KR102512129B1 - 저항성-유도성-용량성 센서의 공진 위상 감지 - Google Patents

저항성-유도성-용량성 센서의 공진 위상 감지 Download PDF

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드루 키니
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Abstract

시스템은 저항성-유도성-용량성 센서, 구동 주파수에서 상기 저항성-유도성-용량성 센서를 구동하도록 구성된 구동기, 및 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 통신 가능하게 결합된 측정 회로로서, 상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 측정하고 상기 위상 정보에 기초하여 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 대한 기계 부재의 변위를 결정하도록 구성되는, 상기 측정 회로를 포함하며, 여기서 상기 기계 부재의 변위는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스 변화를 야기한다.

Description

저항성-유도성-용량성 센서의 공진 위상 감지
본 발명은 일반적으로 사용자 인터페이스(예를 들어, 모바일 디바이스, 게임 컨트롤러, 계기판 등)를 갖는 전자 디바이스에 관한 것이며, 특히 모바일 디바이스에서 기계식 버튼 변위(mechanical button replacement)을 위한 시스템 및/또는 다른 적절한 애플리케이션들에서 사용하기 위한 저항성-유도성-용량성 센서들의 공진 위상 감지에 관한 것이다.
많은 전통적인 모바일 디바이스들(예를 들어, 모바일 폰, 개인용 디지털 어시스턴트, 비디오 게임 컨트롤러 등)은 모바일 디바이스 사용자와 모바일 디바이스 자체 간의 상호 작용을 가능하게 하는 기계식 버튼들을 포함한다. 그러나 이러한 기계식 버튼은 노후화, 마모 및 손상에 취약하여 모바일 디바이스의 사용 수명을 단축시킬 수 있으며, 오작동이 발생할 경우 상당한 수리가 필요할 수 있다. 또한, 기계식 버튼들의 존재로 인해 방수 기능이 있는 모바일 디바이스들을 제조하기가 어려울 수 있다. 따라서, 모바일 디바이스 제조업체들은 모바일 디바이스 사용자와 모바일 디바이스 자체 간의 상호 작용을 가능하게 하는 인간-기계 인터페이스 역할을 하는 가상 버튼들을 모바일 디바이스들에 장착하는 방법을 점점 더 찾고 있다. 마찬가지로, 모바일 디바이스 제조업체들은 모바일 디바이스들에 다른 가상 인터페이스 영역들 (예를 들어, 가상 슬라이더, 터치 스크린이 아닌 모바일 디바이스 본체의 인터페이스 영역 등)을 장착하는 방법을 점점 더 많이 찾고 있다. 이상적으로는, 최상의 사용자 경험을 위해 이러한 가상 인터페이스 영역들은 마치 가상 버튼 또는 가상 인터페이스 영역 대신 기계식 버튼 또는 다른 기계식 인터페이스가 있는 것처럼 사용자에게 보이고 느껴져야 한다.
현재, 선형 공진 액추에이터들(LRAs) 및 다른 진동 액추에이터들(예를 들어, 회전 액추에이터, 진동 모터 등)이 이러한 디바이스들의 인간-기계 인터페이스들과 사용자의 상호 작용에 대한 응답으로 진동 피드백을 생성하기 위해 모바일 디바이스들에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 대체로, 센서(전통적으로는, 힘 또는 압력 센서)는 상기 디바이스와의 사용자 상호 작용(예를 들어, 디바이스의 가상 버튼을 손가락으로 누르는 것)을 검출하고, 이에 응답하여 선형 공진 액추에이터가 진동하여 사용자에게 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 선형 공진 액추에이터는 인간-기계 인터페이스와의 사용자 상호 작용에 응답하여 사용자에 대해 기계식 버튼 클릭의 느낌을 모방하도록 진동할 수 있다.
그러나, 산업계에서는 인간-기계 인터페이스와의 사용자 상호 작용을 검출하는 센서들에 대한 필요성이 있으며, 이러한 센서들은 허용 가능한 수준들의 센서 감도, 전력 소비 및 크기를 제공한다.
본 개시의 교시에 따르면, 모바일 디바이스에서 인간-기계 인터페이스 상호 작용의 감지와 관련된 단점들 및 문제점들이 감소되거나 제거될 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따라, 시스템은 저항성-유도성-용량성 센서, 구동 주파수에서 상기 저항성-유도성-용량성 센서를 구동하도록 구성된 구동기, 및 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 통신 가능하게 결합된 측정 회로로서, 상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 측정하고 상기 위상 정보에 기초하여 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 대한 기계 부재(mechanical member)의 변위를 결정하도록 구성되는, 상기 측정 회로를 포함하며, 여기서 상기 기계 부재의 변위는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스 변화를 야기한다.
본 개시의 실시 예들에 따라, 방법은 구동 주파수에서 구동기에 의해 구동되는 저항성-유도성-용량성 센서와 관련되는 위상 정보를 측정하는 단계, 및 상기 위상 정보에 기초하여, 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 대한 기계 부재의 변위를 결정하는 단계를 포함 할 수 있으며, 여기서 상기 기계적 부재의 변위는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스의 변화를 야기한다.
본 개시 내용의 기술적 장점들은 본 명세서에 포함된 도면, 상세한 설명 및 청구 범위로부터 당업자에게 쉽게 명백하게 될 것이다. 상기 실시예들의 목적들 및 이점들은 적어도 청구 범위에서 특별 지적된 요소들, 특징들 및 조합들에 의해 실현되고 달성될 것이다.
앞서 말한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 양쪽 모두는 예들이고 설명적인 것이며 본 개시에서 제시되는 청구범위를 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 발명의 실시예들과 그 이점들에 대한 더욱 완전한 이해는 수반된 도면들과 관련하여 취해진 다음의 설명을 참조함으로써 얻어질 수 있으며, 여기에서 유사한 참조 번호들은 유사한 특징들을 나타낸다.
도 1은 본 개시 내용의 실시예들에 따라 예시적인 모바일 디바이스의 선택된 구성 요소들의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 개시 내용의 실시 예들에 따라 유도성 코일로부터 일정 거리만큼 분리된 기계 부재를 도시한다.
도 3은 본 개시 내용의 실시 예들에 따라 공진 위상 감지 시스템에 의해 구현될 수 있는 유도성 감지 시스템의 선택된 구성 요소들을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 실시 예들에 따라 예시적인 공진 위상 감지 시스템의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다.
도 5는 본 개시 내용의 실시 예들에 따라 다중의 저항성-유도성-용량성 센서들의 시분할 다중 프로세싱을 구현하는 예시적인 공진 위상 감지 시스템의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다.
도 6는 본 개시 내용의 실시 예들에 따라 다중의 저항성-유도성-용량성 센서들의 동시 감지를 구현하는 예시적인 공진 위상 감지 시스템의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다.
도 7는 본 개시의 실시 예들에 따라 예시적인 저역 통과 필터의 선택된 기능 구성 요소들의 다이어그램을 예시한다.
도 1은 본 개시 내용의 실시예들에 따라 예시적인 모바일 디바이스(102)의 선택된 구성 요소들의 블록도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모바일 디바이스(102)는 인클로저(101), 컨트롤러(103), 메모리(104), 기계 부재(mechanical member)(105), 마이크로폰(106), 선형 공진 액추에이터(107), 무선 송신기/수신기(108), 스피커(110), 및 공진 위상 감지 시스템(112)을 포함할 수 있다.
인클로저(101)는 모바일 디바이스(102)의 다양한 구성 요소들을 수용하기 위한 임의의 적절한 하우징, 케이싱, 또는 다른 인클로저를 포함할 수 있다. 인클로저(101)는 플라스틱, 금속, 및/또는 임의의 다른 적절한 재료들로 구성될 수 있다. 또한, 인클로저(101)는 모바일 디바이스(102)가 모바일 디바이스(102)의 사용자인 사람에 의해 쉽게 운반되도록 적응될 수 있다(예를 들어, 크기 및 형상이 맞춰질 수 있다). 따라서, 모바일 디바이스(102)는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 스마트 폰, 태블릿 컴퓨팅 디바이스, 핸드 헬드 컴퓨팅 디바이스, 개인용 디지털 어시스턴트, 노트북 컴퓨터, 비디오 게임 컨트롤러, 또는 모바일 디바이스(102)의 사용자인 사람에 의해 쉽게 운반될 수 있는 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있다.
