KR20030088137A - 터치 위치 파악 장치 내의 접선력 제어 - Google Patents

Abstract

터치 위치 파악 장치 내의 터치 위치상의 접선력의 영향을 줄이기 위한 다양한 기술이 제공된다. 예를 들면, 일 태양에 있어서, 터치 평면의 높이에서 터치 표면 구조의 측방향 이동을 방지하는 션트 연결부가 제공되어 감지 연결부를 통과하는 접선력에 대한 무시할만한 크기의 반력으로 감소시킨다. 다른 태양에 있어서, 감지 연결부는 감도 축에 수직한 접선방향의 접촉력에 대한 연결부의 반력을 회전시키도록 조절된 탄성 수단을 합체하고 있다. 다른 태양에 있어서, 감지 연결부는 접선력에 대한 반력에 수직한 연결부의 감도 축을 회전시키도록 조절된 감지 수단을 합체하고 있다.

Description

터치 위치 파악 장치 내의 접선력 제어{TANGENTIAL FORCE CONTROL IN A TOUCH LOCATION DEVICE}

표면에 가해진 힘을 감지 및 측정하거나 또는 그 작용 위치를 파악할 수 있다는 것은 다양한 상황에서 유용하다. 그 결과, 표면(본 명세서에서는 "터치 표면"이라 함)에 가해지는 힘(본 명세서에서 "접촉력"이라 함)의 특성을 측정하기 위해 힘 센서(force sensor)가 사용되는 다양한 시스템이 개발되었다. 접촉력에 응답하여, 힘 센서는 예컨대 상기 접촉력이 가해진 터치 표면상의 위치를 파악하기 위해 사용될 수도 있는 신호를 통상 발생시킨다. 미국 특허 제3,657,475호에서 페로뉴(Peronneau) 등에 의해 개시된 바와 같은 이러한 방법의 다수의 특정 실시 형태가 제안되었다.

이러한 터치 위치 파악은 터치 표면이 컴퓨터 디스플레이의 표면이거나 컴퓨터 디스플레이 전방의 투명 오버레이(overlay)의 표면인 때에 특히 중요하다. 더욱이, 개인 휴대 정보 단말기(PDA)와 같은 이동 휴대 장치의 급증으로 인해 소형,경량 및 염가의 터치 위치 파악 장치에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이러한 터치 위치 파악 장치는 정전용량식, 저항식, 음향학적 및 자외선 기술뿐만 아니라 직전에 언급된 힘의 원리와 같은 다수의 가능한 기술에 기초하여 터치 센서와 함께 형성될 수 있다. 종래 기술의 터치 위치 파악 장치와 힘-기반 터치 위치 파악의 다양한 특징은 발명의 명칭이 "힘-기반 터치 입력 방법 및 장치"이고 본 출원의 출원인에 의해 동시에 출원된 특허 출원에 일반적으로 상세히 개시되어 있다.

종래의 터치 위치 파악 장치와 관련된 하나의 문제점은 터치 표면에 대해 직선으로 가해지지 않은 터치 위치를 통상 잘못 보고한다는 것이다. 다시 말하면, 90도가 아닌 각도로 손가락이나 스틸러스 펜(stylus pen)을 이용하여 사용자가 터치 표면에 힘을 가하여 터치 표면에 접촉하면 터치 위치가 통상 잘못 보고된다는 것이다. 이러한 "각진 터치"(angled touch)에 의해 가해진 힘은 2개의 힘 성분, 즉 터치 표면에 수직한 성분("수직 성분")과 터치 표면에 평행한 성분("접선 성분")을 갖는다. 터치 위치를 잘못 보고하는 것은 터치 위치 파악 장치 내의 하나 또는 그 이상의 힘 센서에 의해 감지된 접선력 성분의 효과에 의해 통상 발생한다. 접촉력의 접선방향 성분은 또한 본 명세서에서 "접선력"이라고 한다.

