2 센싱 요소는 제2 전극일 수 있다. 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하지 않는 경우는 사용자 모션에 의하여 접근하는 외부의 전도체 및 제1 전극 간의 커패시티브 커플링에 기반하여 감지 정보가 변화할 수 있다. 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 경우는 제1 전극 및 제2 전극 간의 커패시티브 커플링에 기반하여 감지 정보가 변화할 수 있다.
검출 회로는 감지 정보의 극성에 기반하여 변화하는 값을 가지면서 감지 정보의 크기에 비례하는 출력 신호를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서는 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부를 판정하고, 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하는 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부를 판정하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
검출 회로는 제1 공진 회로 및 제2 공진 회로의 전기적 특성을 단일 설정으로 유지하면서 시간의 경과에 따른 감지 정보의 크기를 검출할 수 있다.
검출 회로는 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator); 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및 저역통과필터의 출력단에 연결되어 감지 정보의 극성에 따른 크기에 비례하는 전기적 신호를 생성하는 출력신호 생성기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치는 하이브리드 센서; 및 컨트롤러를 포함한다. 하이브리드 센서는 외측에 위치하는 제1 센싱 요소; 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소; 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로; 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 제1 센싱 요소 및 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품; 및 제1 공진 회로 및 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함한다.
검출 회로는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성한다. 컨트롤러는 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부를 판정한다.
컨트롤러는, 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하는 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부를 추적할 수 있다.
컨트롤러는 추적 결과에 기반하여 사용자 모션이 나타내는 제스쳐를 인식하고, 제스쳐를 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석할(translate) 수 있다.
컨트롤러는 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는 경우, 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 외부의 전도체가 제1 센싱 요소에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)를 판정할 수 있다.
터치 힘의 세기에 기반하여 사용자 모션이 나타내는 제스쳐를 인식하고, 제스쳐를 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석할(translate) 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 방법은 검출 회로가 제1 공진 회로, 및 제1 공진 회로와 전기적으로 연결되며 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계; 검출 회로가 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계; 검출 회로가 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하는 단계; 및 컨트롤러 또는 검출 회로가 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 단일 채널 및 단일 동작 모드에 의한 하이브리드 센서 구성을 통하여, 사용자의 터치 여부, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 터치 힘의 세기(intensity)를 검출하고, 시간의 경과에 따른 제스쳐로서 터치, 및 터치 힘의 변화를 추적할 수 있으며, 이로 인하여 단일 채널 센서의 단일 동작 모드에 의하여 디바이스에 대한 사용자 모션 입력을 정확히 검출할 수 있다.
본 발명에 따르면 주파수 성분의 스캔 없이 단일 측정으로 개별 영역에 대한 사용자의 터치 여부, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 터치 힘의 세기(intensity)를 감지함으로써 소비 전력을 절감하고 센싱 시간을 단축할 수 있다.
본 발명에 따르면 단일 채널 및 단일 동작 모드의 하이브리드 센서를 이용하여 시간 및 주파수 도메인에서의 변화를 검출하고 제스쳐를 인식하는 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 가변 주파수 스캔을 필요로 하지 않고도 시간 및 주파수 도메인에서의 변화를 용이하게 검출할 수 있을 뿐 아니라, 검출하고자 하는 대상에 따라서 동작 모드를 변경할 필요도 없어 센싱 회로의 설정을 단일 설정으로 유지하면서 실시간으로 연속되는 센싱 정보를 얻을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 실시간으로 연속되는 센싱에 의하여 개별 영역에 대한 사용자 모션의 디테일(사용자의 터치 여부, 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 터치 힘의 세기)을 신속하게 검출할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스는 사용자 모션이 나타내는 제스쳐 및 사용자의 의도에 의한 입력을 신속하게 감지하고 해석할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스는 단일 설정에 의한 센싱에 의하여 사용자 모션의 다양한 양상을 신속하게 검출할 수 있고, 이로 인하여 사용자 모션이 나타내는 제스쳐 및 사용자의 의도에 의한 입력을 신속하게 감지하고 해석할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 단일 채널 및 단일 동작 모드의 하이브리드 센서를 이용하여 검출된 정보를 정량화된 값으로 출력하므로, 미리 정해진 측정값 구간과 비교하여 센싱 결과에 오류가 없는지 여부를 검증할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 사용자 모션에 의하여 전도체(인체의 일부를 포함)가 전도체가 센서의 외부 접촉면을 터치하는 지 여부, 및/또는 사용자가 터치 힘을 입력하는 지 여부가 판정되고, 판정 결과가 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, 공진 주파수 차이에 비례하는 아날로그 신호 또는 디지털화된 값을 생성하므로 정량화된 감지 정보를 얻을 수 있고, 이를 이용하여 단일 채널 및 단일 동작 모드의 센서에 기반하여 시간-3차원 공간 상의 터치/근접 위치의 변화를 정밀하게 검출할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 커패시티브 터치 센서 및 인덕티브 터치 포스 센서가 결합된 듀얼 터치 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 기능을 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 차동 공진 회로를 도시하는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 검출 회로를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 시의 파형을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치를 도시하는 도면이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 기능을 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 차동 공진 회로를 도시하는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 검출 회로를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 시의 파형을 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
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.
앞서 언급한 선행문헌들인 한국공개특허 KR 10-2017-0007127 "자동차 도어를 로킹 또는 언로킹하려는 사용자의 의도를 검출하는 디바이스", 미국공개특허 US 2017/0016255 "Device for Detecting a User's Intention to Lock or Unlock a Motor Vehicle Door", 미국공개특허 US 2017/0269754 "Dual Touch Sensor Architecture With XY-Position And Z-Force Sensing For Touch-On-Surface Button", 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", 미국등록특허 US 9,990,121 "Device, method, and graphical user interface for moving a user interface object based on an intensity of a press input", 미국등록특허 US 9,870,109 "Device and method for localized force and proximity sensing", 한국등록특허 KR 10-1697975 "주파수 변조를 이용한 인덕턴스 방식의 변위센서", 및 한국등록특허 KR 10-2185046 "터치 대상을 식별할 수 있는 스위칭 조작 센싱 장치 및 전자 기기" 들은 본 발명과 관련되는 종래 기술을 개시한다. 이들 선행문헌들은 본 발명이 해결하고자 하는 문제점과 부분적으로 관련되며, 본 발명이 채택하는 해결 수단 중 일부는 종래 기술에서 차용할 수 있다.
상기 선행문헌들에 개시된 사항 가운데에서 본 발명을 구체화하기 위하여 공통적으로 포함되는 사항에 한하여 본 발명의 구성의 일부로서 간주될 것이다. 또한 본 발명을 구체화하기 위하여 필요한 사항들 중 상기 선행문헌들을 통하여 당업자에게 자명하게 알려진 사항들은 본 명세서에서는 구체적인 기재를 생략할 수 있다.
앞서 언급한 선행문헌들에서는 본 발명의 구성에 기반하여 얻어지는 하이브리드 센싱 기술을 이용한 사용자 인터페이스를 활용 가능한 다양한 어플리케이션이 개시된다. 이러한 어플리케이션에 대해서는 본 명세서에서는 상세한 설명은 생략한다. 다만 선행문헌들이 햅틱 피드백, 또는 스마트폰을 대상으로 사용자 인터페이스를 제안하더라도 본 발명의 구성은 터치 또는 근접 기반의 사용자 모션 센싱 정보를 이용한 사용자 입력 해석과, 그에 대한 응답으로 제시되는 시각적, 청각적, 후각적, 촉각적, 미각적, 또는 공감각적 피드백을 제공하는 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서, 사용자 인터페이스 장치, 및 그 동작 방법을 첨부된 도 2 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치(200)의 개요를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(200)의 내부는 적어도 하나 이상의 개별 영역으로 구분될 수 있다. 적어도 하나 이상의 센싱 채널이 각 개별 영역에 대응하여 배치될 수 있다.