컨트롤러(103)는 인클로저(101) 내에 수용될 수 있으며, 프로그램 명령들을 해석 및/또는 실행하고 및/또는 데이터를 처리하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서(DSP), 애플리케이션 특정 집적 회로(ASIC), 또는 프로그램 명령들을 해석 및/또는 실행하고 및/또는 데이터를 처리하도록 구성된 임의의 다른 디지털 또는 아날로그 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 컨트롤러(103)는 프로그램 명령들을 해석 및/또는 실행하고/하거나 메모리(104) 및/또는 컨트롤러(103)에 액세스 가능한 다른 컴퓨터-판독 가능 매체에 저장된 데이터를 처리할 수 있다.
메모리(104)는 인클로저(101) 내에 수용될 수 있고, 컨트롤러(103)에 통신 가능하게 결합될 수 있으며, 일정 기간 동안 프로그램 명령들 및/또는 데이터를 보유하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치(예컨대, 컴퓨터-판독 가능 매체)를 포함할 수 있다. 메모리(104)는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 전기적으로 소거 가능한 프로그램 가능 판독-전용 메모리(EEPROM), PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association) 카드, 플래시 메모리, 자기 저장장치, 광 자기 저장장치, 또는 모바일 디바이스(102)로의 전력이 턴 오프된 후 데이터를 유지하는 휘발성 또는 비-휘발성 메모리의 임의의 적절한 선택 및/또는 어레이를 포함할 수 있다.
마이크로폰(106)은 인클로저(101) 내에 적어도 부분적으로 수용될 수 있고, 컨트롤러(103)에 통신 가능하게 결합될 수 있고, 마이크로폰(106)에 입사되는 사운드를 컨트롤러(103)에 의해 처리될 수 있는 전기 신호로 변환하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있으며, 여기서 그러한 사운드는 진동판 또는 막(diaphragm or membrane)에서 수신된 음파 진동들에 기초하여 달라지는 전기 커패시턴스를 갖는 진동판 또는 막을 사용하여 전기 신호로 변환된다. 마이크로폰(106)은 정전기 마이크로폰, 콘덴서 마이크로폰, 일렉트릿 마이크로폰(electret microphone), MEMs(microelectromechanical systems) 마이크로폰, 또는 임의의 다른 적절한 용량성 마이크로폰을 포함할 수 있다.
무선 송신기/수신기(108)는 인클로저(101) 내에 수용될 수 있고, 컨트롤러(103)에 통신 가능하게 결합될 수 있으며, 안테나의 도움으로 무선 주파수 신호들을 생성 및 전송하는 것은 물론 무선 주파수 신호들을 수신하고 그러한 수신된 신호들에 의해 운반된 정보를 컨트롤러(103)에 의해 사용 가능한 형태로 변환하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 무선 송신기/수신기(108)는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 셀룰러 통신(예를 들어, 2G, 3G, 4G, LTE 등), 단거리 무선 통신(예를 들어, 블루투스(BLUETOOTH)), 상업용 라디오 신호, 텔레비전 신호, 위성 라디오 신호(예를 들어, GPS), WIFI(Wireless Fidelity) 등을 포함하는 다양한 형태들의 무선 주파수 신호들을 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다.
스피커(110)는 인클로저(101) 내에 적어도 부분적으로 수용될 수 있거나 인클로저(101) 외부에 있을 수도 있고, 컨트롤러(103)에 통신 가능하게 결합될 수 있고, 전기 오디오 신호 입력에 응답하여 사운드를 생성하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 스피커는 원통형 자기 갭(cylindrical magnetic gap)을 통해 축 방향으로 이동하도록 음성 코일을 구속하는 가요성 서스펜션을 통해 단단한 프레임(rigid frame)에 기계적으로 결합된 경량 다이어프램을 사용하는 동적 라우드스피커(dynamic loudspeaker)를 포함할 수 있다. 음성 코일에 전기 신호가 가해지면, 음성 코일 내의 전류에 의해 자기장이 생성되고, 이는 코일을 가변 전자석으로 만든다. 음성 코일과 구동기의 자기 시스템이 상호 작용하여 음성 코일(및 그에 따른 부착된 콘(attached cone))을 앞뒤로 움직이게 하는 기계적 힘을 생성하고, 그에 따라 증폭기에서 나오는 인가된 전기 신호의 제어 하에 사운드를 재생한다.
기계 부재(105)는 인클로저(101) 내에 또는 그 위에 수용될 수 있으며, 기계 부재(105)의 전부 또는 일부가 기계 부재(105)에 또는 근접하게 가해지는 힘, 압력, 또는 터치에 응답하는 위치에서 변위되도록 구성된 임의의 적절한 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 기계 부재(105)는 인클로저(101)의 외부에 기계식 버튼으로 나타나도록 디자인될 수 있다.
선형 공진 액추에이터(107)는 인클로저(101) 내에 수용될 수 있고, 단일 축을 가로질러 발진하는 기계적 힘(oscillating mechanical force)을 생성하기 위한 임의의 적절한 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 선형 공진 액추에이터(107)는 교류 전류 또는 전압에 의존하여 스프링에 연결된 이동 매스(moving mass)에 대해 가압된 음성 코일을 구동할 수 있다. 음성 코일이 스프링의 공진 주파수로 구동될 때, 선형 공진 액추에이터(107)는 지각할 수 있는 힘(perceptible force)으로 진동할 수 있다. 따라서, 선형 공진 액추에이터(107)는 특정 주파수 범위 내의 햅틱 애플리케이션들에 유용할 수 있다. 명확성과 설명의 목적을 위해 본 개시는 선형 공진 액추에이터(107)의 사용과 관련하여 설명되지만, 임의의 다른 형태 또는 형태들의 진동 액추에이터들(예를 들어, 편심 회전 매스 액추에이터(eccentric rotating mass actuators))이 선형 공진 액추에이터(107)를 대신하여 또는 그에 추가하여 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 다중 축들을 가로질러 발진하는 기계적 힘을 생성하도록 배열된 액추에이터들이 선형 공진 액추에이터(107)를 대신하거나 또는 그에 추가하여 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 공진 위상 감지 시스템(112)으로부터 수신된 신호에 기초한 선형 공진 액추에이터(107)는 기계식 버튼 변위 및 용량성 센서 피드백 중 적어도 하나에 대해 모바일 디바이스(102)의 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다.
기계 부재(105) 및 선형 공진 액추에이터(107)는 함께 가상 인터페이스(예를 들어, 가상 버튼)와 같은 인간-인터페이스 디바이스를 형성할 수 있으며, 이는 모바일 디바이스(102)의 사용자에 대해 기계식 버튼 또는 모바일 디바이스(102)의 다른 기계적 인터페이스의 모양과 느낌을 갖게 한다.
공진 위상 감지 시스템(112)은 인클로저(101) 내에 수용될 수 있고, 기계 부재(105) 및 선형 공진 액추에이터(107)에 통신 가능하게 결합될 수 있으며, (예를 들어, 인간의 손가락에 의해 모바일 디바이스(102)의 가상 인터페이스에 가해지는 힘인) 모바일 디바이스(102)의 인간-기계 인터페이스와의 (예를 들어, 모바일 디바이스(102)의 사용자에 의한) 물리적 상호 작용을 나타내는 기계 부재(105)의 변위를 검출하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 공진 위상 감지 시스템(112)은 저항성-유도성-용량성 센서의 공진 위상 감지를 수행함으로써 기계 부재(105)의 변위를 검출할 수 있으며, 이에 대해 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스(예를 들어, 인덕턴스, 커패시턴스, 및/또는 저항)는 기계 부재(105)의 변위에 응답하여 변화한다. 따라서, 기계 부재(105)는 그 전부 또는 일부가 변위될 수 있는 임의의 적절한 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있고, 이러한 변위는 공진 위상 감지 시스템(112)에 통합된 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스에서의 변화를 일으킬 수 있다. 공진 위상 감지 시스템(112)은 또한 기계 부재(105)와 관련된 인간-기계 인터페이스와 관련된 물리적 상호 작용에 응답하여 선형 공진 액추에이터(107)를 구동하기 위한 전자 신호를 생성할 수 있다. 본 개시의 실시 예들에 따른 예시적인 공진 위상 감지 시스템(112)의 세부 사항이 아래에 더 상세히 도시된다.
