KR102562869B1 - 트랜스듀서 역학을 개선하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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엠마누엘 마르케스
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Abstract

시스템은 원시 파형 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기, 및 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하는 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하도록 구성되고 또한 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성된 모델링 서브시스템으로서, 원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고 상기 파형 신호를 상기 전자기 부하에 적용함으로써 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성되는, 상기 모델링 서브시스템을 포함할 수 있다.

Description

트랜스듀서 역학을 개선하기 위한 방법 및 시스템
본 개시는 일반적으로 트랜스듀서, 예를 들어 햅틱 트랜스듀서의 역학(dynamics)을 개선하는 것에 관한 것이다.
선형 공진 액추에이터(Linear Resonant Actuator)(LRA)와 같은 진동 햅틱 트랜스듀서는 사용자에게 진동 피드백을 생성하기 위해 모바일 폰과 같은 휴대용 디바이스들에 널리 사용된다. 다양한 형태들의 진동 햅틱 피드백은 사용자의 피부에 상이한 촉각들을 생성하고, 최신 디바이스들에 대한 인간-기계 상호작용들에서 점점 더 많은 역할들을 할 수 있다.
LRA는 질량-스프링 전기-기계 진동 시스템(mass-spring electro-mechanical vibration system)으로 모델링될 수 있다. 적절하게 설계되거나 제어된 구동 신호들로 구동될 때, LRA는 원하는 특정 형태들의 진동들을 생성할 수 있다. 예를 들어, 사용자 손가락에 대한 날카롭고 뚜렷한 진동 패턴은 기계적인 버튼 클릭을 모방하는 감각을 생성하는 데 사용될 수 있다. 그에 따라, 이러한 뚜렷한 진동은 기계식 버튼을 대체하는 가상 스위치로서 사용될 수 있다.
도 1은 디바이스(100)의 진동 햅틱 시스템의 예를 도시한다. 디바이스(100)는 증폭기(102)에 인가되는 신호를 제어하도록 구성된 컨트롤러(101)를 포함할 수 있다. 그래서, 증폭기(102)는 이러한 신호에 기초하여 햅틱 트랜스듀서(103)를 구동할 수 있다. 컨트롤러(101)는 이러한 신호를 출력하기 위해 트리거에 의해 트리거될 수 있다. 트리거는 예를 들어 디바이스(100)의 스크린 또는 가상 버튼 상의 압력 또는 힘 센서를 포함할 수 있다.
진동 햅틱 피드백의 다양한 형태들 중에서 지속적인 지속시간의 음조 진동(tonal vibrations)은, 수신 전화 또는 메시지, 비상 경보, 및 타이머 경고 등과 같은 특정의 미리 정의된 이벤트들을 디바이스의 사용자에게 알리는 중요한 역할을 할 수 있다. 음조 진동 알림을 효율적으로 생성하기 위해, 햅틱 액츄에이터를 그 공진 주파수에서 작동시키는 것이 바람직할 수 있다.
햅틱 트랜스듀서의 공진 주파수 f0는 대략 다음과 같이 추정될 수 있다:
여기서 C는 스프링 시스템의 컴플라이언스이고, M은 등가 이동 질량(equivalent moving mass)으로, 이는 햅틱 트랜스듀서의 실제 이동 부분과 햅틱 트랜스듀서를 들고 있는 휴대용 디바이스의 질량 양쪽 모두에 기초하여 결정될 수 있다.
개별 햅틱 트랜스듀서의 샘플 간 편차, 모바일 디바이스 어셈블리 편차, 노화로 인한 시간적 구성요소 변화, 및 사용자가 디바이스를 잡는 다양한 상이한 강도들과 햅틱 트랜스듀서의 진동 공진과 같은 사용 조건들은 시간에 따라 변화할 수 있다.
도 2a는 선형 시스템으로 모델링된 선형 공진 액추에이터(LRA)의 예를 도시한다. LRA들은 예를 들어 적용되는 전압 레벨, 작동 온도, 및 작동 주파수에 따라 상이하게 동작할 수 있는 비선형 구성요소들이다. 그러나 이러한 구성요소들은 특정 조건들 내에서 선형 구성요소들로 모델링될 수 있다.