실시예에 따라서는 사용자 인터페이스 장치(200)의 내부는 단일 영역으로 구분되고, 단일 채널이 설정되며, 단일 영역에 할당될 수 있다.
도 2에서는 인덕티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치(200)가 도시된다. 사용자 인터페이스 장치(200)는 사용자의 입력을 받을 수 있도록 외부를 향하여 위치하는 제1 전도성 타겟(212), 전도성 타겟(212)과 인덕티브 코일(210) 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품(270)이 도시된다. 중간 부품(270)은 외부의 힘에 의하여 변형 가능한 소재로 구성되며, 예를 들어 플라스틱, 실리콘, 및 고무 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있고, 용수철과 같은 구조물로 대체될 수도 있다.
도 2에서는 하나의 센싱 채널이 도시되었지만, 발명의 실시예에 따라서는 XY 평면 상에 복수의 센싱 채널들이 포함될 수 있다. 이때에는 각 센싱 채널이 XY 평면 상의 개별 영역으로 구분되며, 개별 영역 각각에 대응하여 배치될 수 있다.
사용자의 근접 모션에 의하여 외부 전도체(사용자의 인체 일부 또는 스타일러스 등 부가적인 인터페이스 장치)(280)가 사용자 인터페이스 장치(200)로 접근할 수 있다. 개별 영역 각각에 대응하는 인덕티브 코일(210)은 중간 부품(270)을 사이에 두고 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)을 터치하였는지 여부, 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 Z축 방향으로 터치 힘을 입력하였는 지 여부, 및/또는 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 Z축 방향으로 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)에 대응하는 감지 정보를 생성하여 사용자 인터페이스 장치(200) 내의 회로로 전달한다.
사용자 인터페이스 장치(200)는 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)을 터치하였는지 여부, 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 Z축 방향으로 터치 힘을 입력하였는 지 여부, 및/또는 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 Z축 방향으로 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)에 대응하는 제스쳐를 검출하고 사용자의 의도에 따른 사용자 입력으로 해석할(translate) 수 있다.
전도성 타겟(212)은 장치(200) 내의 다른 회로와 전기적으로 연결될 필요는 없으므로 하드웨어를 간단히 구현할 수 있으며, 높은 밀폐성 및 방수성이 요구되는 어플리케이션에 유리하다. 높은 밀폐성 및 방수성이 요구되는 어플리케이션에서 장치(200)를 하나의 인클로저(enclosure)로 둘러싸는 경우에도 동작에 문제가 없다.
설명의 편의상 외측에 위치하는 전도성 타겟(212)을 제1 센싱 요소, 전도성 타겟(212)과 대향하도록 배치되는 인덕티브 코일(210)을 제2 센싱 요소로 표현할 수 있다. 인덕티브 코일(210)은 장치(200) 내의 검출 회로에 연결될 수 있다.
외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 접촉하는 경우 외부 전도체(280) 및 전도성 타겟(212) 간의 커패시티브 커플링이 일어나고, 이로 인하여 전도성 타겟(212) 및 인덕티브 코일(210) 간의 커패시티브 커플링에 영향이 미칠 수 있다. 결과적으로는 전도성 타겟(212)를 경유하여 외부 전도체(280) 및 인덕티브 코일(210) 간의 커패시티브 커플링에 의하여 인덕티브 코일(280)에 나타나는 전기 신호의 공진 주파수가 변화하고 장치(200)는 전도성 타겟(212)의 변위가 없는 경우에 나타나는 감지 정보의 변화에 기반하여 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 접촉하는 지 여부를 검출할 수 있다.
이때 전도성 타겟(212) 위에 외장재(212a)가 배치될 수 있다. 외장재(212a)는 전도성 타겟(212)을 보호하기 위한 수단이며, 경우에 따라서는 전기 전도성을 가질 수 있다. 외부 전도체(280)가 외장재(212a)에 접촉한 경우, 외부 전도체(280), 외장재(212a), 전도성 타겟(212) 간의 커패시티브 커플링이 발생할 수 있다. 외장재(212a)의 재질에 따라서는 외부 전도체(280)가 외장재(212a)에 접촉하는 경우 외부 전도체(212) 및 인덕티브 코일(210) 간의 커패시티브 커플링의 변화, 및 인덕티브 코일(210)에 나타나는 전기 신호의 공진 주파수의 변화의 크기가 장치(200)가 검출하기에 적절한 범위로 조정될 수 있다.
외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 터치 힘을 입력하는 경우에는 전도성 타겟(212)이 Z축 방향의 변위를 일으키고, Z축 방향의 변위가 전도성 타겟(212) 및 인덕티브 코일(210) 간의 거리를 변화시키므로 전도성 타겟(212) 및 인덕티브 코일(210) 간의 인덕티브 커플링에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다. 이로 인하여 인덕티브 코일(210)에 나타나는 전기 신호의 공진 주파수가 변화하고 장치(200)는 전도성 타겟(212)의 변위가 발생하는 경우에 나타나는 감지 정보의 변화에 기반하여 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 터치 힘을 입력하는 지 여부를 검출할 수 있다. 또한 장치(200)는 전도성 타겟(212) 및 인덕티브 코일(210) 간의 인덕티브 커플링의 변화에 기반한 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)를 검출할 수 있다.
외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 터치 힘을 입력하는 경우에는 외부 전도체(280)가 여전히 전도성 타겟(212)에 접촉하고 있을 것이다. 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 터치됨으로써 발생한 커패시티브 커플링에 의한 감지 정보의 변화는 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 터치 힘을 입력하는 동안에도 계속 유지된다. 따라서 외부 전도체(280)가 전도성 타겟(212)에 터치 힘을 입력하는 경우에는 외부 전도체(280)의 터치 이벤트 시 발생한 감지 정보의 변화로부터 터치 힘의 세기(intensity)에 의한 기여분(contribution)이 감지 정보의 변화에 가산된다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시티브 센싱 기반의 사용자 인터페이스 장치(300)를 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 사용자 인터페이스 장치(300)의 내부는 적어도 하나 이상의 개별 영역으로 구분될 수 있다. 적어도 하나 이상의 센싱 채널이 각 개별 영역에 대응하여 배치될 수 있다.
실시예에 따라서는 사용자 인터페이스 장치(300)의 내부는 단일 영역으로 구분되고, 단일 채널이 설정되며, 하나의 전극 쌍(310, 312)이 단일 채널에 할당될 수 있다.
사용자 인터페이스 장치(300)는 사용자의 입력을 받을 수 있도록 외부를 향하여 위치하는 제1 전극(312), 제1 전극(312)과 제2 전극(310) 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품(370)이 도시된다. 중간 부품(370)은 외부의 힘에 의하여 변형 가능한 소재로 구성되며, 예를 들어 플라스틱, 실리콘, 및 고무 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 전극(312) 및 제2 전극(310) 사이의 커패시티브 커플링을 높이고 장치(300)의 민감도를 높이기 위하여 유전율이 높은 물질이 선택될 수도 있으나, 장치(300)의 민감도 및 다이나믹 레인지는 중간 부품(370)의 유전율에 크게 영향을 받지는 않는다.