특정의 예시적인 구성 요소들(예를 들어, 컨트롤러(103), 메모리(104), 기계 부재(105), 마이크로폰(106), 무선 송신기/수신기(108), 스피커(들)(110), 선형 공진 액추에이터(107) 등)이 위에서와 같이 모바일 디바이스(102)에 통합된 것으로 도 1에 도시되었지만, 본 개시에 따른 모바일 디바이스(102)는 위에서 구체적으로 열거되지 않은 하나 이상의 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1이 특정의 사용자 인터페이스 구성 요소들을 도시하고 있지만, 모바일 디바이스(102)는 도 1에 도시된 것들에 추가하여, 이에 제한되는 것은 아니지만 키패드, 터치 스크린, 및 디스플레이를 포함하는 하나 이상의 다른 사용자 인터페이스 구성 요소들을 포함할 수 있으며, 이에 따라 사용자가 모바일 디바이스(102) 및 그 관련 구성 요소들과 상호 작용하거나 및/또는 그렇지 않으면 조작할 수 있게 한다. 또한, 도 1은 명확성과 설명을 위해 기계 부재(105) 및 선형 공진 액추에이터(107)를 포함하는 단일 가상 버튼만을 도시하지만, 일부 실시 예들에서 모바일 디바이스(102)는 각각의 기계 부재(105) 및 선형 공진 액추에이터(107)를 각각 포함하는 다중의 가상 인터페이스들을 가질 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 공진 위상 감지 시스템(112)은 저항성-유도성-용량성 센서의 공진 위상 감지를 수행함으로써 기계적 부재(105)의 변위를 검출 할 수 있으며 여기서 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스(예를 들어, 인덕턴스, 커패시턴스, 및/또는 저항)가 기계 부재(105)의 변위에 응답하여 변화하지만, 일부 실시 예들에서 공진 위상 감지 시스템(112)은 저항성-유도성-용량성 센서의 인덕턴스의 변화를 결정하기 위해 공진 위상 감지를 사용하여 기계 부재(105)의 변위를 주로 검출할 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3은 본 개시의 실시 예들에 따라 공진 위상 감지 시스템(112)에 의해 구현될 수 있는 예시적인 유도성 감지 애플리케이션의 선택된 구성 요소들을 도시한다.
도 2는 본 개시의 실시 예들에 따라 유도성 코일(202)로부터 일정 거리(d)만큼 분리된 금속 플레이트로서 구현된 기계 부재(105)를 도시한다. 도 3은 본 개시의 실시 예들에 따라 공진 위상 감지 시스템(112)에 의해 구현될 수 있는 유도성 감지 시스템(300)의 선택된 구성 요소들을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유도성 감지 시스템(300)은 가변 전기 저항(304) 및 가변 전기 인덕턴스(306)로 모델링된 기계 부재(105)를 포함할 수 있고, 유도성 코일(202)이 가변 결합 계수(k)에 의해 정의되는 기계 부재(105)와의 상호 인덕턴스를 갖도록 기계 부재(105)에 물리적으로 근접한 유도성 코일(202)을 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유도성 코일(202)은 가변 전기 인덕턴스(308) 및 가변 전기 저항(310)으로서 모델링될 수 있다.
작동 시, 전류(I)가 유도성 코일(202)을 통해 흐르기 때문에, 이러한 전류는 자기장을 유도할 수 있으며, 이는 차례로 기계 부재(105) 내부에 와전류(eddy current)를 유도할 수 있다. 기계 부재(105)와 유도성 코일(202) 사이의 거리 d를 변화시키는 힘이 기계 부재(105)에 가해지거나 및/또는 제거될 때, 결합 계수 k, 가변 전기 저항(304) 및/또는 가변 전기 인덕턴스(306)도 역시 그 거리 변화에 응답하여 변화될 수 있다. 다양한 전기 파라미터들의 이러한 변화들은 차례로 유도성 코일(202)의 유효 임피던스(ZL)를 수정할 수 있다.
도 4a는 본 개시의 실시 예들에 따라 예시적인 공진 위상 감지 시스템(112A)의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 공진 위상 감지 시스템(112A)은 도 1의 공진 위상 감지 시스템(112)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 공진 위상 감지 시스템(112A)은 저항성-유도성-용량성 센서(402) 및 프로세싱 집적 회로(IC)(412A)를 포함할 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 저항성-유도성-용량성 센서(402)는 기계 부재(105), 유도성 코일(202), 저항기(404), 및 커패시터(406)를 포함할 수 있으며, 여기서 기계 부재(105) 및 유도성 코일(202)은 가변 결합 계수 k를 갖는다. 서로 병렬로 배열되는 것으로 도 4a에 도시되어 있지만, 유도성 코일(202), 저항기(404), 및 커패시터(406)는 저항성-유도성-용량성 센서(402)가 공진 탱크(resonant tank)로 작동하도록 허용하는 임의의 다른 적절한 방식으로 배열될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 유도성 코일(202), 저항기(404), 및 커패시터(406)는 서로 직렬로 배열될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 저항기(404)는 독립형 저항기로 구현되지 않을 수도 있지만, 대신에 유도성 코일(202)의 기생 저항, 커패시터(406)의 기생 저항, 및/또는 임의의 다른 적절한 기생 저항에 의해 구현될 수 있다.
프로세싱 IC(412A)는 저항성-유도성-용량성 센서(402)에 통신 가능하게 결합될 수 있고, 저항성-유도성-용량성 센서(402)와 관련된 위상 정보를 측정하고 상기 위상 정보에 기초하여 저항성-유도성-용량성 센서(402)에 대한 기계 부재(105)의 변위를 결정하는 측정 회로를 구현하도록 구성된 임의의 적절한 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 프로세싱 IC(412A)는 위상 정보에 기초하여 기계 부재(105)와 관련된 인간-기계 인터페이스와 관련된 물리적 상호 작용(예를 들어, 가상 버튼의 눌림 또는 눌림해제)의 발생을 결정하도록 구성될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 프로세싱 IC(412A)는 위상 시프터(410), 전압-전류 변환기(408), 전치 증폭기(440), 중간 주파수 믹서(442), 결합기(444), 프로그래밍 가능 이득 증폭기(PGA)(414), 전압 제어 발진기(VCO)(416), 위상 시프터(418), 진폭 및 위상 계산 블록(431), DSP(432), 저역 통과 필터(434), 및 결합기(450)를 포함할 수 있다. 프로세싱 IC(412A)는 또한, 믹서(420), 저역 통과 필터(424), 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)(428)를 포함하는 입사 채널(incident channel) 및 믹서(422), 저역 통과 필터(426), 및 ADC(430)를 포함하는 직각 위상 채널(quadrature channel)을 통해 구현되는 코히어런트 입사/직각 위상 검출기(coherent incident/quadrature detector)를 포함하여, 프로세싱 IC(412A)가 코히어런트 입사/직각 위상 검출기를 사용하여 위상 정보를 측정하도록 구성될 수 있다.