예를 들면, 접선력은 센서가 이러한 접선력을 측정하기 위한 것이 아니라고 하더라도 지지용 센서 부착구를 통해 센서로 전달될 수도 있다. 평형을 유지하기 위해 필요로 하는 힘과 모멘트의 패턴은 접선력에 의해 터치 장치 내에서 발생할 것이고, 이러한 패턴의 양태는 접선력 그 자체의 일부를 전달하는 임의의 센서를 조합적으로 통과하려는 경향이 있게 된다. 힘 센서가 이러한 조합에 민감하다면터치 위치에서의 오차가 발생할 것이다.

접선력에 의해 생기는 이러한 오차에 대한 다양한 해결책이 제안되었다. 예를 들면, 몇몇 시스템은 이러한 힘 센서를 터치 표면의 다소 후방에 위치시키고 접선력에 의해 발생되는 최종 오차를 단순히 허용하도록 구성된다. 다른 대책은 모든 해당 터치 감응식 구조(예컨대, 힘 센서 및 센서 조립체)를 물리적으로 터치 표면에 근접하게 위치시켜서 접선력의 영향을 감소시켰다.

또 다른 대책은 발명의 명칭이 "위치 결정 시스템용 장착 배치"인 드코스타의 미국 특허 제4,355,202호에 개시된 바와 같은 각각의 힘 센서 지지체를 위해 명백한 피봇(pivot)을 터치 표면 내에 위치시키는 것이다. 또 다른 대책은 발명의 명칭이 "터치 입력식 컴퓨터용 장치 및 방법과 디스플레이 외부의 접촉력 위치 파악 장치를 사용하는 관련 디스플레이"인 로버츠의 미국 특허 제5,376,948호에 개시된 것과 같이 접선력의 접선 성분을 보정하도록 접촉력의 추가 자유도를 측정하였다.

이러한 모든 종래 기술에 대한 대책은 단점을 갖는다. 후방으로의 센서의 변위가 단지 1mm 오버레이의 두께에 불과한 때에도 접선방향 오차를 무시하는 것은 필체 인식과 같은 정밀 적용예의 경우에 불만족스럽게 된다. 센서를 터치 표면에 위치시킴으로써 접선방향 오차를 제거하는 것은 장치의 폭 및 두께를 이유로 만족스럽지 못할 수도 있다. 코스타의 특허에 개시된 바와 같이 터치 표면에서 힘 전달의 피봇을 결정하는 것은 접선방향 오차를 제한하기는 하지만 장치 폭 및 두께 문제를 다루지 못하게 된다. 로버츠의 특허에 개시된 바와 같이 모든 자유도를 측정하는 것은 접선방향 오차를 제한하기는 하지만 장치 내의 어딘가에 추가 공간 및 추가 복잡성을 요구하게 된다.

따라서, 종래 기술은 과다한 오차, 과다한 크기 및 과다한 비용 없이도 힘 센서를 터치 표면의 후방에 위치시킬 수 있는 방법에 대해 제시하지 못하는 것으로 보여진다. 각진 터치(즉, 접선방향 성분을 갖는 접촉력)는 다양한 적용예에서 빈번하게 발생되기 때문에, 소정의 각도로 터치가 이루어지더라도 터치 표면상의 터치 위치는 터치 위치 파악 장치에 의해 정확히 보고되도록 하는 것이 바람직하다. 더욱이, 각진 터치 작용의 이러한 정확한 위치 파악이 평면이거나 굴곡진 터치 표면과 관련하여 다양한 종류의 힘 센서를 이용하여 달성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 터치 센서(touch sensor)에 관한 것으로, 특히 접선력 성분을 포함하는 접촉력의 작용 위치를 정확히 파악하기 위한 힘 감지용 터치 위치 파악 장치에 관한 것이다.

도1a는 독립된 LCD 모듈의 표면에 대해 사용될 수 있는 본 발명의 제1 실시예에 의한 터치스크린 모듈의 전개도이다.

도1b는 센서의 중심을 따라 취한 도1a의 모듈의 부분 단면도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 접선력 오차의 감소를 설명하기 위한 일반적인 터치 위치 파악 시스템의 개략적인 부분 단면도이다.

도3a 내지 도3c는 측방향 보강 수단으로 사용되는 평평한 지지 필름 또는 빔의 사용 및 제한을 설명하기 위한 부분 단면도이다.

도4는 수직 운동의 범위가 연장되고 방향 선택적인 측방향 보강이 가능한 측방향 보강 수단의 부분 단면도이다.