도 3에서는 하나의 센싱 채널이 도시되었지만, 발명의 실시예에 따라서는 XY 평면 상에 복수의 센싱 채널들이 포함될 수 있다. 이때에는 각 센싱 채널이 XY 평면 상의 개별 영역으로 구분되며, 개별 영역 각각에 대응하여 배치될 수 있다.
사용자의 근접 모션에 의하여 외부 전도체(380)가 사용자 인터페이스 장치(300)로 접근할 수 있다. 개별 영역 각각에 대응하는 제2 전극(310)은 중간 부품(370)을 사이에 두고 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)을 터치하였는지 여부, 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 Z축 방향으로 터치 힘을 입력하였는 지 여부, 및/또는 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 Z축 방향으로 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)에 대응하는 감지 정보를 생성하여 사용자 인터페이스 장치(300) 내의 회로로 전달한다.
제1 전극(312)은 플로팅되는 전극일 수 있다. 실시예에 따라서는 제1 전극(312)도 장치(300)의 내부 회로와 전기적으로 연결될 수 있으나, 제1 전극(312)이 플로팅되어도 제1 전극(312) 및 제2 전극(310) 간의 커패시티브 커플링의 변화가 제2 전극(310)을 경유하여 검출될 수 있다. 이때 제1 전극(312)이 플로팅되어 장치(300) 내의 다른 회로와 전기적으로 연결될 필요는 없으므로 하드웨어를 간단히 구현할 수 있으며, 높은 밀폐성 및 방수성이 요구되는 어플리케이션에 유리하다. 높은 밀폐성 및 방수성이 요구되는 어플리케이션에서 장치(300)를 하나의 인클로저(enclosure)로 둘러싸는 경우에도 동작에 문제가 없다.
제1 전극(312)은 장치(300) 내의 다른 회로와 전기적으로 연결될 필요는 없으므로 하드웨어를 간단히 구현할 수 있으며, 높은 밀폐성 및 방수성이 요구되는 어플리케이션에 유리하다. 높은 밀폐성 및 방수성이 요구되는 어플리케이션에서 장치(300)를 하나의 인클로저(enclosure)로 둘러싸는 경우에도 동작에 문제가 없다.
설명의 편의상 외측에 위치하는 제1 전극(312)을 제1 센싱 요소, 제1 전극(312)과 대향하도록 배치되는 제2 전극(310)을 제2 센싱 요소로 표현할 수 있다. 제2 전극(310)은 장치(300) 내의 검출 회로에 연결될 수 있다.
외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 접촉하는 경우 외부 전도체(380) 및 제1 전극(312) 간의 커패시티브 커플링이 일어나고, 이로 인하여 제1 전극(312)과 커패시티브 커플링된 제2 전극(310)에 나타나는 전기 신호의 공진 주파수가 변화하고 장치(300)는 제1 전극(312)의 변위가 없는 경우에 나타나는 감지 정보의 변화에 기반하여 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 접촉하는 지 여부를 검출할 수 있다.
외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 터치 힘을 입력하는 경우에는 제1 전극(312)이 Z축 방향의 변위를 일으키고, Z축 방향의 변위가 제1 전극(312) 및 제2 전극(310) 간의 간격을 변화시키므로 제1 전극(312) 및 제2 전극(310) 간의 커패시티브 커플링에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 이로 인하여 제2 전극(310)에 나타나는 전기 신호의 공진 주파수가 변화하고 장치(300)는 제1 전극(312)의 변위가 발생하는 경우에 나타나는 감지 정보의 변화에 기반하여 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 터치 힘을 입력하는 지 여부를 검출할 수 있다. 또한 장치(300)는 제1 전극(312) 및 제2 전극(310) 간의 인덕티브 커플링의 변화에 기반한 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)를 검출할 수 있다.
외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 터치 힘을 입력하는 경우에는 외부 전도체(380)가 여전히 제1 전극(312)에 접촉하고 있을 것이다. 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 터치됨으로써 발생한 커패시티브 커플링에 의한 감지 정보의 변화는 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 터치 힘을 입력하는 동안에도 계속 유지된다. 따라서 외부 전도체(380)가 제1 전극(312)에 터치 힘을 입력하는 경우에는 외부 전도체(380)의 터치 이벤트 시 발생한 감지 정보의 변화로부터 터치 힘의 세기(intensity)에 의한 기여분(contribution)이 감지 정보의 변화에 가산된다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서(450)의 기능을 도시하는 블록도이다.
사용자 인터페이스 장치(400)는 하이브리드 센서(450) 및 컨트롤러(460)를 포함한다. 하이브리드 센서(450)는 제1 공진 회로(420), 제1 공진 회로(420)와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 제2 센싱 요소(410); 제2 공진 회로(430); 제2 공진 회로(430)와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 더미 센싱 요소(430d); 및 제1 공진 회로(420) 및 적어도 하나 이상의 제2 센싱 요소(410) 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로(430)에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로(440)를 포함한다.
하이브리드 센서(450)는 제1 공진 회로(420)와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로(430)를 포함한다. 이때 동일한 전기적 특성이라 함은 동일한 임피던스 또는 동일한 R-L-C 구성을 의미할 수 있다.
검출 회로(440)는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성한다.
이때 감지 정보는 제2 센싱 요소(410) 및 제1 센싱 요소(212, 312) 중 적어도 하나 이상에 근접하는 사용자 모션이 나타내는 제스쳐 정보를 포함한다. 제스쳐 정보는 사용자가 중간 부품(270, 370) 및/또는 제1 센싱 요소(212, 312)에 근접하는 지 여부, 사용자가 제1 센싱 요소(212, 312)를 터치하였는지 여부, 사용자가 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치 힘을 입력하였는 지 여부, 사용자가 제1 센싱 요소(212, 312)에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity) 및 시간의 경과에 따른 사용자 모션에 의한 전도체(280, 380)과 제2 센싱 요소(410) 간의 거리의 변화를 포함하며 사용자 모션이 의도하는 사용자 명령으로 해석될 수 있는 정보를 포함한다.
최근 모바일 디바이스, 스마트 디바이스, 가상 현실, 증강 현실 등과 결합하여 사용자 인터페이스는 정밀한 터치/근접 기반 사용자 모션 및 제스쳐를 정확히 인식하고, 사용자의 의도를 파악할 것을 목표로 하고 있다. 본 발명의 실시예는 종래 기술의 정전용량식 센싱을 이용하여 사용자 인터페이스 장치(400) 주변의 사용자 모션을 감지하되, 단일 채널 및 단일 설정에 의한 단일 동작 모드에 기반하여 연속적인 실시간의 감지 신호를 수신하고, 이를 기반으로 사용자 모션을 정밀하게 측정하고 정량화하여, 사용자의 의도를 파악하고 사용자 제스쳐를 정확히 인식하는 기술을 제안한다. 이때 단일 설정은 단일 전기적 특성, 즉, 공진 회로들의 공진 주파수가 변화하지 않도록 기본 임피던스가 단일 설정으로 유지되고 공진 회로들 및 검출 회로(440)의 바이어스가 단일 설정으로 변경되지 않는 경우를 의미할 수 있다.
검출 회로(440)는 감지 정보의 크기 및 극성에 기반한 출력 신호를 출력할 수 있고, 이때 검출 회로(440)는 출력 신호를 아날로그 신호 또는 디지털화된 값으로 출력할 수 있다.