도 2b는 LRA의 질량-스프링 시스템(mass-spring system)(201)의 전기적 등가 모델을 포함하는 선형 시스템으로 모델링된 LRA의 예를 도시한다. 이 예에서, LRA는 전기 및 기계 요소들을 갖는 3차 시스템으로 모델링된다. 특히, Re 및 Le는 각각 코일-자석 시스템의 DC 저항 및 코일 인덕턴스이고, Bl은 코일의 자기력 인자이다. 구동 증폭기는 출력 임피던스 Ro로 전압 파형 V(t)를 출력한다. 단자 전압 VT(t)는 햅틱 트랜스듀서의 단자들에 걸쳐 감지될 수 있다. 질량 스프링 시스템(201)은 속도 u(t)로 움직인다.
LRA와 같은 전자기 부하는 코일 임피던스 Zcoil과 기계적 임피던스 Zmech의 합으로 보이는 바와 같이 임피던스 ZLRA로 특징될 수 있다:
코일 임피던스 Zcoil은 인덕턴스 Le와 직렬로 직류(DC) 저항 Re를 포함할 수 있다.
기계적 임피던스 Zmech은 햅틱 트랜스듀서의 질량-스프링 시스템의 기계적 마찰을 나타내는 전기 저항을 나타내는 공진 RRES에서의 저항, 햅틱 트랜스듀서의 질량-스프링 시스템의 등가 이동 질량 M을 나타내는 전기 커패시턴스를 나타내는 커패시턴스 CMES, 및 햅틱 트랜스듀서의 질량-스프링 시스템의 컴플라이언스 C를 나타내는 인덕턴스 LCES를 포함하는 세 가지 파라미터들에 의해 정의될 수 있다. 총 기계적 임피던스의 전기적 등가는 RRES, CMES, 및 LCES의 병렬 연결이다. 이러한 병렬 연결의 라플라스 변환은 다음과 같이 기술된다:
햅틱 트랜스듀서의 공진 주파수 fO는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
LRA의 품질 인자 Q는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
수식 (6)을 참조하면, 그 표현이 저항들 Re 및 RRES(즉,)의 병렬 연결을 기술하는 하위 표현식을 수반하는 것이 직관적이지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 도 2b에서는 이러한 저항들은 직렬 연결로 도시되어 있다. 그러나, 구동 전압 Ve가 진동(oscillating)하다가 갑자기 꺼지고 0이 되는 경우가 있다. 도 2b에 도시된 전압 증폭기는 낮은 소스 임피던스, 이상적으로는 제로 소스 임피던스를 갖는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 조건들 하에서, 구동 전압 Ve가 0이 되면, 전압 증폭기는 효과적으로 회로에서 사라진다. 그 지점에서, 도 2b에서 저항 Re의 최상단 단자는 저항 RRES의 최하단 단자와 같이 접지되고, 따라서 저항들 Re 및 RRES는 수식(6)에 반영된 바와 같이 실제로 병렬로 연결된다.
LRA 또는 마이크로스피커와 같은 전자기 트랜스듀서들은 늦은 응답 시간을 가질 수 있다. 도 3은 LRA에 대한 예시적인 구동 신호, LRA를 통한 전류, 및 LRA의 역기전력(역 EMF)을 나타내는 LRA의 예시적인 응답의 그래프이며, 여기서 이러한 역 EMF는 트랜스듀서의 움직이는 요소(예를 들어, 코일 또는 자석)의 속도에 비례할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 역 EMF의 어택 타임(attack time)은 에너지가 LRA로 전달됨에 따라 느려질 수 있으며, LRA에 저장된 기계적 에너지가 방출됨에 따라 구동 신호가 종료된 후 역 EMF의 일부 "링잉(ringing)"이 발생할 수 있다. 햅틱 LRA의 맥락에서, 이러한 행동 특성은 "크리스프(crisp)" 촉각 응답 대신 "머시(mushy)" 느낌의 클릭 또는 펄스를 유발할 수 있다. 따라서, LRA가 대신에 도 4에 도시된 것과 유사한 응답을 갖는 것이 바람직할 수 있으며, 여기서 구동 신호가 종료된 후 최소의 링잉이 존재하고, 이는 햅틱 컨텍스트에서 더욱 "크리스프" 촉각 응답을 제공할 수 있다. 따라서, 처리된 구동 신호가 트랜스듀서에 인가될 때 트랜스듀서의 속도 또는 역 EMF가 도 4의 것에 더욱 가깝게 근접하도록 구동 신호에 대해 프로세싱을 적용하는 것이 바람직할 수 있다.