도5a 내지 도5c는 측방향 보강 수단의 추가 변형예의 부분 단면도이다.

도6a는 종래 기술에 의한 터치 위치 파악 시스템의 개략 단면도이다.

도6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 각진 센서 조립체를 포함하는 터치 위치 파악 시스템의 개략 단면도이다.

도6c 및 도6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 각진 감도 축을 제공하는 각지지 않은 센서 조립체를 구비하는 터치 위치 파악 시스템의 부분 개략 단면도이다.

도6e는 본 발명의 일 실시예에 따른 터치 패널에 후방 장착된 힘 센서의 상부 사시도이다.

도7a 및 도7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 평형 탄성 수단을 포함하는 터치 위치 파악 시스템의 부분 개략도.

도8a는 본 발명의 일 실시예에 따른 각진 탄성 수단을 구비한 터치 위치 파악 장치의 개략 단면도이다.

도8b 내지 도8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형이 아닌 터치 표면을 구비한 터치 위치 파악 장치의 단면도이다.

도9a 내지 도9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 각진 주 강성의 축을 갖는 센서 조립체를 구비한 터치 위치 파악 장치의 단면도이다.

도10a는 본 발명의 몇몇 실시예들에 사용된 유사한 구조를 설명하기 위해 경사진 최대 주 강성 축을 갖는 탄성 연결부를 구비한 각진 강성 구조의 개략 단면도이다.

도10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 각진 탄성 수단을 구비한 터치 위치 파악 장치의 개략 단면도이다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센서와 각진 탄성 수단을 구비한 터치 위치 파악 장치의 개략 단면도이다.

도12는 본 발명의 일 실시예에 따른 각진 변위 센서와 각지지 않은 탄성 수단을 구비한 터치 위치 파악 장치의 개략 단면도이다.

터치 표면에 접선력을 가하는 것은 지지용 연결부 내에 반력을 발생시킨다. 이들 반력의 각각은 가해진 접선력의 일부에 대해 단순히 힘의 크기가 동일하지도 그 방향이 반대이지도 않다. 심지어는, 각 지지용 연결부 내의 반력은 직선 방향의 힘의 3개의 자유도와 모멘트의 3개의 자유도가 조합된 완전한 힘의 패턴이다. 이러한 힘의 패턴이 터치 표면 구조에 실제로 조합될 때 많은 방향에서 상쇄되어 가해진 힘에 대해 그 크기가 동일하고 방향이 반대인 반력만이 남게 된다. 따라서, 감지용 연결부 내의 접선력에 대한 반력은 대응되는 수직력 성분이 대응되는 센서 내에 원하지 않은 출력을 생성하는 상태로 자체적으로 터치 표면에 대해 경사진 작용선을 갖는다.

본 발명의 다양한 태양은 전체 감지용 연결부 반력을 감소시키고 이 힘이 센서가 "에지-온"(edge-on)이 되게 하고 이 센서가 "에지-온"이 되는 힘을 포착하게 하기 위한 기술을 포함하는 감지용 연결부 반력에 대한 센서의 반응을 감소시키기 위한 기술을 제공한다.

따라서, 터치 표면에 가해진 순 접선력(pure tangential force)에 반응하여 센싱 연결부를 통과하는 반력이 무시할만한 크기를 갖거나 힘 감도 축에 대해 직각으로 상기 연결부를 통과한다면, 해당 센서는 아무런 반응도 하지 않을 것이다. 이러한 관계가 모든 센서와 터치 표면에 가해진 접선력의 모든 위치 및 방향에 대해 유지된다면, 터치 위치 파악 장치는 터치 표면과 부합되는 정밀 평면을 가질 것이고 가해진 접선력의 접선방향 성분에 기인한 터치 위치 오차를 겪지 않을 것이다. 본 발명의 다양한 태양은 이러한 관계를 성립시키기 위한 기술을 제공한다.

예를 들면, 본 발명의 제1 "분리 경로"(divided paths) 태양에 있어서, 션트 연결부는 터치 평면 높이에서 터치 표면 구조의 측방향 이동을 방지할 수 있음으로써 감지 연결부(sensing connection)를 통과하는 접선력에 대한 무시할만한 크기의 반력으로 감소시키게 된다.