컨트롤러(460)는 출력 신호에 기반하여 전도체(280, 380)가 제2 센싱 요소(410) 및 중간 부품(270, 370)에 접근하는 지 여부, 전도체(280, 380)가 중간 부품(270, 370)에 접근하는 거리, 전도체(280, 380)가 중간 부품(270, 370)의 제1 센싱 요소(212, 312)에 접촉하는 지 여부, 및 전도체가 제1 센싱 요소(212, 312)에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)를 인식할 수 있다.
도 4에서는 컨트롤러(460)가 하이브리드 센서(450)의 외부에 배치되는 실시예가 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 컨트롤러(460)가 하이브리드 센서(450)의 일부로서 포함될 수도 있다.
컨트롤러(460) 또는 하이브리드 센서(450)는 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 제1 센싱 요소(212, 312)의 변위에 기반하는지 여부를 판정할 수 있다.
감지 정보의 변화가 극성에 관계 없이 제1 임계치 이상의 크기를 가지는 경우 유의미한 입력으로 판정될 수 있다. 실시예에 따라서는 제1 임계치는 감지 정보의 변화가 양(+)인지 음(-)인지에 따라서 달리 설정될 수도 있다.
감지 정보의 변화가 극성에 관계 없이 제2 임계치 이상의 크기를 가지는 경우 사용자 모션에 의한 전도체(180, 280)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치되는 것으로 판정될 수 있다. 감지 정보의 변화가 극성에 관계 없이 제2 임계치보다는 크고 제3 임계치보다 작은 크기를 가지는 경우에는 사용자 모션에 의한 전도체(180, 280)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치되면서 제1 센싱 요소(212, 312)의 변위를 일으키지 않은 것으로 판정될 수 있다. 실시예에 따라서는 제2 임계치는 감지 정보의 변화가 양(+)인지 음(-)인지에 따라서 달리 설정될 수도 있다. 제3 임계치는 감지 정보의 변화가 양(+) 또는 음(-) 중 어느 하나의 극성인 경우에 설정될 수 있다. 이 구간에서는 사용자 모션은 장치(400)를 터치하지만 터치 힘을 입력하지는 않은 것으로 판정될 수 있다.
감지 정보의 변화가 제3 임계치가 설정된 극성을 가지면서 제3 임계치 이상의 크기를 가지는 경우 사용자 모션에 의한 전도체(180, 280)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치되면서 제1 센싱 요소(212, 312)의 변위를 일으킨 것으로 판정될 수 있다. 이때 제1 센싱 요소(212, 312)의 변위와 터치 힘은 높은 상관관계를 가지는 것으로 가정한다. 본 발명의 검출 회로(440) 및 하이브리드 센서(450)는 제1 센싱 요소(212, 312)의 변위와 높은 상관관계를 가지는 감지 정보(공진 주파수 간의 차이)를 출력 신호로 변환하여 출력하고, 컨트롤러(460)는 현재 출력 신호의 크기 및 출력 신호의 오프셋의 차이에 기반하여 제1 센싱 요소(212, 312) 및/또는 터치 힘의 세기를 검출할 수 있다.
컨트롤러(460)는 시간의 경과에 따른 출력 신호의 변화에 기반하여 사용자 모션에 의하여 전도체(280, 380)가 제1 센싱 요소(212, 312)를 터치하는 지 여부, 및 전도체(280, 380)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 전도체(280, 380)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)의 변화를 추적하고, 추적 결과에 기반하여 사용자 모션이 나타내는 제스쳐를 인식할 수 있다. 컨트롤러(460)는 제스쳐를 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석할(translate) 수 있다.
검출 회로(440)는 제1 공진 회로(420) 및 제2 공진 회로(430)의 전기적 특성을 단일 설정으로 유지하면서 시간의 경과에 따른 감지 정보의 크기 및 극성을 검출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서(550)의 차동 공진 회로를 도시하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 공진 회로(520) 및 제2 센싱 요소(510)에 형성되는 제1 전기 신호를 센싱 포트(520a)를 경유하여 검출 회로(540)가 수신한다. 마찬가지로 제2 공진 회로(530)에 형성되는 제2 전기 신호(레퍼런스 전기 신호)를 레퍼런스 포트(530a)를 경유하여 검출 회로(540)가 수신한다. 레퍼런스 포트(530a)는 더미 센싱 요소와 연결되거나 어떤 센싱 요소(코일 또는 전극)와도 연결되지 않을 수 있다.
외부의 입력이 없는 상태에서는 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수(레퍼런스 공진 주파수)가 동일한 상태가 유지되도록 제1 공진 회로(520) 및 제2 공진 회로(530)가 설계될 수 있다. 또는 외부의 입력이 없는 상태에서 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 차이는 오프셋(offset)으로 미리 측정되어 사용자 입력을 센싱하는 경우의 측정값에 오프셋이 보상될 수 있다.
사용자의 손가락, 사용자가 이용하는 스타일러스 등의 전도체(280, 380)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 근접하거나 제1 센싱 요소(212, 312)을 터치하면, 이로 인하여 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수의 차이가 변화할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 전도체(280, 380)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 근접한 경우, 제1 센싱 요소(212, 312)가 전도체(280, 380)와 형성하는 정전용량이 제1 공진 회로(520)의 L과 C값에 영향을 주어 제1 공진 회로(520) 상에 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수가 변화한다. 전도체(280, 380)의 근접은 전도체(280, 380)의 재질에 따라서 제1 공진 주파수의 상승 또는 하강 중 어느 하나를 유도할 것이므로, 감지 정보는 전도체(280)의 근접에 응답하여 일정한 극성을 가지는 유의미한 크기를 가질 것이다.
검출 회로(540)는 이러한 차이를 검출하고, 최소한의 임계치를 넘어선 감지 정보가 검출되면, 유의미한 사용자 입력이 입력된 것으로 판정할 수 있다.
다시 도 4과 도 5를 함께 참조하면, 검출 회로(440, 540)는 두 개의 공진 주파수 차이 정보를 검출하여 사용자의 전도체(280, 380)가 제1 센싱 요소(212, 312)에 근접하였는지를 검출할 수 있다.
사용자 인터페이스 장치(400, 500)가 예를 들어 사용자가 제1 버튼 또는 제2 버튼 중 어느 하나를 선택하도록 구현된 실시예에서는, 제1 버튼이 제1 센싱 요소(212, 312)를 포함하는 제1 센싱 채널에 대응하고 제2 버튼이 또 다른 제2 센싱 채널(도시되지 않음)에 대응하도록 구현되어 사용자가 제1 버튼 또는 제2 버튼 중 어느 하나를 선택하도록 의도한 것인지를 식별할 수 있다. 또한 사용자가 제1 버튼 또는 제2 버튼 중 어느 하나를 선택하는 경우의 유효한 공진 주파수 변화 구간, 즉, 공진 주파수 차이의 측정값의 유효한 구간을 설정함으로써, 해당 구간 내에 속하는 측정값이 나타난 경우 유효한 사용자 입력으로 간주하고, 해당 구간 외의 측정값이 나타난 경우 사용자가 의도하지 않은 모션에 기인한 공진 주파수 변화로 간주할 수 있다. 예를 들어 통상의 사용자의 제스쳐에 의하면 채널 별 공진 주파수 차이 정보가 가져야 하는 극성과 반대의 극성이 나타난 경우에는 노이즈 또는 다른 종류의 간섭이 있는 것으로 간주할 수 있다.