위상 시프터(410)는 (아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이) 프로세싱 IC(412A)에 의해 생성된 발진 신호를 검출하고 이러한 발진 신호를 위상 시프트(예를 들어, 45도만큼)하여 공진 위상 감지 시스템(112A)의 정상 작동 주파수가 되도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함하여, 전치 증폭기(440)에 의해 생성된 센서 신호 φ의 입사 성분이 센서 신호 φ의 직각 위상 성분과 거의 동일하게 되도록 함으로써 프로세싱 IC(412A)에 의해 구현되는 위상 검출기에 의한 공통 모드 노이즈 제거를 제공할 수 있게 하며, 이에 대해 아래에서 더 자세히 설명된다.
전압-전류 변환기(408)는 위상 시프터(410)로부터 전압 신호일 수 있는 위상 시프트된 발진 신호를 수신하고, 그 전압 신호를 대응하는 전류 신호로 변환하고, 위상 시프트된 발진 신호를 갖는 구동 주파수에서 저항성-유도성-용량성 센서(402)에서 그 전류 신호를 구동함으로써 프로세싱 IC(412A)에 의해 처리될 수 있는 센서 신호 φ를 생성할 수 있게 되며, 이에 대해 아래에서 더 상세히 설명된다. 일부 실시 예들에서, 위상 시프트된 발진 신호의 구동 주파수는 저항성-유도성-용량성 센서(402)의 공진 주파수에 기초하여 선택될 수 있다(예를 들어, 저항성-유도성-용량성 센서(402)의 공진 주파수와 거의 동일할 수 있다).
전치 증폭기(440)는 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 센서 신호 φ를 수신하고 VCO(416)에 의해 생성된 발진 주파수와 결합기(444)에 의해 결합된 중간 주파수 Δf로 믹서(442)를 통한 주파수 혼합을 위해 센서 신호 φ를 조절할 수 있으며, 여기서 중간 주파수 Δf는 발진 주파수보다 훨씬 적다. 일부 실시 예들에서, 전치 증폭기(440), 믹서(442), 및 결합기(444)는 존재하지 않을 수도 있으며, 이 경우 PGA(414)는 저항성-유도성-용량성 센서(402)로부터 직접 센서 신호 φ를 수신할 수 있다. 그러나, 존재하는 경우, 전치 증폭기(440), 믹서(442), 및 결합기(444)는 센서 신호 φ를 더 낮은 중간 주파수 Δf로 하향 혼합하는 것을 허용할 수 있으며, 이는 더 낮은 대역폭 및 더 효율적인 ADC들(예를 들어, 아래에 설명되는 바와 같이, 도 4a 및 도 4b의 ADC들(428 및 430) 및 도 4c의 ADC(429))을 허용할 수 있으며, 및/또는 프로세싱 IC(412A)의 위상 검출기의 입사 및 직각 위상 경로들(incident and quadrature paths)에서 위상 및/또는 이득 불일치들의 최소화를 허용할 수 있다.
작동 시에, PGA(414)는 코히어런트 입사/직각 위상 검출기에 의한 처리를 위해 센서 신호 φ를 조절하기 위해 센서 신호 φ를 추가로 증폭할 수 있다. VCO(416)는 증폭된 센서 신호 φ의 입사 및 직각 위상 성분들을 추출하기 위해 믹서들(420 및 422)에 의해 사용되는 발진 신호들(oscillation signals)뿐만 아니라 전압-전류 변환기(408)에 의해 구동되는 신호에 대한 기초로서 사용되는 발진 신호를 생성할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 입사 채널의 믹서(420)는 VCO(416)에 의해 생성된 발진 신호의 시프트되지 않은 버전을 사용할 수 있는 반면, 직각 위상 채널의 믹서(422)는 위상 시프터(418)에 의해 시프트된 발진 신호 위상의 90도 시프트된 버전을 사용할 수 있다. 상기에 설명된 바와 같이, VCO(416)에 의해 생성된 발진 신호의 발진 주파수는 저항성-유도성-용량성 센서(402)의 공진 주파수에 기초하여 선택될 수 있다(예를 들어, 저항성-유도성-용량성 센서(402)의 공진 주파수와 거의 동일할 수 있다).
입사 채널에서, 믹서(420)는 증폭된 센서 신호 φ의 입사 성분을 추출할 수 있고, 저역 통과 필터(424)는 증폭된 센서 신호 φ와 혼합된 발진 신호를 필터링하여 직류(DC) 입사 성분을 생성할 수 있으며, ADC(428)는 이러한 DC 입사 성분을 진폭 및 위상 계산 블록(431)에 의한 처리를 위해 등가 입사 성분 디지털 신호로 변환할 수 있다. 유사하게, 직각 위상 채널에서, 믹서(422)는 증폭된 센서 신호 φ의 직각 위상 성분(quadrature component)을 추출할 수 있고, 저역 통과 필터(426)는 증폭된 센서 신호 φ와 혼합된 위상 시프트된 발진 신호를 필터링하여 직류(DC) 직각 위상 성분을 생성할 수 있으며, ADC(430)는 이러한 DC 직각 위상 성분을 진폭 및 위상 계산 블록(431)에 의한 처리를 위해 등가 직각 위상 성분 디지털 신호로 변환할 수 있다.
진폭 및 위상 계산 블록(431)은 입사 성분 디지털 신호 및 직각 위상 성분 디지털 신호를 포함하는 위상 정보를 수신하고 그에 기초하여 진폭 및 위상 정보를 추출하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다.
DSP(432)는 프로그램 명령들을 해석 및/또는 실행하고/하거나 데이터를 처리하도록 구성된 임의의 시스템, 디바이스, 또는 장치를 포함할 수 있다. 특히, DSP(432)는 진폭 및 위상 계산 블록(431)에 의해 생성된 위상 정보 및 진폭 정보를 수신하고, 이에 기초하여 저항성-유도성-용량성 센서(402)에 대한 기계 부재(105)의 변위를 결정할 수 있으며, 이는 위상 정보에 기초하여 기계 부재(105)와 연관된 인간-기계 인터페이스와 관련된 물리적 상호 작용(예를 들어, 가상 버튼의 눌림 또는 눌림해제 또는 가상 인터페이스와의 다른 상호 작용)의 발생을 나타낼 수 있다. DSP(432)는 또한 변위를 나타내는 출력 신호를 생성할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 이러한 출력 신호는 변위에 응답하여 선형 공진 액추에이터(107)의 기계적 진동을 제어하기 위한 제어 신호를 포함할 수 있다.
진폭 및 위상 계산 블록(431)에 의해 생성된 위상 정보는 저역 통과 필터(434)에 의해 수신될 수 있는 에러 신호를 생성하기 위해 결합기(450)에 의해 기준 위상 φref으로부터 감산될 수 있다. 저역 통과 필터(434)는 에러 신호를 저역 통과 필터링할 수 있으며, 이러한 필터링된 에러 신호는 기준 위상 φref 쪽으로 센서 신호 φ를 구동하기 위해 VCO(416)에 의해 생성된 발진 신호의 주파수를 수정하도록 VCO(416)에 인가될 수 있다. 그 결과, 센서 신호 φ는 공진 위상 감지 시스템(112A)과 관련된 가상 버튼의 "눌림(press)"(또는, 가상 인터페이스와의 다른 상호 작용)에 응답하는 일시적 감쇠 신호(transient decaying signal)와 가상 버튼의 후속하는 "눌림해제(release)"(또는, 가상 인터페이스와의 다른 상호 작용)에 응답하는 또 다른 일시적 감쇠 신호를 포함할 수 있다. 따라서, VCO(416)와 관련된 저역 통과 필터(434)는 VCO(416)의 구동 주파수를 수정함으로써 공진 위상 감지 시스템(112A)의 동작 파라미터들의 변화들을 추적할 수 있는 피드백 제어 루프를 구현할 수 있다.