본 발명의 제2 "탄성 보정"(elastic correction) 태양에 있어서, 감지 연결부는 감도 축에 수직한 접선방향 접촉력에 대한 연결부의 반력을 회전시키도록 조절된 탄성 수단을 합체하고 있다. 이러한 종류의 대부분의 부재에 있어서, 다중 감지 연결부는 각각 하나의 힘 신호를 제공한다. 그러나, 일 부재에 있어서, 일 세트의 변위 센서가 강성의 터치 표면 구조의 부분들의 수직 이동을 검출하여 효과적으로 하나의 다중 출력 감지 연결부를 생성하게 된다.

본 발명의 제3 "각진 센서"(angled sensor) 태양에 있어서, 감지 연결부는 접선력에 대한 반력에 수직한 이 연결부의 감도 축을 회전시키도록 조절된 탄성 수단을 합체하고 있다. 본 발명의 이러한 태양의 다양한 실시예들에 있어서, 다중 감지 연결부는 각각 하나의 힘 신호를 제공한다. 그러나, 적어도 하나의 실시예에 있어서, 일 세트의 변위 센서가 강성의 터치 표면 구조의 부분들의 경사 이동(oblique motion)을 검출하여 효과적으로 하나의 다중 출력 감지 연결부를 생성한다. 각각의 센서는 접선력에 대해 그 센서가 받는 변위에 수직하게 위치한다.

본 발명의 분리 경로 태양에서, 션트 연결부는 신규한 제2 세트의 힘 경로를 제공하는 반면에, 본 발명의 제2 및 제3 태양에서는 사실상 모든 접촉력이 감지 연결부를 통과할 수 있게 된다. 본 발명의 탄성 보정 태양에 있어서 그리고 본 발명의 다른 2개의 태양의 몇몇 실시예들에 있어서, 터치 평면으로부터 제거된 탄성 수단은 정밀 평면의 위치를 제어할 수 있다. 본 발명의 각진 센서 태양에서는 센서의 감도 축이 일반적으로 터치 표면 법선에 대해 경사진 각도로 위치하는 반면에, 본 발명의 처음 2개의 실시예에서는 센서의 감도 축이 터치 평면 법선에 대해 수직하게 있을 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은 연결부 내에 터치 평면 법선에 대해 경사진 각도로 위치되는 주 강성 축을 갖는 탄성 요소 또는 부조립체를 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 힘의 측정되지 않은 성분의 전달을 감소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 감지 연결부 내에 측방향 완화 수단이 사용될 수도 있다. 이는 본 발명의 다른 태양의 효과적인 적용을 돕고 힘 센서가 불필요한 응력에 노출되는 것을 감소시킬 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 모멘트의 측정되지 않은 성분을 감소시키기 위해 하나 또는 그 이상의 감지 연결부 내에 회전방향 완화 수단이 사용될 수도 있다. 이러한 모멘트의 측정되지 않은 성분은 관련 모멘트 방정식 내에 표현되어야 하므로 터치 위치 오차의 한 원인이 된다. 이들은 터치 표면 구조를 굴곡시키는 주변 터치에 의해 발생될 때 그 크기의 측면에서 현저하며 그 특성상 예측할 수 없을 것이다. 특히 관련 힘 센서에 근접하여 위치될 때 회전방향 완화 수단은 이 센서가 불필요한 응력에 노출되는 것을 또한 감소시킬 수 있다.

본 발명의 분리 경로 태양에서는, 션트 연결부는 측방향 보강 수단을 구성하여 가해진 접촉력을 2세트의 힘 경로, 즉 감지 연결부를 통과하는 하나의 경로와 션트 연결부를 통과하는 다른 하나의 경로를 따라 분리시킨다. 션트 연결부는 터치 평면의 높이에서 터치 표면 구조의 측방향 이동을 방지할 수 있음으로써 접촉력의 접선 성분에 응답하여 감지 연결부를 통해 전달되는 무시할만한 크기의 힘으로 감소시킬 수 있다. 감지 연결부는 이러한 효과를 향상시키기 위해 측방향 완화 수단을 갖는다. 션트 연결부는 최소량의 수직 접촉력을 감지 연결부로 향하게 하기 위해 수직방향으로는 유연하게 제조될 수 있다. 이러한 션트 연결부는 터치 평면 내의 축을 중심으로 한 회전에 대한 모든 저항이 감지 연결부의 수직 강성으로 표현되도록 회전 방향으로 충분히 유연하게 된다. 이러한 최종 조건은 나머지 조건들이 충족될 때 용이하게 충족되므로, 어떤 특정 설비를 필요로 하지 않는다.