검출 회로(440, 540)는 제1 공진 회로(420, 520) 및 제2 공진 회로(430, 530)의 전기적 특성(RLC 임피던스를 포함)을 단일 설정으로 유지하면서 시간의 경과에 따른 감지 정보의 크기 및 극성을 검출할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(400, 500) 및 하이브리드 센서(450, 550)는 센싱 모드의 변화가 필요 없고 샘플링 시마다 가변 주파수 스캔도 필요 없이 채널 별 공진 주파수 차이 정보의 크기 및 극성을 검출할 수 있다: 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(400, 500) 및 하이브리드 센서(450, 550)는 동작 모드의 변경 없이 실시간으로 연속되는 센싱 정보를 얻을 수 있으며 출력 시에는 센싱 정보를 연속적인 아날로그 신호 값으로 제공할 수도 있고, 샘플링 시간마다 이산되는 디지털 값으로 제공할 수도 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서(650)의 검출 회로(640)를 도시하는 도면이다.
도 6를 참조하면, 제1 오실레이터(620b)와 제2 오실레이터(630b)가 배치된다. 제1 오실레이터(620b)와 제2 오실레이터(630b)는 동일한 특성을 가지는 것이 추천되지만, 차이가 있더라도 사용자 입력이 없는 상태에서 측정되는 공진 주파수 차이는 오프셋으로 보상 처리될 수 있다.
제1 공진 회로(620)는 센싱 포트(620a)를 경유하여 제2 센싱 요소(610)에 연결되고, 검출 회로(640)에 제1 전기 신호를 전달한다. 제2 공진 회로(630)는 검출 회로(640)에 제2 전기 신호를 전달한다. 제2 공진 회로(630)는 레퍼런스 포트(630a)와 연결될 수는 있지만 레퍼런스 포트(630a)는 다른 센싱 요소(전극 또는 코일)과 연결될 필요는 없다. 본 발명의 다른 실시예에서는 제2 공진 회로(630)는 레퍼런스 포트(630a)를 경유하여 제2 센싱 요소(610)와 동일한 전기적 특성과 형태를 가지는 더미 센싱 요소(도시되지 않음)에 연결될 수도 있다.
도 6에 도시된 제1 공진 회로(620) 및 제2 공진 회로(630)는 등가 회로를 나타낸 것이며, 반드시 lumped RLC 요소를 포함해야 하는 것은 아니다. 예를 들어 커패시턴스, 인덕턴스, 저항은 독립적인 소자일 수도 있고, 기생 성분을 나타낸 것일 수도 있다. 또한 독립적인 소자를 이용하여 제1 공진 회로(620) 및 제2 공진 회로(630)를 구현한 경우에도, 소자의 배치가 반드시 도 6를 따를 필요는 없으며 등가적으로 도 6의 회로에 대응할 수 있으면 충분하다. 또한 제1 공진 회로(620) 및 제2 공진 회로(630)는 전기적으로 동일한 특성을 가지는 것이 추천되지만, 차이가 있더라도 사용자 입력이 없는 상태에서 측정되는 공진 주파수 차이는 오프셋으로 보상 처리될 수 있다.
검출 회로(640)는 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수의 오프셋을 제거한 측정값이 제1 측정 임계값 이상이면 제1 공진 주파수 또는 제2 공진 주파수 중 어느 하나가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 제2 센싱 요소(610)에 사용자 모션에 기인한 전도체(280, 380)가 근접한 것으로 판정할 수 있다. 즉, 노이즈, 의도하지 않은 움직임, 의도하지 않은 접촉, 의도하지 않은 진동에 의하여 공진 주파수의 차이의 변화가 감지되었으나 제1 측정 임계값 미만인 경우에는 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으키지 않은 것으로 간주할 수 있다.
사용자 입력이 인가되지 않은 상태에서 측정되는 공진 주파수 값의 차이가 0이 아닌 경우, 캘리브레이션 과정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 캘리브레이션 과정은 도시되지 않은 가변 저항 R'의 부가 또는 조정에 기반하여 이루어질 수 있다.
본 발명과 대비되는 종래 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. 따라서 측정하는 데에 시간이 소요되고 소비 전력이 큰 문제점이 있었다. 또한 이러한 종래 기술은 매 샘플링마다 주파수를 가변하여 여러 번 측정해야 하므로 실시간으로 변화하는 사용자 모션의 전체를 인식하는 데에 어려움이 있었다.
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 사용자 모션이 센싱 채널 중 적어도 하나 이상에 유의미하게 근접한 시점부터 즉각적으로 인식이 가능하며, 별도의 센싱 모드 수정 없이도 실시간으로 변화하는 사용자 모션을 인식할 수 있다.
또한 공진 주파수의 변화가 간접적인 방법으로 검출되는 것이 아니라 주파수의 값이 직접적으로 검출되므로, 이를 이용하여 정확한 출력신호를 생성하기 용이하다. 측정된 공진 주파수의 변화에 비례하는 아날로그 신호 또는 디지털 값을 생성할 수 있고, 따라서 측정된 정보를 정확하게 손실 없이 어플리케이션 인터페이스인 컨트롤러(460)에 전달할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서(650)의 검출 회로(640)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수 간의 차이를 구하는 연산기(operator)(642), 연산기(642)의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter)(644), 및 상기 저역통과필터(644)의 출력단에 연결되어 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 정량적 정보에 비례하는 전기적 신호를 생성하는 출력신호 생성기(646)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예 중 하나에 따르는 출력신호 생성기(646)는 차동 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값을 생성하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)일 수도 있고, 본 발명의 다른 실시예에 따라서는 측정된 주파수 차이에 비례하는 아날로그 신호를 생성하는 아날로그 전압 생성기일 수도 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따라서는 측정된 주파수 차이에 비례하는 아날로그 전류 생성기일 수도 있다. 출력 신호가 아날로그 전압 또는 아날로그 전류인 경우에는 공진 주파수의 차이가 0인 경우에 아날로그 전압 또는 아날로그 전류가 가지는 기본 오프셋이 주어지고, 공진 주파수의 차이의 변화에 비례하여 출력 신호의 크기가 증가하거나 감소할 수 있다.
검출 회로(640)의 실시예에 따라서는 차동 주파수 성분 신호에 대한 샘플러 및 비교기(comparator)를 포함할 수 있는데, 이때 검출 회로(640)의 원활한 동작을 위하여 샘플러 및 비교기는 앞서 설명한 제1 측정 임계값보다 충분히 크고, 감지 대상 변위에 대응하는 공진 주파수 성분의 동작 범위보다 충분히 큰 동작 주파수를 선택하여 설계될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 검출 회로(440, 540, 640)에서 채널의 전기 신호의 진폭과 독립적으로(진폭의 검출 없이) 채널의 공진 주파수 정보를 검출할 수 있다. 이때 본 발명의 다른 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 제1 레퍼런스 감지 정보)를 상호 교차 검증할 수도 있다.
도 2 내지 도 6의 실시예를 참고하면, 검출 회로(440, 540, 640)는 시간의 경과에 기반하여 채널 별 센싱 공진 주파수 및 채널 별 레퍼런스 공진 주파수의 차이의 값의 극성 및 크기를 검출하여 시간의 경과에 기반한 센싱값을 생성할 수 있다. 검출 회로(440, 540, 640)는 시간의 경과에 기반한 센싱값에 기반하여 사용자 모션에 기반한 전도체(280, 380)의 근접, 전도체(280, 380)의 터치, 전도체(280, 380)로부터 터치 힘이 입력되는 지 여부, 전도체(280, 380)로부터 입력되는 터치 힘의 변화, 터치/근접의 위치의 이동을 추적할 수 있다. 컨트롤러(460)는 사용자 모션에 기반한 전도체(280, 380)의 3차원적인 위치의 이동을 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석할(translate) 수 있다. 한편 실시예에 따라서는 컨트롤러(460) 및 검출 회로(440, 540, 640)는 구분되지 않고 하나의 집적 회로로 통합될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 시의 파형을 도시하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(400, 500) 및 하이브리드 센서(450, 550)는 센싱 모드의 변화가 필요 없고 샘플링 시마다 가변 주파수 스캔도 필요 없이 채널 별 공진 주파수 차이 정보의 크기 및 극성을 검출할 수 있다: 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 인터페이스 장치(400, 500) 및 하이브리드 센서(450, 550)는 동작 모드의 변경 없이 실시간으로 연속되는 센싱 정보를 얻을 수 있으며 출력 시에는 센싱 정보를 도 7과 같은 연속적인 아날로그 신호 값으로 제공할 수도 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는 센싱 정보를 샘플링 시간마다 이산되는 디지털 값으로 제공할 수도 있다.