본 개시의 교시들에 따라, 전자기 부하의 바람직하지 않은 역학과 관련된 단점들과 문제점들이 감소되거나 제거될 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따라, 시스템은 원시 파형 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기, 및 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하는 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하도록 구성되고 또한 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성된 모델링 서브시스템으로서, 원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고 상기 파형 신호를 상기 전자기 부하에 적용함으로써 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성되는, 상기 모델링 서브시스템을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따라 제공되는 시스템에서, 이산 시간 모델은 시스템의 동작 동안 하나 이상의 파라미터들의 실시간 추정에 기초하여 결정된 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초할 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따라 제공되는 시스템에서, 실시간 추정은 적어도 파형 신호의 과도 상태의 시작과 파형 신호의 과도 상태의 끝의 광대역 콘텐트에 기초하여 수행될 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따라 제공되는 시스템에서, 모델링 서브시스템은 원하는 특성을 달성하기 위해 실시간 추정을 주기적으로 업데이트하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라, 방법은 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하는 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하는 단계, 및 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 원시 파형 신호를 수정하는 단계로서, 원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고 상기 파형 신호를 상기 전자기 부하에 적용함으로써 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라 제공되는 방법에서, 이산 시간 모델은 시스템의 동작 동안 하나 이상의 파라미터들의 실시간 추정에 기초하여 결정된 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초할 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라 제공되는 방법에서, 실시간 추정은 적어도 파형 신호의 과도 상태의 시작과 파형 신호의 과도 상태의 끝의 광대역 콘텐트에 기초하여 수행될 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라 제공되는 방법에서, 원하는 특성을 달성하기 위해 실시간 추정을 주기적으로 업데이트하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라, 호스트 디바이스는 전자기 부하, 원시 파형 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기, 및 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하는 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하도록 구성되고 또한 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성된 모델링 서브시스템으로서, 원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고 상기 파형 신호를 상기 전자기 부하에 적용함으로써 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성되는, 상기 모델링 서브시스템을 포함할 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라 제공되는 호스트 디바이스에서, 이산 시간 모델은 시스템의 동작 동안 하나 이상의 파라미터들의 실시간 추정에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초할 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라 제공되는 호스트 디바이스에서, 실시간 추정은 적어도 파형 신호의 과도 상태의 시작과 파형 신호의 과도 상태의 끝의 광대역 콘텐트에 기초하여 수행될 수 있다.
본 개시의 이들 및 다른 실시예들에 따라 제공되는 호스트 디바이스에서, 모델링 서브시스템은 원하는 특성을 달성하기 위해 실시간 추정을 주기적으로 업데이트하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 기술적 이점들은 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 얻어 질 수 있으며, 여기에서 유사한 참조 번호들은 유사한 특징들을 나타낸다.
도 1은 본 기술 분야에 알려진 바와 같은 디바이스의 진동 햅틱 시스템의 예를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 기술 분야에 알려진 바와 같은 선형 시스템으로 모델링된 선형 공진 액추에이터(LRA)의 예를 도시한다.
도 3은 본 기술 분야에 알려진 바와 같은 전자기 부하의 예시적인 파형의 그래프를 도시한다.
도 4는 본 개시의 실시예들에 따른, 전자기 부하의 바람직한 예시적인 파형들의 그래프를 도시한다.
도 5는 본 개시의 실시예들에 따른, 트랜스듀서 역학을 개선하기 위한 예시적인 시스템을 도시한다.
도 6은 본 개시의 실시예들에 따른, 선형 시스템으로서 모델링되고 네거티브 저항을 포함하는 선형 공진 액추에이터(LRA)의 예를 도시한다.