도 4b는 본 개시의 실시 예들에 따라 예시적인 공진 위상 감지 시스템(112B)의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 공진 위상 감지 시스템(112B)은 도 1의 공진 위상 감지 시스템(112)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 4b의 공진 위상 감지 시스템(112B)은 많은 측면들에서 도 4a의 공진 위상 감지 시스템(112A)과 유사할 수 있다. 따라서, 공진 위상 감지 시스템(112B)과 공진 위상 감지 시스템(112A) 사이의 차이점들만이 아래에서 설명될 것이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 공진 위상 감지 시스템(112B)은 프로세싱 IC(412A) 대신 프로세싱 IC(412B)를 포함할 수 있다. 도 4b의 프로세싱 IC(412B)는 많은 측면들에서 도 4a의 프로세싱 IC(412A)와 유사할 수 있다. 따라서, 프로세싱 IC(412B)와 프로세싱 IC(412A) 사이의 차이점들만이 아래에서 설명될 것 있다.
프로세싱 IC(412B)는 프로세싱 IC(412A)의 VCO(416) 대신에 고정 주파수 발진기(417) 및 가변 위상 시프터(419)를 포함할 수 있다. 따라서, 작동 시, 발진기(417)는 가변 위상 시프터(419)가 믹서들(420, 422)에 의해 혼합될 발진 신호들을 생성하기 위해 위상 시프트할 수 있는 고정 구동 신호 및 발진 신호를 구동할 수 있다. 프로세싱 IC(412A)의 것과 유사하게, 저역 통과 필터(434)는 진폭 및 위상 계산 블록(431)에 의해 추출되는 위상 정보에 기초하여 에러 신호를 저역 통과 필터링할 수 있지만, 대신 이러한 필터링된 에러 신호는 0의 위상 시프트를 나타내는 쪽으로 센서 신호 φ를 구동하기 위해 발진기(417)에 의해 생성된 발진 신호의 위상 오프셋을 수정하도록 가변 위상 시프터(419)에 인가될 수 있다. 그 결과, 센서 신호 φ는 공진 위상 감지 시스템(112B)과 관련된 가상 버튼의 "눌림"(또는, 가상 인터페이스와의 다른 상호 작용)에 응답하는 일시적 감쇠 신호와 가상 버튼의 후속하는 "눌림해제"(또는, 가상 인터페이스와의 다른 상호 작용)에 응답하는 또 다른 일시적 감쇠 신호를 포함할 수 있다. 따라서, 가변 위상 시프터(419)와 관련된 저역 통과 필터(434)는 가변 위상 시프터(419)에 의해 적용된 위상 시프트를 수정함으로써 공진 위상 감지 시스템(112B)의 동작 파라미터들의 변화들을 추적할 수 있는 피드백 제어 루프를 구현할 수 있다.
도 4c는 본 개시의 실시 예들에 따라 예시적인 공진 위상 감지 시스템(112C)의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 공진 위상 감지 시스템(112C)은 도 1의 공진 위상 감지 시스템(112)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 4c의 공진 위상 감지 시스템(112C)은 많은 측면들에서 도 4a의 공진 위상 감지 시스템(112A)과 유사할 수 있다. 따라서, 공진 위상 감지 시스템(112C)과 공진 위상 감지 시스템(112A) 사이의 차이점들만이 아래에서 설명될 것이다. 예를 들어, 공진 위상 감지 시스템(112C)과 공진 위상 감지 시스템(112A) 사이의 특별한 차이점은 공진 위상 감지 시스템(112C)이 ADC(428) 및 ADC(430) 대신에 ADC(429) 및 ADC(431)를 포함할 수 있다는 것이다. 따라서, 공진 위상 감지 시스템(112C)에 대한 코히어런트 입사/직각 위상 검출기는 디지털 믹서(421) 및 디지털 저역 통과 필터(425)(아날로그 믹서(420) 및 아날로그 저역 통과 필터(424) 대신)를 포함하는 입사 채널과 디지털 믹서(423) 및 저역 통과 필터(427)(아날로그 믹서(422) 및 아날로그 저역 통과 필터(426) 대신)를 포함하는 직각 위상 채널로 구현되어, 프로세싱 IC(412C)가 이러한 코히어런트 입사/직각 위상 검출기를 사용하여 위상 정보를 측정하도록 구성될 수 있다. 명시적으로 도시되지는 않았지만, 공진 위상 감지 시스템(112B)은 공진 위상 감지 시스템(112A)이 공진 위상 감지 시스템(112C)으로 되도록 수정되는 것을 나타내는 것과 유사한 방식으로 수정될 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예들에 따라 다중의 저항성-유도성-용량성 센서들(402)(예를 들어, 도 5에 도시된 저항성-유도성-용량성 센서들(402A-402N))의 시분할 다중 프로세싱을 구현하는 예시적인 공진 위상 감지 시스템(112D)의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 공진 위상 감지 시스템(112D)은 도 1의 공진 위상 감지 시스템(112)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 5의 공진 위상 감지 시스템(112D)은 많은 측면들에서 도 4a의 공진 위상 감지 시스템(112A)과 유사할 수 있다. 따라서, 공진 위상 감지 시스템(112D)과 공진 위상 감지 시스템(112A) 사이의 차이점들만이 아래에서 설명될 것이다. 특히, 공진 위상 감지 시스템(112D)은 도 4a에 도시된 단일 저항성-유도성-용량성 센서(402) 대신에 복수의 저항성-유도성-용량성 센서들(402)(예를 들어, 도 5에 도시된 저항성-유도성-용량성 센서들(402A-402N))을 포함할 수 있다. 또한, 공진 위상 감지 시스템(112D)은 멀티플렉서들(502 및 504)을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 제어 신호 SELECT에 응답하여 복수의 입력 신호들로부터 출력 신호를 선택할 수 있다(이는 컨트롤러(103) 또는 모바일 디바이스(102)의 다른 적절한 구성 요소에 의해 구현되는 시분할 다중화 제어 서브시스템에 의해 제어될 수 있다). 따라서, 일부 실시 예들에서 모바일 디바이스(102)와 같은 디바이스는 각각의 프로세싱 IC에 의해 동시에 구동되고 개별적으로 처리될 수 있는 복수의 저항성-유도성-용량성 센서들(402)을 포함할 수 있지만, 다른 실시 예들에서 공진 위상 감지 시스템(예를 들어, 공진 위상 감지 시스템(112D)은 시분할 다중 방식으로 저항성-유도성-용량성 센서들(402)을 구동할 수 있다. 이러한 접근 방식은 다중 센서들이 동시에 구동 및/또는 감지되는 다중 센서 구현들에 비해 전력 소비 및 디바이스 크기를 줄일 수 있다. 디바이스 크기는 다중 센서들을 단일 구동기 및 측정 회로 채널로 시분할 다중화함으로써 감소될 수 있으며, 여기서 단일 구동기와 단일 측정 회로만이 필요하므로 구동 및 측정을 수행하는 데 필요한 집적 회로 영역의 양을 최소화할 수 있다. 또한 단일 구동기와 측정 회로를 활용하면 다른 구동기 및/또는 다른 측정 회로 간의 불일치 및/또는 에러를 조정하기 위해 보정이 필요하지 않을 수 있다.
명확성과 설명을 위해 전치 증폭기(440), 믹서(442), 및 결합기(444)는 도 5에서 제외되었다. 그러나, 일부 실시 예들에서, 프로세싱 IC(412D)는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 유사한 전치 증폭기(440), 믹서(442), 및 결합기(444)를 포함할 수 있다.
공진 위상 감지 시스템(112D)에서, 제 1 저항성-유도성-용량성 센서(예를 들어, 저항성-유도성-용량성 센서(402A))가 전압-전류 변환기(408)에 의해 구동되고 프로세싱 IC(412A)에 의해 구현되는 측정 회로에 의해 측정되도록 하기 위해 시분할 다중화 제어 서브 시스템에 의해 선택 될 때, 다른 저항성-유도성-용량성 센서들(예를 들어, 저항성-유도성-용량성 센서들(402N-402N))이 각각 낮은 임피던스 상태에 놓일 수 있다. 유사하게, 제 2 저항성-유도성-용량성 센서(예를 들어, 저항성-유도성-용량성 센서(402B))가 전압-전류 변환기(408)에 의해 구동되고 프로세싱 IC(412A)에 의해 구현되는 측정 회로에 의해 측정되도록 하기 위해 시분할 다중화 제어 서브 시스템에 의해 선택 될 때, 다른 저항성-유도성-용량성 센서들(예를 들어, 402A를 포함하는 402B와는 다른 저항성-유도성-용량성 센서들)이 각각 낮은 임피던스 상태에 놓일 수 있다. 이러한 접근 방식은 선택되지 않은 저항성-유도성-용량성 센서들(402) 내의 전력 소비를 최소화할 수 있다.