본 발명의 다양한 실시예에 사용된 측방향 보강 수단은 "효과 평면"(planeof effect)을 가질 수 있는데, 이 평면은 터치 장치의 터치 표면에 평행하고 상기 평면의 내부에 모멘트 평형이 되지 않아 발생되는 터치 표면의 회전 없이도 측방향 보강 수단에 의해 접선력이 수용될 수 있다. 보다 엄밀하게는, 터치 표면 구조가 완전히 강체이고 측방향 보강 수단에 대한 연결부를 제외한 모든 연결부가 제거된 것을 가정한다. 효과 평면이 터치 표면 내에 위치한다면, 접선력이 가해져서 터치 표면의 회전 없이도 평형이 유지된다. 효과 평면이 터치 표면으로부터 이격되어 있다면, 시험 접선력이 터치 표면으로부터 취해진 강성의 연장부를 통해 효과 평면으로 가해질 수 있고 터치 표면의 어떠한 회전도 없게 될 것이다. 한편, 회전 없이 평형을 유지하기 위해, 터치 평면 내의 접선력은 상기 접선력과 터치 평면으로부터 효과 평면에 이르는 거리의 곱에 해당하는 모멘트와 조합될 필요가 있다. 따라서, 효과 평면은 접촉력의 접선 성분에 대한 사실상 영의 반력 모멘트를 갖는 평면으로 여겨질 수 있다.

본 발명의 분리 경로 태양의 실시예는 제1 구분 특징에 따라 2개의 타입으로 구분될 수 있다.

ㆍ 션트 연결부는 감지 연결부가 본질상 접촉력의 접선방향 성분에 의해 방해받지 않고 터치 표면 구조로 힘 및 모멘트 반력을 통과시키지 않을 정도로 감지 연결부에 비해 측방향으로 견고하다. 이러한 경우, 효과 평면은 정밀 평면 및 터치 표면과 일치할 수 있다.

ㆍ 감지 연결부는 접선력에 대한 현저한 반력을 통과시킬 수 있다. 이 반력은 측방향 보강 수단에서의 조절을 상쇄시킴으로써 수평하게 된다. 이러한 경우그리고 이들 조절의 표현으로서, 측방향 보강 수단의 효과 평면은 감지 연결부로부터 다소 터치 표면의 다른 측면 쪽에 위치한다. 따라서, 측방향 보강 수단 및 감지 연결부 내의 접선력에 대한 반력으로 발생되는 모멘트는 터치 평면 내에서 이제 상쇄될 수 있다.

또한, 본 발명의 분리 경로 태양의 실시예는 제2 구분 특징에 따라 2개의 타입으로 분리될 수 있다.

ㆍ 측방향 보강 수단 그 자체와 효과 평면은 본질상 터치 평면 내에 있을 수 있고 터치 평면을 초과한 그리고 아래의 지지 구조는 강체인 것으로 도시될 수 있다. 측방향 보강 수단을 포함하는 션트 연결부는 어떤 최소값보다 측방향으로 더 견고할 수 있고 어떤 최소값보다 수직방향으로 더 유연할 수 있지만, 달리 후크의 법칙을 따르거나 예측가능한 강성을 가질 필요는 없다.

ㆍ 측방향 보강 수단은 터치 평면 아래 및/또는 위에 탄성 수단을 구비한다. 이들 탄성 수단의 요소들은 경사진 주 강성 축을 갖는다. 경사진 강성을 이용하는 몇몇 경우에 있어서, 효과 평면은 측방향 보강 수단을 구성하는 탄성 수단 및 션트 연결부의 위에 또는 아래에서 전적으로 제거될 수 있다.