아래의 설명은 본 개시에 따른 예시적인 실시예를 설명한다. 추가의 예시적인 실시들예 및 구현들은 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게 명백할 것이다. 또한, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들은 다양한 등가 기술들이 아래에서 논의되는 실시예들 대신에 또는 이와 함께 적용될 수 있으며, 이러한 모든 등가물은 본 개시에 포함되는 것으로 간주되어야 함을 인식할 것이다.
다양한 전자 디바이스들 또는 스마트 디바이스들은 트랜스듀서, 스피커, 및 음향 출력 트랜스듀서, 예를 들어 적절한 전기 구동 신호를 음압파 또는 기계적 진동과 같은 음향 출력으로 변환하기 위한 임의의 트랜스듀서를 가질 수 있다. 예를 들어, 많은 전자 디바이스들은 예를 들어 오디오 콘텐트의 재생, 음성 통신 및/또는 가청 알림을 제공하기 위한 사운드 생성을 위해 이상의 스피커들 또는 라우드스피커들을 포함할 수 있다.
이러한 스피커들 또는 라우드스피커들은 예를 들어 보이스 코일 모터와 같은 전자기 액추에이터를 포함할 수 있으며, 이는 가요성 다이어프램 예를 들어 통상의 라우드스피커 콘에 기계적으로 결합되거나 예를 들어 모바일 디바이스의 유리 스크린과 같은 디바이스의 표면에 기계적으로 결합된다. 일부 전자 디바이스들은 또한 예를 들어 근접 검출 유형 애플리케이션 및/또는 기계 간 통신에 사용하기 위해 초음파들을 생성할 수 있는 음향 출력 트랜스듀서들을 포함할 수 있다.
많은 전자 디바이스들은 추가적으로 또는 대안적으로, 사용자에 대한 햅틱 제어 피드백 또는 알림을 위한 진동들을 생성하도록 맞춤화된(tailored) 보다 특수화된 음향 출력 트랜스듀서들, 예를 들어 햅틱 트랜스듀서들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전자 디바이스는 액세서리 장치의 대응하는 커넥터와 제거 가능한 메이팅 연결을 만들기 위한 커넥터, 예를 들어 소켓을 가질 수 있고, 연결될 때 액세서리 장치의 위에서 언급한 유형들 중 하나 이상의 유형의 트랜스듀서를 구동하기 위해 커넥터에 구동 신호를 제공하도록 배열될 수 있다. 따라서, 그러한 전자 디바이스는 호스트 디바이스 또는 연결된 액세서리의 트랜스듀서를 적절한 구동 신호로 구동하기 위한 구동 회로를 포함할 것이다. 음향 또는 햅틱 트랜스듀서의 경우, 구동 신호는 일반적으로 아날로그 시변 전압 신호, 예를 들어 시변 파형일 것이다.