도 7에서 인식되는 신호의 크기는 인체(human body) 및 제1 센싱 요소(212, 312)가 마주보는 면적에도 관련될 수 있다. 따라서 인체의 부분, 예를 들어 손가락, 또는 손바닥이 제1 센싱 요소(212, 312)에 접근하는 경우에는 신호의 세기가 다소 차이가 있을 수 있어 이러한 점을 고려하여 유효한 검출인 지를 확인하기 위한 임계치가 복수 개의 구간에 대응하여 설정될 수 있다.
도 7의 제1 이벤트(710)는 제1 센싱 요소(212, 312)에 사용자의 손가락 또는 손바닥이 터치되었다가 떨어지는 이벤트를 나타낸다. 이때 제1 이벤트(710)의 공진 주파수의 차이에 기반하여 나타나는 출력 신호의 크기의 변화가 제1 임계치를 넘어서면 유의미한 사용자 입력으로, 제2 임계치를 넘으면 터치가 일어난 것으로 판정될 수 있다.
도 7의 파형을 참고하면, 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치한 경우와 터치하지 않은 경우, 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치하지만 터치 힘이 입력되지는 않은 경우, 터치 힘이 입력된 경우가 충분히 구분될 수 있을 정도로 출력 신호의 크기의 변화가 명확히 드러난다.
도 7에 나타나는 다음의 제2 이벤트(720)는 사용자의 손가락 또는 손바닥이 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치된 경우를 나타내고, 이어서 제3 이벤트(730)는 사용자의 손가락 또는 손바닥이 제1 센싱 요소(212, 312)에 터치 힘을 입력하여 출력 신호의 변화의 크기가 계속 증가(음(-) 극성이므로 출력 신호는 계속 감소)하는 경우를 나타낸다. 제3 이벤트(730)에서는 사용자는 시간이 경과함에 따라 지속적으로 터치 힘을 증가시키고 있음을 알 수 있다.
제4 이벤트(740)에서는 사용자가 손가락 또는 손바닥을 제1 센싱 요소(212, 312)로부터 떼는 경우의 출력 신호의 파형이 도시된다. 이때 터치 힘이 입력되는지 여부를 판정하는 제3 임계치에 기반하여 제2 이벤트(720) 및 제3 이벤트(730)의 경계가 도시된 것으로 이해될 수 있다.
제1 센싱 요소(212, 312)의 면적 또는 형태에 따라서 사용자 모션에 기인한 전도체(280, 380)가 근접한 경우에 형성되는 정전용량의 패턴이 다르게 나타날 수 있다. 이때 전도체(280, 380)의 크기/면적, 및/또는 형태를 고려하여 어플리케이션에 따라서는 제1 센싱 요소(212, 312)의 형태가 직사각형 또는 원형이 아닌 다른 형태를 취할 수도 있다.
이때 미리 설정된 개별 위치 영역 별 검출값 구간에 의하여 개별 제1 센싱 요소(212, 312)에 전도체(280, 380)가 일정 거리 이내로 근접하는 현상을 모두 검출할 수 있으므로 사용자가 장치(200, 300)에 비접촉 근접하였는지 접촉하였는지 무관하게 근접 자체를 검출할 수도 있다.
또한 사용자가 사용하는 전도체(280, 380)가 인체의 일부인지, 스타일러스 등의 다른 전도성 물체인지에 따라서 정전용량의 변화 및 공진 주파수의 변화량이 달라질 수 있으므로, 개별 위치 영역 별 검출값 구간은 개별 제1 센싱 요소(212, 312)들마다 하나의 구간만이 설정되는 것이 아니고 전도체(280, 380)가 가질 수 있는 복수의 재질 타입에 대응하여 복수의 검출값 구간이 설정될 수도 있다.
본 발명은 종래 기술들과 달리 주파수 스캔 없이 매 시점 단일 측정만으로 사용자 모션을 추적할 수 있으므로 빠른 응답 속도를 가지며, 이로 인하여 실시간으로 사용자 모션을 추적할 수 있다.
본 발명은 단일 채널의 센서를 이용하여 장치(200, 300) 주변의 넓은 위치 영역을 커버할 수 있으므로 집적회로의 원가를 절감할 수 있을 뿐 아니라, 센서 동작 시의 전력을 절감할 수 있으므로 모바일 디바이스 또는 배터리를 이용하는 경우에도 더욱 유효하게 이용될 수 있다.
다수의 개별 영역이 주어지고, 개별 영역마다 채널이 형성되는 실시예에서는 채널 간 간섭이 발생할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 채널 간 간섭을 방지하기 위하여 채널 레퍼런스 공진 주파수 간 스페이싱을 설정할 수 있다. 채널 별로 레퍼런스 공진 회로와 센싱 공진 회로는 동일한 전기적 특성을 가지도록 설정되므로 채널 주파수 스페이싱은 센싱 공진 회로에도 동일하게 적용된다.
또한 캘리브레이션을 통하여 각 채널이 대응하는 채널 영역에 대하여 인체 부분이 접근한 거리에 기반하여 신호의 크기가 정규화될 수 있도록 조정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 센서의 동작 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 8의 동작 방법은 도 2 내지 도 7의 실시예에서 실행될 수 있으며 프로세서 또는 컨트롤러에 의하여 로드되고 실행되는 프로그램 인스트럭션에 의하여 실행될 수 있다.
도 8의 동작 방법은 검출 회로가 제1 공진 회로, 및 제1 공진 회로와 전기적으로 연결되는 적어도 하나 이상의 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계(S810); 검출 회로가 제2 공진 회로(레퍼런스), 및 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계(S820); 및 검출 회로가 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계(S830)를 포함한다.
이때 검출 회로 및/또는 컨트롤러가 감지 정보에 기반하여 시간의 경과에 따른 사용자 모션이 장치(200, 300)에 근접하는 지, 장치(200, 300)를 터치하는 지, 및 장치(200, 300)에 터치 힘을 입력하는 지, 장치(200, 300)에 입력한 터치 힘의 변화를 검출하고 검출 결과를 추적하며, 추적 결과에 기반하여 장치(200, 300)에 근접하는 사용자 모션이 나타내는 제스쳐 정보를 인식하는 단계(S850)가 더 포함될 수 있다. 예를 들어 단계(S850)에서는 시간의 경과에 따른 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여, 감지 정보의 변화가 제1 센싱 요소(212, 312)의 변위에 기반한 것인지 여부가 판정될 수 있다.
이때 검출 회로 및/또는 컨트롤러는 단계(S830)의 결과가 제1 임계치를 초과하는지 여부를 판정하여 유의미한 변화가 검출되었는지 판정하는 단계(S840)를 수행할 수 있다.