이러한 센서와 관련된 전력 소비를 감소시키기 위해 단일 저항성-유도성-용량성 센서(402)만을 갖는 공진 위상 감지 시스템에서도 유사한 접근 방식이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다중 센서들 간의 시분할 다중화 대신, 단일 저항성-유도성-용량성 센서(402)가 작동 중에 듀티-사이클(duty-cycle)될 수 있으므로, 측정 회로(예를 들어, 프로세싱 IC(412A))의 사이클의 제 1 부분 동안 측정 회로는 저전력 모드에서 작동할 수 있으며, 측정 회로의 사이클의 제 2 부분 동안 측정 회로는 측정 회로가 저전력 모드에서보다 더 많은 전력을 소비하는 고전력 모드에서 작동할 수 있으며, 그리고 제 2 부분 동안 측정 회로는 위상 정보의 측정 및 기계 부재(예를 들어, 기계 부재(105))의 변위의 결정을 수행한다.
명시적으로 도시되지는 않았지만, 공진 위상 감지 시스템(112B)은 공진 위상 감지 시스템(112A)이 공진 위상 감지 시스템(112D)으로 되도록 수정되는 것을 나타내는 것과 유사한 방식으로 수정될 수 있어, 공진 위상 감지 시스템(112B)이 복수의 저항성-유도성-용량성 센서들(402) 상의 시분할 다중화 감지를 구현할 수 있다. 유사하게, 명시적으로 도시되지는 않았지만, 공진 위상 감지 시스템(112C)은 공진 위상 감지 시스템(112A)이 공진 위상 감지 시스템(112D)으로 되도록 수정되는 것을 나타내는 것과 유사한 방식으로 수정될 수 있어, 공진 위상 감지 시스템(112C)이 복수의 저항성-유도성-용량성 센서들(402) 상의 시분할 다중화 감지를 구현할 수 있다.
도 6은 본 개시의 실시 예들에 따라 다중의 저항성-유도성-용량성 센서들(402)(예를 들어, 도 6에 도시된 저항성-유도성-용량성 센서들(402A 및 402B))의 시분할 다중 프로세싱을 구현하는 예시적인 공진 위상 감지 시스템(112E)의 선택된 구성 요소들의 다이어그램을 도시한다. 일부 실시 예들에서, 공진 위상 감지 시스템(112E)은 도 1의 공진 위상 감지 시스템(112)을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 6의 공진 위상 감지 시스템(112E)은 많은 측면들에서 도 4a의 공진 위상 감지 시스템(112A)과 유사할 수 있다. 따라서, 공진 위상 감지 시스템(112E)과 공진 위상 감지 시스템(112A) 사이의 차이점들만이 아래에서 설명될 것이다. 특히, 공진 위상 감지 시스템(112E)은 도 4a에 도시된 단일 저항성-유도성-용량성 센서(402) 대신에 복수의 저항성-유도성-용량성 센서들(402)(예를 들어, 도 6에 도시된 저항성-유도성-용량성 센서들(402A 및 402B))을 포함할 수 있으며, 여기서, 전압-전류 변환기(408)는 동일한 구동 주파수에서 저항성-유도성-용량성 센서(402)를 모두 구동할 수 있다. 또한, 공진 위상 감지 시스템(112E)의 프로세싱 IC(412E)는 복수의 코히어런트 입사/직각 위상(I/Q) 검출기들(602)(예를 들어, 602a 및 602b)를 포함할 수 있으며, 각각의 I/Q 검출기(602)는 각각의 저항성-유도성-용량성 센서(402)와 관련되고 결합되어, 다중 센서들과 관련된 위상 정보가 결정될 수 있고, 그로부터 하나 또는 두 센서들과의 인간 기계 상호 작용들이 결정될 수 있다.
명확성과 설명을 위해 전치 증폭기(440), 믹서(442), 및 결합기(444)는 도 6에서 제외되었다. 그러나, 일부 실시 예들에서, 프로세싱 IC(412E)는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 것과 유사한 전치 증폭기(440), 믹서(442), 및 결합기(444)를 포함할 수 있다.
도 7는 본 개시의 실시 예들에 따라 예시적인 저역 통과 필터(434)의 선택된 기능 구성 요소들의 다이어그램을 예시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터(434)는 진폭 및 위상 계산 블록(431)으로부터 수신한 위상 정보로 초기 프로세싱(702)을 수행할 수 있고, 센서 신호 φ의 위상 및 진폭의 변화들을 추적하기 위해 폐쇄된 피드백 루프의 안정성을 유지하기 위한 미세 조정 블록(fine adjustment block)(706)을 사용하여 폐쇄된 피드백 루프의 일부를 구현할 수 있다. 또한, 저역 통과 필터(434)는 위상 감지 이벤트의 필요한 샘플 시간 및 전력 소비를 잠재적으로 감소할 목적으로 폐쇄 루프를 더 빠르게 폐쇄되도록 하는 거친 피드포워드 보정 블록(coarse feedforward correction block)(704)을 구현할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 피드백 및 피드포워드 구성 요소들을 사용하여, 공진 위상 감지 시스템(112)의 측정 회로는 위상 정보 외에도 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 진폭 정보를 측정할 수 있으며, 진폭 정보 및 위상 정보에 기초하여 시간, 온도, 및/또는 프로세스 변화에 따라 변할 수 있는 파라미터들을 포함하여 저항성-유도성-용량성 센서의 작동 파라미터들의 변화를 결정할 수 있다.
전술한 내용이 변위를 감지하기 위한 폐쇄 루프 피드백의 사용을 고려하고 있지만, 도 4a 내지 도 6에 의해 표현된 다양한 실시 예들은 변위를 감지하기 위한 개방 루프 시스템을 구현하도록 수정될 수 있다. 이러한 개방 루프 시스템에서, 프로세싱 IC는 진폭 및 위상 계산 블록(431)에서 VCO(416) 또는 가변 위상 시프터(419)로의 피드백 경로를 포함하지 않을 수 있으며, 따라서 피드백 저역 통과 필터(434)가 없을 수도 있다. 따라서, 위상 측정은 여전히 기준 위상 값에 대한 위상에서의 변화를 비교함으로써 이루어질 수 있지만, VCO(416)에 의해 구동되는 발진 주파수는 수정되지 않을 수도 있거나 또는 가변 위상 시프터(419)에 의해 시프트된 위상이 시프트되지 않을 수도 있다.
전술한 내용은 저항성-유도성-용량성 센서(402)와 관련된 위상 정보를 결정하기 위한 위상 검출기로서 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 사용을 고려하고 있지만, 공진 위상 감지 시스템(112)은 위상 검출을 수행할 수 있고 및/또는 그렇지 않으면 이에 제한되지는 않지만 위상 정보를 결정하기 위해 입사 경로 또는 직각 위상 경로 중 하나만을 사용하는 것을 포함하여 임의의 적절한 방식으로 저항성-유도성-용량성 센서(402)와 관련된 위상 정보를 결정할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 본 명세서에 개시된 바와 같은 입사/직각 위상 검출기는 센서 신호를 직접적으로 직류 신호로 변환하거나 또는 중간 주파수 신호로 변환한 다음 직류 신호로 변환하는 하나 이상의 주파수 변환 스테이지들을 포함할 수 있다. 이러한 주파수 변환 스테이지들의 어떠한 것도 아날로그-디지털 변환기 스테이지 이후에 지털 방식으로 구현되거나 또는 날로그-디지털 변환기 스테이지 이전에 아날로그 방식으로 구현될 수 있다.