도 3에 예시된 문제는 트랜스듀서의 공진 주파수 f0에서 임피던스의 급격한 피크를 갖는 고품질 인자 Q를 갖는 트랜스듀서(301)에서 기인할 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시예들에 따른, 전자기 부하의 역학을 개선하기 위한 예시적인 시스템(300)을 도시한다. 일부 실시예들에서, 시스템(300)은 시스템(300) 및 햅틱 트랜스듀서(301)를 포함하는 호스트 디바이스에 통합될 수 있다. 이러한 디바이스는 제한 없이, 모바일 디바이스, 홈 애플리케이션, 차량, 및/또는 인간-기계 인터페이스를 포함하는 임의의 다른 시스템, 디바이스 또는 장치를 포함할 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 시스템(300)은 원시 트랜스듀서 구동 신호에 적용하도록 네거티브 임피던스 필터(326)를 구현할 수 있으며, 이는 트랜스듀서의 유효 품질 인자(effective quality factor) Q를 감소시킬 수 있으며, 이는 차례로 어택 타임을 감소시키고 원시 트랜스듀서 구동 신호가 종료된 후에 발생하는 링잉을 최소화할 수 있다. 트랜스듀서의 품질 인자 Q는 다음과 같이 표현될 수 있다:
수식 (7)에서, DC 저항 Re가 증가함에 따라 분자항 RRES*Re가 분모항 RRES+Re보다 더 빠르게 증가한다. 따라서 품질 인자 QLRA는 일반적으로 DC 저항 Re가 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 시스템(300)이 품질 인자 q를 최소화할 수 있는 한 가지 방법은 DC 저항 Re를 효과적으로 감소시키는 것이다. 일부 실시예들에서, 시스템(300)은 유효 DC 저항 Re를 트랜스듀서(301)에서 임계 감쇠(critical damping)가 발생하는 지점까지 이상적으로 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 개시의 실시예들에 따라, 전기적 구성요소들(602) 및 기계적 구성요소(604)들의 전기적 모델을 포함하고 햅틱 트랜스듀서(301)와 직렬로 삽입된 네거티브 임피던스 Re_neg를 갖는 네거티브 저항 저항기(606)를 포함하는 선형 시스템으로 모델링된 햅틱 트랜스듀서(301)의 예를 도시한다. 네거티브 임피던스 Re_neg를 추가하면 DC 저항 Re에서 효과적으로 빼서 전체 DC 전기 임피던스를 감소시키기 때문에 품질 인자 QLRA를 낮출 수 있다.
실제로는, 네거티브 저항은 존재하지 않는다. 대신에, 네거티브 임피던스 필터(326)는 햅틱 트랜스듀서(301)의 수학적 모델과 직렬로 네거티브 임피던스 Re_neg의 수학적 모델을 포함하여, 도 6에 도시된 회로와 실질적으로 유사하게 동작하도록 구성된 디지털 필터를 포함할 수 있다. 작동 시, 네거티브 임피던스 필터(326)는 만일 실제로 햅틱 트랜스듀서(301)와 직렬로 네거티브 임피던스 Re_neg를 갖는 물리적 저항기를 배치하는 것이 가능하다면 도 6에 도시된 바와 같이 네거티브 임피던스 Re_neg와 DC 저항 Re의 접합부에서 발생할 전압 Vm을 계산할 수 있다. 계산된 전압 Vm은 햅틱 트랜스듀서(301)를 구동하는 데 사용될 수 있다.
도 6의 조사로부터, 전압 Vm과 구동 전압 Ve 사이의 라플라스 변환 관계는 다음과 같이 주어질 수 있다:
수식 (8)은 사실상 주어진 입력 Ve에 대해 Vm을 출력하는 전압 분배기이다. 네거티브 임피던스 필터(326)는 전달 함수의 디지털 버전을 구현하는 디지털 필터일 수 있다:
펄스 발생기(322)에 의해 생성되고 시스템(300)의 네거티브 임피던스 필터(326)로 구동되는 원시 파형 신호 x'(t)는 도 6에 도시된 구동 전압 Ve의 디지털 표현에 대응할 수 있다. 네거티브 임피던스 필터(326)에 의해 생성된 파형 신호 x(t)는 차례로 전압 Vm에 대응할 수 있다. 전압 Vm은 증폭기(306)에 입력될 수 있고, 이는 차례로 햅틱 트랜스듀서(301)를 구동할 수 있다.
일부 실시예들에서, 네거티브 임피던스 Re_neg는 DC 저항 Re의 비율로 표시될 수 있다:
여기서 인자 Re_cancel은 0과 1 사이의 단위가 없는 값을 포함할 수 있고, 네거티브 임피던스 필터(326)에 의해 제거될 DC 저항 Re의 비율을 나타내는 것으로 선험적으로 선택될 수 있다.
네거티브 임피던스 필터(326)는 수식 (9)에 대응하는 전달 함수를 갖는 디지털 필터를 구현할 수 있다. 네거티브 임피던스 Re_neg가 수식(10)에 의해 주어진다고 가정하면, 디지털 필터로서 네거티브 임피던스 필터(326)의 구현은 트랜스듀서 임피던스 ZLRA, DC 저항 Re, 및 인자 Re_cancel에 대한 선험적 선택의 디지털 추정을 요구할 수 있다.