본 발명의 동작 방법은 상기 검출 회로 또는 상기 컨트롤러가 상기 사용자 모션에 기반한 전도체의 근접 또는 터치의 위치의 이동을 상기 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석하는(translate) 단계(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 사용자 모션을 사용자 입력으로 해석하는 과정의 구체적인 예시는 앞서 인용한 선행문헌들의 구성을 참고로 당업자가 용이하게 도출할 수 있으므로 구체적인 기재는 생략한다.
본 발명의 도 2 내지 도 8의 실시예는 다양한 어플리케이션에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예로서 단일 인클로저(enclosure)로 둘러싸여서 하나의 버튼만으로 입력이 가능하고 별도의 사용자 입력이 없는 경우를 가정할 수 있다. 이런 경우, 높은 방수성, 밀폐성, 안전성을 제공하지만 종래 기술로는 기능의 편의성까지 제공하기는 어려웠다. 본 발명은 예를 들어, 단일 버튼으로 복수의 기능을 구현할 수 있고, 예를 들어 POWER-ON부터 기타 구체적인 동작까지 단일 채널의 단일 모드에 기반하여 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 모션 컨트롤러 인터페이스를 예로 들 수 있다. 이와 관련한 종래의 인터페이스로는 모션 컨트롤러에 기반한 게임 인터페이스 등이 포함될 수 있고, 본 발명의 실시예는 종래의 모션 컨트롤러 인터페이스를 개량하기 위하여 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모션 컨트롤러 인터페이스는 버튼에 인체 부분의 터치가 감지되지 않는 경우 전원을 비활성화하고 sleep 상태로 대기할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 컨트롤러 인터페이스는 중간 부품(270, 370)의 변형이 일어나지 않을 정도로 살짝 버튼 위에 손 또는 손가락을 터치한 경우 이를 검출하여 전원을 활성화하고 stand-by 상태로 대기할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모션 컨트롤러 인터페이스는 중간 부품(270, 370)의 변형이 일어날 정도로 사용자가 누름 힘을 입력한 경우 이를 사용자의 의도된 입력으로 판정하고, 사용자의 의도된 입력에 응답하여 피드백을 제공할 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 컨트롤러 인터페이스는 사용자의 의도된 누름 힘의 입력 여부, 및 사용자의 의도된 입력이 가지는 누름 힘의 세기 (intensity)를 측정할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 컨트롤러 인터페이스에서 전원을 활성화하고 stand-by 상태로 대기하는 조건은 버튼의 임계 거리 내에 사용자의 접근이 감지된 이후 소정의 시간 동안 접근이 유지되는 경우로 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 차량의 핸들 또는 차량의 운전자 정보 시스템(DIS, Driver Information System) 등 차량용 모션 컨트롤러 인터페이스로 적용되는 예시를 들 수 있다.
본 발명의 차량용 모션 컨트롤러 인터페이스는 게임기 등의 모션 컨트롤러 인터페이스와 유사하게 동작할 수 있으며, 사용자의 인체 부분의 접근, 사용자의 인체 부분의 터치, 사용자의 의도된 누름 힘의 입력 여부, 사용자의 의도된 입력이 가지는 누름 힘의 세기(intensity)에 대한 정보를 어플리케이션 계층에 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서 안전을 고려한 ON/OFF 스위치 인터페이스를 들 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 인터페이스는 손이 닿는 위치에서 점멸 가능하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스위치 인터페이스는 안전을 위하여 ON시킬 때에는 사용자가 터치 힘을 입력하여 일정 시간(예를 들어, 1초) 이상 터치 힘을 유지해야만 활성화되는 실시예로서 적용될 수 있다. 가스의 밸브, 화재 위험이 있는 전열기구 등의 동작에 이러한 인터페이스가 적용될 수 있다.
사용자가 장치를 비활성화하고자 하는 경우는 상대적으로 안전한 경우일 수 있으므로, 사용자가 버튼에 접촉하는 것만으로도 장치가 OFF될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라서는 사용자의 제스쳐가 미리 등록되거나 약속되어, 두 번의 연속적인 터치 힘으로 장치를 활성화, 한 번의 터치 힘으로 장치를 비활성화하는 등의 변형된 실시예도 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 신호의 진폭의 변화를 검출하는 대신 공진 주파수의 변화를 검출하므로, 외부 전도체가 제1 센싱 요소에 접근하는 때부터 제1 센싱 요소의 변위를 일으키는 때까지 감지 정보 및 출력 신호의 변화가 큰 폭으로 일어날 수 있는 경우에도 높은 다이나믹 레인지를 제공하여 충분히 단일 채널 단일 동작 모드에 의하여 대응할 수 있다. 즉, 종래 기술의 센서가 진폭의 변화를 검출할 수 있는 다이나믹 레인지보다 외부 전도체와 제1 센싱 요소 간의 인터랙션에 대응하여 공진 주파수의 차이를 검출할 수 있는 다이나믹 레인지가 더 커서 넓은 범위의 검출 가능 동작 범위를 가진다
또한 종래 기술들 중에서 커패시티브 근접 센서의 다이나믹 레인지를 의도적으로 크게 변형한 개시가 있을 수 있으나, 이 경우 측정의 정밀도 및 정확도가 현저하게 저하되는 문제가 있다 .
본 발명은 단일 채널 센서를 이용하여 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면에 접근하는 거리, 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면에 접촉하는지 여부, 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면에 입력하는 터치 힘을 식별할 수 있는 정보, 및 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면에 터치 힘을 입력하는 지 여부, 및 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면에 입력한 터치 힘의 세기(intensity)에 대한 정보를 제공할 수 있다.
이는 본 발명의 공진 주파수 차이 검출 기법이 종래 기술들의 진폭 변화를 검출하는 기술보다 외부 전도체와 제1 센싱 요소 간의 상호 작용에 의한 동작 범위를 검출할 수 있는 다이나믹 레인지가 훨씬 크며, 또한 넓은 다이나믹 레인지를 제공하면서도 측정의 정밀도 및 정확도가 저하되지 않기 때문이다.
따라서 본 발명은 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면에 접근하는 동안에 높은 측정 정밀도를 제공한다. 뿐만 아니라 외부 전도체가 중간 부재의 외부 접촉면과 접촉한 후, 중간 부재의 외부 접촉면을 변형시키면서 외부 전도체와 제2 센싱 요소 간의 거리가 더욱 가까워지는 경우에도 매우 높은 측정 정밀도를 제공할 수 있다. 본 발명은 높은 정밀도, 및 정확도를 유지하면서 넓은 다이나믹 레인지를 제공한다. 이러한 특성에 기반하여 본 발명은 단일 채널 센서에 의하여 외부 전도체의 접근, 외부 전도체의 터치, 외부 전도체의 터치 힘, 터치 힘의 세기에 대한 정보를 제공할 수 있으며, 이러한 본 발명의 특징은 종래 기술들과 크게 차별화된다 .
본 발명은 중간 부재 또는 외장재의 변형으로 인한 임피던스의 변화를 인식할 수 있을 뿐 아니라 외장재의 외부에서 사용자 인체 부분이 접근하는 양상까지도 단일 채널에 의하여 식별할 수 있다. 또한 단순히 기계식/정전용량식 버튼을 대체하는 것에 그치지 않고, 정전용량식 근접 센서와 기계식 누름 감지 버튼을 단일 채널에 의하여 구현된 하나의 실시예로 결합할 수 있다.