또한, 전술한 내용은 기계 부재(105)의 변위에 의해 야기된 저항성-유도성-용량성 센서(402)에서의 저항 및 인덕턴스의 변화를 측정하는 것을 고려하고 있지만, 다른 실시 예들은 기계 부재(105)의 변위에 기초한 임피던스의 임의의 변화가 변위를 감지하는 데 사용될 수 있다는 원리에 기초하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 기계 부재(105)의 변위는 마치 기계 부재(105)가 커패시터(406)의 용량성 플레이트들 중 하나를 구현하는 금속 플레이트를 포함한 경우와 같이 저항성-유도성-용량성 센서(402)의 커패시턴스의 변화를 야기할 수 있다.
DSP(432)는 기계 부재(105)와 관련된 인간-기계 인터페이스와 연관된 물리적 상호 작용이 발생했는지 및/또는 발생하는 것을 중단했는지에 대한 이진 결정(binary determination)을 내리기 위해 위상 정보를 처리할 수 있지만, 일부 실시 예들에서 DSP(432)는 예를 들어, 상이한 유형들의 물리적 상호 작용들(예를 들어, 가상 버튼의 짧은 눌림 대 가상 버튼의 긴 눌림)을 검출하기 위해 하나보다 많은 검출 임계 값으로 기계 부재(105)의 변위의 지속 시간을 정량화할 수 있다. 이들 및 다른 실시 예들에서, DSP(432)는 예를 들어 상이한 유형들의 물리적 상호 작용들(예를 들어, 가상 버튼의 가볍게 눌림 대 가상 버튼의 빠르고 세게 눌림)을 검출하기 위해 하나보다 많은 검출 임계 값으로 변위의 크기를 정량화할 수 있다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 둘 이상의 요소들이 서로 "결합된” 것으로 언급될 때, 그러한 용어는 그러한 둘 이상의 요소들이 간접적으로 또는 직접적으로 또는 개재 요소들의 여부와 상관없이 적용 가능한 것으로서 전자 통신 또는 기계적 통신 상태에 있음을 나타낸다.
본 개시 내용은 당업자가 이해할 수 있는 본 명세서의 예시적인 실시예에 대한 모든 변화, 대체, 변형, 변경, 및 수정을 망라한다. 유사하게, 바람직한 것으로서, 첨부된 청구범위는 당업자가 이해할 수 있는 본 명세서의 예시적인 실시예에 대한 모든 변화, 대체, 변형, 변경, 및 수정을 망라한다. 또한, 특정 기능을 수행하도록 적응되거나, 배열되거나, 할 수 있거나, 구성되거나, 할 수 있게 되거나, 동작 가능하거나, 또는 동작하는 장치 또는 시스템, 또는 장치 또는 시스템의 구성요소에 대한 첨부된 청구범위에서의 참조는, 그 장치, 시스템, 또는 구성성분이 적응되고, 배열되고, 할 수 있고, 구성되고, 할 수 있게 되고, 동작 가능하고, 동작하는 한, 그 장치, 시스템, 또는 구성성분, 또는 그 특정 기능이 활성화되거나, 턴 온되거나, 또는 잠금해제되는 것과는 무관하게 그 장치, 시스템, 또는 구성요소를 망라한다. 따라서, 수정들, 부가들, 또는 생략들이 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 여기에서 설명된 시스템들, 장치들, 및 방법들에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 시스템들 및 장치들의 구성요소들은 통합되거나 또는 분리될 수 있다. 게다가, 여기에서 개시된 시스템들 및 장치들의 동작들은 더 많은, 더 적은, 또는 다른 구성요소들에 의해 수행될 수 있으며 설명된 방법들은 더 많은, 더 적은, 또는 다른 단계들을 포함할 수 있다. 부가적으로, 단계들은 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본 문서에서 사용된 바와 같이, "각각"은 세트의 각각의 멤버 또는 세트의 서브세트의 각각의 멤버를 지칭한다.
대표적인 실시예들이 도면들에서 예시되고 아래에 설명되었지만, 본 개시의 원리들은 현재 알려져 있는지에 관계없이, 임의의 기술들을 사용하여 구현될 수 있다. 본 개시는 결코 도면들에 예시되고 상기 설명된 대표적인 구현예들 및 기술들에 제한되지 않아야 한다.
달리 구체적으로 주지되지 않는다면, 도면들에서 묘사된 부품들은 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니다.
본 명세서에 나열된 모든 예들 및 조건부 표현은 독자가 본 개시 내용과 기술을 발전시키기 위해 발명자에 의해 기여된 개념을 이해하는 데 도움이 되도록 교수적인 목적으로 의도된 것이며, 그와 같이 특정하게 인용된 예들 및 조건들에 대한 제한은 없는 것으로 해석된다. 본 개시 내용의 실시예들이 상세히 설명되었지만, 본 개시 내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
특정 이점들이 위에서 열거되었지만, 다양한 실시예들은 열거된 이점들 중 일부, 또는 모두를 포함하거나, 또는 포함하지 않을 수 있다. 부가적으로, 다른 기술적 이점들은 앞서 말한 도면들 및 설명의 검토 후 이 기술분야의 통상의 기술자에게 쉽게 명백해질 것이다.
여기에 첨부된 청구항들을 해석하는 데 있어 본 출원에 대해 발행된 임의의 특허의 임의의 독자들 및 특허청을 돕기 위해, 출원인들은 단어들("~하기 위한 수단" 또는 "~하기 위한 단계")이 특정한 청구항에서 명시적으로 사용되지 않는다면 첨부된 청구항들 또는 청구항 요소들 중 어떠한 것도 35 U.S.C §112(f)를 적용하도록 의도하지 않는다는 것을 주목하길 원한다.