네거티브 임피던스 필터 전달 함수는 다음과 같이 표현되는 z 변환을 갖는 3차 디지털 필터일 수 있다:
네거티브 임피던스 필터(326)의 계수들 b0_nif, b1_nif, b2_nif, b3_nif, a1_nif, a2_nif, 및 a3_nif는 트랜스듀서 임피던스 ZLRA, DC 저항 Re, 및 인자 Re_cancel에 대한 정보를 구현할 수 있다.
햅틱 트랜스듀서 임피던스 ZLRA,의 파라미터들의 온라인 실시간 추정을 위한 예시적인 방법들 및 시스템들은 2019년 3월 29일에 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 62/826,388 및 이에 대한 우선권을 주장하는 모든 출원에 설명되어 있고, 이들 모두는 그 전체가 참고로 통합되어 있으며, 본 명세서에서 "추정 특허 출원(Estimating Patent Application)"으로 지칭될 수 있고, 그 전체가 참조에 의해 통합된다.
"추정 특허 출원"에서, 추정 문제를 한편으로는 코일 임피던스 Zcoil = Re + Le*s의 추정치와 다른 한편으로는 기계적 임피던스 Zmech의 추정치로 분리하는 방법이 설명되어 있다. 특히, 기계적 임피던스 Zmech의 전기적 등가물은 3차 햅틱 트랜스듀서 임피던스 ZLRA를 결정하기 위해 코일 임피던스 Zcoil과 직렬로 배치되는 2차 시스템으로서 최소 제곱 추정을 사용하여 추정될 수 있다. "추정 특허 출원"에서 2차 기계적 임피던스 Zmech는 3개의 최소 제곱 파라미터 추정치들: g, a1, 및 a2로부터 추정될 수 있다. 전체 햅틱 트랜스듀서 임피던스 ZLRA는 이러한 세 가지 파라미터들 플러스 별도로 추정된 DC 코일 저항 Re 및 코일 인덕턴스 Le로부터 추정될 수 있다.
는 전류를 입력으로 취하고 전압을 출력으로 생성하는 필터를 설명할 수 있는 전달 함수이다. 그러나, 입력으로서 Ve(z) = VLRA(z)을 취하고 출력으로서 전압 Vm(z)을 생성하는 전압 분배기를 기술하는 네거티브 임피던스 필터(326)에 대한 파라미터들 b0_nif, b1_nif, b2_nif, b3_nif, a1_nif, a2_nif, 및 a3_nif를 찾는 것이 바람직할 수 있다. 위의 수식 (9) 및 별도로 추정된 DC 코일 저항 Re에 대한 지식을 사용하여(예를 들어, 코일 인덕턴스 Le가 실험실 측정(laboratory measurements) 또는 다른 수단에 의해 고정되고 선험적으로 추정될 수 있다고 가정할 수 있음), 네거티브 임피던스 필터(326)에 대한 표현들이 제공될 수 있다. "추정 특허 출원"의 g, a1, a2 및 Re를 수반하는 햅틱 트랜스듀서 임피던스 ZLRA에 대한 표현식을 위의 수식 (9)에 대입하고 연속 시간으로부터 이산(디지털) 시간으로 변환하기 위해 쌍선형 변환(Bilinear Transform)을 적용하면, 파라미터들 b0_nif, b1_nif, b2_nif, b3_nif, a1_nif, a2_nif, 및 a3_nif에 대한 표현들이 네거티브 임피던스 필터(326)에 대해 유도될 수 있다. 인덕턴스 Le_nrm 및 임피던스 Zfb는 다음과 같이 정의될 수 있다:
네거티브 임피던스 필터(326)에 대한 비정규화 계수들은 다음과 같이 정의될 수 있다:
및
이들 표현 모두는 네거티브 임피던스 필터(326)의 최종 파라미터 계수들 b0_nif, b1_nif, b2_nif, b3_nif, a1_nif, a2_nif, 및 a3_nif에 도달하기 위해 위의 계수들을 a0_nif로 나눔으로써 더 정규화될 수 있다.