종래 기술들의 문제를 해결하고, 단일 채널에 의하여 인체 부분 전도체의 접근, 접근된 거리의 검출, 터치 이벤트, 누름 이벤트, 및 누름 힘의 intensity를 검출하기 위해서는 높은 민감도, 정밀도, 및 정확도를 유지하면서 넓은 다이나믹 레인지를 제공할 수 있어야 하는데, 본 발명은 다이나믹 레인지가 쉽게 제한되는 진폭 검출 대신 주파수의 차이를 검출함으로써 높은 해상도를 유지하면서 매우 넓은 다이나믹 레인지에 대응할 수 있다.
공진 주파수 차이를 검출하는 본 발명은 넓은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 검출하고자 하는 물리량의 넓은 다이나믹 레인지에 쉽게 대응할 수 있다. 또한 이 과정에서 회로의 검출 해상도, 정밀도, 정확도, 및 또는 민감도를 저하시키지 않고도 검출 회로가 용이하게 최적화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회로, 센서, 및/또는 사용자 인터페이스 장치의 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.
200, 300, 400: 사용자 인터페이스 장치
210, 310, 410, 510: 제2 센싱 요소
212, 312: 제1 센싱 요소
420, 520, 620: 제1 공진 회로
430, 530, 630: 제2 공진 회로
440, 540, 640: 검출 회로
450, 550, 650: 하이브리드 센서
460: 컨트롤러
270, 370: 중간 부품
280, 380: 외부 전도체(사용자의 인체 일부)
210, 310, 410, 510: 제2 센싱 요소
212, 312: 제1 센싱 요소
420, 520, 620: 제1 공진 회로
430, 530, 630: 제2 공진 회로
440, 540, 640: 검출 회로
450, 550, 650: 하이브리드 센서
460: 컨트롤러
270, 370: 중간 부품
280, 380: 외부 전도체(사용자의 인체 일부)
Claims (15)
- 외측에 위치하는 제1 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소 및 상기 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품;
상기 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 및
상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함하고,
상기 검출 회로는 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하고,
시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부가 판정되고,
상기 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하는 상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 상기 사용자 모션에 의하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부가 판정되는 하이브리드 센서. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 상기 터치 힘을 입력하는 경우 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)가 판정되는 하이브리드 센서. - 외측에 위치하는 제1 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소 및 상기 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품;
상기 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 및
상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함하고,
상기 검출 회로는 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하고,
시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부가 판정되고,
상기 제1 센싱 요소는 전도성 타겟이고,
상기 제2 센싱 요소는 인덕티브 코일이고,
상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하지 않는 경우는 상기 전도성 타겟을 경유하는 외부의 전도체 및 상기 인덕티브 코일 간의 커패시티브 커플링에 기반하여 상기 감지 정보가 변화하고,
상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 경우는 상기 전도성 타겟 및 상기 인덕티브 코일 간의 인덕티브 커플링에 기반하여 상기 감지 정보가 변화하는 하이브리드 센서. - 외측에 위치하는 제1 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소 및 상기 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품;
상기 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 및
상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함하고,
상기 검출 회로는 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하고,
시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부가 판정되고,
상기 제1 센싱 요소는 플로팅되는 제1 전극이고,
상기 제2 센싱 요소는 제2 전극이고,
상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하지 않는 경우는 상기 사용자 모션에 의하여 접근하는 외부의 전도체 및 상기 제1 전극 간의 커패시티브 커플링에 기반하여 상기 감지 정보가 변화하고,
상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 경우는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 간의 커패시티브 커플링에 기반하여 상기 감지 정보가 변화하는 하이브리드 센서. - 제1항에 있어서,
상기 검출 회로는 상기 감지 정보의 극성에 기반하여 변화하는 값을 가지면서 상기 감지 정보의 크기에 비례하는 출력 신호를 출력하는 하이브리드 센서. - 제1항에 있어서,
시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 상기 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부를 판정하고, 상기 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하는 상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 상기 사용자 모션에 의하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부를 판정하는 컨트롤러;
를 더 포함하는 하이브리드 센서. - 제1항에 있어서,
상기 검출 회로는 상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 공진 회로의 전기적 특성을 단일 설정으로 유지하면서 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 크기를 검출하는 하이브리드 센서. - 외측에 위치하는 제1 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소 및 상기 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품;
상기 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로; 및
상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함하고,
상기 검출 회로는 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하고,
시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부가 판정되고,
상기 검출 회로는
상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator);
상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및
상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 감지 정보의 극성에 따른 크기에 비례하는 전기적 신호를 생성하는 출력신호 생성기;
를 포함하는 하이브리드 센서. - 하이브리드 센서; 및
컨트롤러;를 포함하고,
상기 하이브리드 센서는
외측에 위치하는 제1 센싱 요소;
상기 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소;
상기 제2 센싱 요소와 전기적으로 연결되는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로와 동일한 전기적 특성을 가지는 제2 공진 회로;
상기 제1 센싱 요소 및 상기 제2 센싱 요소의 사이에 위치하며 변형 가능한 중간 부품; 및
상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 검출 회로;를 포함하고,
상기 검출 회로는 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하고,
상기 컨트롤러는 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부를 판정하고,
상기 컨트롤러는, 상기 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하는 상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 상기 사용자 모션에 의하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부를 추적하는 사용자 인터페이스 장치. - 제10항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 추적 결과에 기반하여 상기 사용자 모션이 나타내는 제스쳐를 인식하고, 상기 제스쳐를 상기 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석하는(translate) 사용자 인터페이스 장치. - 제11항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 상기 터치 힘을 입력하는 경우, 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)를 판정하고,
상기 터치 힘의 세기에 기반하여 상기 사용자 모션이 나타내는 제스쳐를 인식하고, 상기 제스쳐를 상기 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석하는(translate) 사용자 인터페이스 장치. - 검출 회로가 제1 공진 회로, 및 상기 제1 공진 회로와 전기적으로 연결되며 제1 센싱 요소와 대향하도록 배치되는 제2 센싱 요소 상에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 검출 회로가 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 검출 회로가 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수의 차이를 검출하여 감지 정보를 생성하는 단계;
컨트롤러 또는 상기 검출 회로가 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 감지 정보의 변화가 사용자 모션에 의한 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는지 여부를 판정하는 단계; 및
상기 컨트롤러가, 상기 사용자 모션에 의하여 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치하는 경우에, 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화가 상기 제1 센싱 요소의 변위에 기반하는 지 여부의 판정 결과에 따라서 상기 사용자 모션에 의하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 터치 힘을 입력하는지 여부를 추적하는 단계;
를 포함하는 하이브리드 센서의 동작 방법. - 제13항에 있어서,
상기 검출 회로가 상기 감지 정보의 극성에 기반하여 변화하는 값을 가지고 상기 감지 정보의 크기에 비례하는 출력 신호를 출력하는 단계;
상기 컨트롤러가 상기 추적 결과에 기반하여 상기 사용자 모션이 나타내는 제스쳐를 인식하는 단계; 및
상기 컨트롤러가 상기 제스쳐를 상기 사용자 모션이 의도하는 사용자 입력으로 해석하는(translate) 단계;
를 더 포함하는 하이브리드 센서의 동작 방법. - 제14항에 있어서,
상기 컨트롤러가, 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 상기 터치 힘을 입력하는 경우, 시간의 경과에 따른 상기 감지 정보의 변화의 크기에 기반하여 상기 외부의 전도체가 상기 제1 센싱 요소에 입력하는 터치 힘의 세기(intensity)를 판정하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 컨트롤러가 상기 제스쳐를 인식하는 단계는
상기 컨트롤러가 상기 터치 힘의 세기에 기반하여 상기 제스쳐를 인식하는 하이브리드 센서의 동작 방법.
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