Claims (38)

  1. 시스템으로서,
    저항성-유도성-용량성 센서;
    구동 주파수에서 구동 신호로 상기 저항성-유도성-용량성 센서를 구동하도록 구성된 구동기;
    상기 저항성-유도성-용량성 센서에 통신 가능하게 결합된 측정 회로로서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 측정하고,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 대한 기계 부재(mechanical member)의 변위를 결정하도록 구성되는, 상기 측정 회로를 포함하며,
    상기 위상 정보는 상기 구동 신호의 위상에 대한 것이고,
    상기 기계 부재의 변위는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스 변화를 야기하는, 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한 상기 위상 정보에 기초하여 상기 기계 부재와 관련된 인간-기계 인터페이스와 관련된 물리적 상호 작용의 발생을 결정하도록 구성되는, 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 물리적 상호 작용은 상기 시스템의 사용자에 의한 가상 인터페이스의 눌림(pressing) 또는 상기 시스템의 사용자에 의한 가상 인터페이스의 눌림해제(releasing) 중 하나를 포함하는, 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 회로는 코히어런트 입사/직각 위상 검출기(coherent incident/quadrature detector)를 포함하고, 상기 측정 회로는 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기를 사용하여 상기 위상 정보를 측정하도록 구성되는, 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 구동 주파수는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 공진 주파수에 기초하여 선택되는, 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 위상 정보와 관련된 위상 시프트 및 상기 구동 주파수 중 하나 이상을 수정함으로써 상기 시스템의 동작 파라미터들의 변화들을 추적하는 제어 루프를 더 포함하는, 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어 루프는 피드포워드 제어 루프 구성 요소 및 피드백 제어 루프 구성 요소 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한:
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 진폭 정보를 측정하고;
    상기 진폭 정보 및 상기 위상 정보에 기초하여, 상기 동작 파라미터들에서의 변화들을 결정하도록 구성되는, 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 입사 채널(incident channel)의 출력에 결합된 제 1 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 직각 위상 채널(quadrature channel)의 출력에 결합된 제 2 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하고,
    그에 따라 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기가 아날로그 신호 도메인에서 작동하는, 시스템.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 입사 채널 사이에 인터페이스되는 제 1 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 직각 위상 채널 사이에 인터페이스되는 제 2 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하고,
    그에 따라 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기가 디지털 신호 도메인에서 작동하는, 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서는 저항성 소자, 용량성 소자, 및 유도성 소자를 포함하고;
    상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 하나의 소자는 상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 적어도 하나의 다른 소자와 직렬인, 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서는 저항성 소자, 용량성 소자, 및 유도성 소자를 포함하고;
    상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 하나의 소자는 상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 적어도 하나의 다른 소자와 병렬인, 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제 2 저항성-유도성-용량성 센서를 더 포함하고,
    상기 구동기는 상기 저항성-유도성-용량성 센서 및 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서를 상기 구동 주파수에서 동시에 구동하도록 구성되는, 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    제 2 저항성-유도성-용량성 센서; 및
    시분할 다중화 제어 서브 시스템을 더 포함하고, 상기 시분할 다중화 제어 서브 시스템은:
    상기 구동기에 의해 상기 저항성-유도성-용량성 센서 및 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서를 시분할 다중 구동하고;
    상기 측정 회로에 의해 상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 시분할 다중 측정하고, 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 측정하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서가 상기 구동기에 의해 구동되고 상기 측정 회로에 의해 측정되도록 하기 위해 상기 시분할 다중화 제어 서브 시스템에 의해 선택될 때, 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서는 낮은 임피던스 상태에 놓이게 되고;
    상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서가 상기 구동기에 의해 구동되고 상기 측정 회로에 의해 측정되도록 하기 위해 상기 시분할 다중화 제어 서브 시스템에 의해 선택될 때, 상기 저항성-유도성-용량성 센서는 낮은 임피던스 상태에 놓이게 되는, 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한 하나보다 많은 검출 임계 값으로 상기 변위의 지속 시간을 정량화하도록 구성되는, 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한 하나보다 많은 검출 임계 값으로 상기 변위의 크기를 정량화하도록 구성되는, 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 회로는 작동 시에 듀티-사이클(duty-cycle)되도록 구성되어,
    상기 측정 회로의 사이클의 제 1 부분 동안 상기 측정 회로는 저전력 모드에 있고,
    상기 측정 회로의 사이클의 제 2 부분 동안 상기 측정 회로는 상기 측정 회로가 상기 저전력 모드에서보다 더 많은 전력을 소비하는 고전력 모드에 있게 되며, 상기 측정 회로는 상기 제 2 부분 동안 상기 위상 정보의 측정 및 상기 변위의 결정을 수행하는, 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 기계 부재는 금속 플레이트를 포함하는, 시스템.
  20. 방법으로서,
    구동 주파수에서 구동기에 의해 구동 신호로 구동되는 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를, 시스템의 측정 회로에 의해, 측정하는 단계로서, 상기 위상 정보는 상기 구동 신호의 위상에 대한 것인, 상기 측정 단계; 및
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 저항성-유도성-용량성 센서에 대한 기계 부재의 변위를, 시스템의 측정 회로에 의해, 결정하는 단계로서, 상기 기계 부재의 변위는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 임피던스 변화를 야기하는, 상기 결정 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한 상기 위상 정보에 기초하여 상기 기계 부재와 관련된 인간-기계 인터페이스와 관련된 물리적 상호 작용의 발생을 결정하도록 구성되는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 물리적 상호 작용은 상기 시스템의 사용자에 의한 가상 인터페이스의 눌림 또는 상기 시스템의 사용자에 의한 가상 인터페이스의 눌림해제 중 하나를 포함하는, 방법.
  23. 제 20 항에 있어서, 상기 측정 회로는 코히어런트 입사/직각 위상 검출기를 포함하고, 상기 측정 회로는 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기를 사용하여 상기 위상 정보를 측정하도록 구성되는, 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 구동 주파수는 상기 저항성-유도성-용량성 센서의 공진 주파수에 기초하여 선택되는, 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, 상기 위상 정보와 관련된 위상 시프트 및 상기 구동 주파수 중 하나 이상을 수정함으로써 상기 시스템의 동작 파라미터들의 변화들을 추적하는 제어 루프를 더 포함하는, 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 제어 루프는 피드포워드 제어 루프 구성 요소 및 피드백 제어 루프 구성 요소 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한:
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 진폭 정보를 측정하고;
    상기 진폭 정보 및 상기 위상 정보에 기초하여, 상기 동작 파라미터들에서의 변화들을 결정하도록 구성되는, 방법.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 입사 채널의 출력에 결합된 제 1 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 직각 위상 채널의 출력에 결합된 제 2 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하여,
    그에 따라 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기가 아날로그 신호 도메인에서 작동하는, 방법.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 입사 채널 사이에 인터페이스되는 제 1 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 저항성-유도성-용량성 센서와 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기의 직각 위상 채널 사이에 인터페이스되는 제 2 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하여,
    그에 따라 상기 코히어런트 입사/직각 위상 검출기가 디지털 신호 도메인에서 작동하는, 방법.
  30. 제 20 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서는 저항성 소자, 용량성 소자, 및 유도성 소자를 포함하고;
    상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 하나의 소자는 상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 적어도 하나의 다른 소자와 직렬인, 방법.
  31. 제 20 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서는 저항성 소자, 용량성 소자, 및 유도성 소자를 포함하고;
    상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 하나의 소자는 상기 저항성 소자, 상기 용량성 소자, 및 상기 유도성 소자 중 적어도 하나의 다른 소자와 병렬인, 방법.
  32. 제 20 항에 있어서,
    제 2 저항성-유도성-용량성 센서를 더 포함하고,
    상기 구동기는 상기 저항성-유도성-용량성 센서 및 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서를 상기 구동 주파수에서 동시에 구동하도록 구성되는, 방법.
  33. 제 20 항에 있어서,
    제 2 저항성-유도성-용량성 센서; 및
    시분할 다중화 제어 서브 시스템을 더 포함하고, 상기 시분할 다중화 제어 서브 시스템은:
    상기 구동기에 의해 상기 저항성-유도성-용량성 센서 및 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서를 시분할 다중 구동하고;
    상기 측정 회로에 의해 상기 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 시분할 다중 측정하고, 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서와 관련된 위상 정보를 측정하도록 구성되는, 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 저항성-유도성-용량성 센서가 상기 구동기에 의해 구동되고 상기 측정 회로에 의해 측정되도록 하기 위해 상기 시분할 다중화 제어 서브 시스템에 의해 선택될 때, 상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서는 낮은 임피던스 상태에 놓이게 되고;
    상기 제 2 저항성-유도성-용량성 센서가 상기 구동기에 의해 구동되고 상기 측정 회로에 의해 측정되도록 하기 위해 상기 시분할 다중화 제어 서브 시스템에 의해 선택될 때, 상기 저항성-유도성-용량성 센서는 낮은 임피던스 상태에 놓이게 되는, 방법.
  35. 제 20 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한 하나보다 많은 검출 임계 값으로 상기 변위의 지속 시간을 정량화하도록 구성되는, 방법.
  36. 제 20 항에 있어서, 상기 측정 회로는 또한 하나보다 많은 검출 임계 값으로 상기 변위의 크기를 정량화하도록 구성되는, 방법.
  37. 제 20 항에 있어서,
    상기 측정 회로는 작동 시에 듀티-사이클되도록 구성되어,
    상기 측정 회로의 사이클의 제 1 부분 동안 상기 측정 회로는 저전력 모드에 있고,
    상기 측정 회로의 사이클의 제 2 부분 동안 상기 측정 회로는 상기 측정 회로가 상기 저전력 모드에서보다 더 많은 전력을 소비하는 고전력 모드에 있게 되며, 상기 측정 회로는 상기 제 2 부분 동안 상기 위상 정보의 측정 및 상기 변위의 결정을 수행하는, 방법.
  38. 제 20 항에 있어서, 상기 기계 부재는 금속 플레이트를 포함하는, 방법.
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