네거티브 임피던스 필터(326)의 전달 함수는 다음과 같이 표현되는 z-변환을 갖는 3차 디지털 필터일 수 있다:
여기서 네거티브 임피던스 필터(326)의 계수들 b0_nif, b1_nif, b2_nif, b3_nif, a1_nif, a2_nif, 및 a3_nif는 트랜스듀서 임피던스 ZLRA, DC 저항 Re, 및 계수 Re_cancel에 대한 정보를 구현한다.
일부 실시예들에서, 전기적 및 전기적 등가 트랜스듀서 파라미터들 Re, Le, RRES, CMES, LCES의 지식은 오프라인으로 획득될 수 있다. 이러한 지식은 트랜스듀서 디바이스의 실험실 측정 및/또는 트랜스듀서 제조업체에서 게시한 데이터에서 비롯될 수 있다.
수식 (9)에 주어진 네거티브 임피던스 필터(326) 함수의 전달 함수에 대한 표현은 s-도메인 라플라스 변환의 형태이다. 이러한 표현은 쌍선형 변환(Bilinear Transform), 임펄스 불변 변환(Impulse Invariant Transform) 등과 같은 임의의 여러 표준 기술들을 사용하여 디지털 z-변환으로 변환될 수 있다.
트랜스듀서 임피던스 ZLRA에 대한 수식 (2) 및 네거티브 저항 Re_neg에 대해 수식 (10)을 수식 (9)에 대입함으로써, 네거티브 임피던스 필터(326)의 전달 함수는 다음과 같이 표현될 수 있다.
또한, Zcoil(s)에 대한 수식 (3) 및 Zmech(s)에 대한 수식 (4)를 대입하면 다음이 제공된다:
따라서 수식 (13)은 전기적 및 전기적 등가 파라미터들 Re, Le, RRES, CMES, LCES 및 인자 Re_cancel의 항들에서 네거티브 임피던스 필터(326)의 전달 함수 ZNIF(s)의 라플라스 변환에 대한 표현을 제공할 수 있다. 쌍선형 변환을 사용하여 수식 (14)를 디지털 필터 z-변환으로 변환하기 위해 라플라스 변수 s는 다음에 따라 대체될 수 있다:
수식 (15)를 수식 (14)에 대입하여 단순화하면, 디지털 z-변환 ZNIF(z)에 대한 수식은 수식 (12)의 형태로 얻어지며, 여기서 계수들 b0_nif, b1_nif, b2_nif, b3_nif, a1_nif, a2_nif, 및 a3_nif는, 다음에 따라 Re, Le, RRES, CMES, LCES 및 인자 Re_cancel의 항들로 표현된다:
파라미터들 Re, Le, RRES, CMES, LCES 및 인자 Re_cancel이 오프라인으로 획득되는 실시예들에서, 위의 표현들은 네거티브 임피던스 필터(326)에 대한 계수들을 계산하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 내용이 선형 전자기 부하에 대한 적용에 대해 논의했지만, 개시된 것들과 유사하거나 동일한 시스템들 및 방법들이 다른 선형 또는 비선형 시스템들에 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 전술한 내용이 LRA의 모델을 구현하기 위해 네거티브 저항 필터를 사용하는 것을 고려하고 있지만, 일부 실시예들에서는 모델 대신에 LRA와 수학적 등가물이 사용될 수 있다.
따라서, 위에서 설명된 시스템들 및 방법들을 사용하여, 시스템(예를 들어, 시스템(300))은 원시 파형 신호(예를 들어, 원시 파형 신호 x'(t))를 생성하도록 구성된 신호 생성기(예를 들어, 펄스 생성기(322)), 및 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하는 전자기 부하(예를 들어, 햅틱 트랜스듀서(301))의 이산 시간 모델(예를 들어, 도 6에 도시된 모델)을 구현하도록 구성되고 또한 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호(예를 들어, 파형 신호 x(t))를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성된 모델링 서브시스템(네거티브 임피던스 필터(326))으로서, (예를 들어, 네거티브 저항(606)을 적용하여) 원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고 상기 파형 신호를 상기 전자기 부하에 적용함으로써 상기 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성된, 상기 모델링 서브시스템을 포함할 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 개시는 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 개시의 실시예들이 상세히 설명되었지만, 본 개시의 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 (21)

  1. 시스템으로서:
    원시 파형 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기; 및
    물리적 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하도록 구성되는 모델링 서브시스템을 포함하고, 상기 이산 시간 모델은 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하고, 상기 모델링 서브시스템은,
    원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고,
    상기 물리적 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고,
    상기 파형 신호를 상기 물리적 전자기 부하에 적용함으로써,
    상기 물리적 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성되는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물리적 전자기 부하는 햅틱 트랜스듀서인, 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이산 시간 모델은 실험실 시뮬레이션(laboratory simulation)에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이산 시간 모델은 상기 시스템의 동작 동안 하나 이상의 파라미터들의 실시간 추정에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 실시간 추정은 적어도 상기 파형 신호의 과도 상태의 시작과 상기 파형 신호의 과도 상태의 끝의 광대역 콘텐트에 기초하여 수행되는, 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 모델링 서브시스템은 원하는 특성을 달성하기 위해 실시간 추정을 주기적으로 업데이트하도록 구성되는, 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 원하는 특성은 가상 트랜스듀서의 원하는 임피던스인, 시스템.
  8. 방법으로서:
    가상 전자기 부하를 에뮬레이트하는 물리적 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하는 단계; 및
    원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고,
    상기 물리적 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 원시 파형 신호에 적용하고,
    상기 파형 신호를 상기 물리적 전자기 부하에 적용함으로써,
    상기 물리적 전자기 부하를 구동하기 위한 상기 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 물리적 전자기 부하는 햅틱 트랜스듀서인, 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 이산 시간 모델은 실험실 시뮬레이션에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초하는, 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 이산 시간 모델은 시스템의 동작 동안 하나 이상의 파라미터들의 실시간 추정에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 실시간 추정은 적어도 상기 파형 신호의 과도 상태의 시작과 상기 파형 신호의 과도 상태의 끝의 광대역 콘텐트에 기초하여 수행되는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 원하는 특성을 달성하기 위해 실시간 추정을 주기적으로 업데이트하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 원하는 특성은 가상 트랜스듀서의 원하는 임피던스인, 방법.
  15. 호스트 디바이스로서:
    물리적 전자기 부하;
    원시 파형 신호를 생성하도록 구성된 신호 생성기; 및
    상기 물리적 전자기 부하의 이산 시간 모델을 구현하도록 구성되는 모델링 서브시스템을 포함하고, 상기 이산 시간 모델은 가상 전자기 부하를 에뮬레이트하고, 상기 모델링 서브시스템은,
    원하는 특성을 갖도록 상기 가상 전자기 부하를 수정하고,
    상기 물리적 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하도록 상기 이산 시간 모델을 상기 원시 파형 신호에 적용하고,
    상기 파형 신호를 상기 물리적 전자기 부하에 적용함으로써,
    상기 물리적 전자기 부하를 구동하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 상기 원시 파형 신호를 수정하도록 구성되는, 호스트 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 물리적 전자기 부하는 햅틱 트랜스듀서인, 호스트 디바이스.
  17. 제15항에 있어서, 상기 이산 시간 모델은 실험실 시뮬레이션에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초하는, 호스트 디바이스.
  18. 제15항에 있어서, 상기 이산 시간 모델은 시스템의 동작 동안 하나 이상의 파라미터들의 실시간 추정에 기초하여 결정된 상기 물리적 전자기 부하의 하나 이상의 파라미터들에 기초하는, 호스트 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 실시간 추정은 적어도 상기 파형 신호의 과도 상태의 시작과 상기 파형 신호의 과도 상태의 끝의 광대역 콘텐트에 기초하여 수행되는, 호스트 디바이스.
  20. 제18항에 있어서, 상기 모델링 서브시스템은 원하는 특성을 달성하기 위해 실시간 추정을 주기적으로 업데이트하도록 구성되는, 호스트 디바이스.
  21. 제15항에 있어서, 상기 원하는 특성은 가상 트랜스듀서의 원하는 임피던스인, 호스트 디바이스.
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