본 발명의 탄성 보정 태양에 있어서, 접촉력은 특별히 개조된 감지 연결부를 배타적으로 통과할 수 있다. 제1 실시예에서, 이러한 개조는 힘 센서와 직렬로 연결된 탄성 보정 수단을 포함하는 것이다. 힘 센서는 힘이 정밀 평면으로부터 적어도 부분적으로 멀리 분포될 수 있는 탄성 보정 수단을 통과한 후 완전히 강성일 수도 있는 힘 센서를 통과하여 지지 구조 내로 전달되도록 정밀 평면의 아래에 위치할 수도 있다. 센서와 탄성 수단의 순서는 편의에 따라 변경될 수 있다.

제2 실시예에 있어서, 일 세트의 변위 센서는 강성의 터치 표면 구조의 부분들의 수직 이동을 검출하여 효과적으로 하나의 다중 출력 감지 연결부를 생성한다.

본 발명의 탄성 보정 태양의 실시예는 3가지 타입으로 분리될 수 있다.

ㆍ 탄성 보정 수단은 감지 연결부 내의 힘이 먼저 하나를 통과한 후 다른 하나를 통과하도록 정밀 평면 아래에 배치될 수 있다. 소정의 정밀 평면 상하로 굴곡을 오프셋시킴으로써 관련 감지 연결부의 탄성 중심이 소정의 정밀 평면 내에 위치될 수 있다.

ㆍ 탄성 보정 수단은 정밀 평면의 아래(또는 위에) 전적으로 배치될 수 있다. 경사진 주 강성 축을 갖는 탄성 요소들은 관련 감지 연결부의 탄성 중심을 소정의 정밀 평면 내로 위치하게 기능할 수 있다.

ㆍ 탄성 보정 수단은 정밀 평면의 아래(또는 위에) 전체적으로 배치될 수 있다. 경사진 주 강성 축을 갖는 탄성 연결부는 전체 터치 표면 구조의 탄성 중심을 소정의 정밀 평면 내로 위치하게 기능할 수 있다. 센서들이 탄성 수단과 직렬로 연결되어 있지 않지만, 터치 표면 구조와 지지 구조 사이의 이동을 검출하는 변위 센서를 포함한다.

본 발명의 각진 센서 태양에 있어서, 접촉력은 특별히 개조된 감지 연결부를 배타적으로 통과할 수 있다. 제1 경우에 있어서, 이러한 개조는 그 감도 축이 접선력의 각 성분으로부터 기인한 반력에 대해 직각이 되도록 각각의 센서를 각지게 하는 것을 포함한다. 적절한 정도로 측방향 완화가 제공되어 측방향으로 견고한센서를 각지게 하는 작업으로 인해 감도에 필요한 수직 이동을 억제되는 것이 방지될 수 있다. 감지 연결부가 알려진 위치에 탄성 중심을 가진다면, 회전 방향 완화 수단이 제공된 경우에서와 같이 간단한 규칙으로 정밀 평면을 터치 평면과 일치하게 위치시키기에 적합한 각지게 하는 작업(angling)을 설명할 수 있다.

제2 경우에서, 일 세트의 변위 센서가 지지 구조에 대한 강성의 터치 표면 구조의 부분들의 경사 이동을 검출하여 효과적으로 하나의 다중 출력 감지 연결부를 생성한다. 수직으로 정렬된 주 강성 축을 갖는 탄성 연결부는 정밀 평면 아래에 탄성 중심을 가질 수 있다. 이들 탄성 연결부가 알려진 위치에 탄성 중심을 갖는다면, 회전 방향 완화 수단이 제공된 경우에서와 같이 간단한 규칙으로 정밀 평면을 터치 평면과 일치하게 배치하는 변위 센서의 각도를 표현할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 다른 특징 및 장점은 후속의 상세한 설명 및 첨부하는 청구의 범위로부터 명백하게 될 것이다.

본 발명의 다양한 태양 및 실시예들을 설명하기 전에 몇몇 관련 용어를 정의한다.

평면의 힘-기반 터치 위치 파악은 터치 표면에 존재하는 솔리드 바디(solid body)의 강체 운동의 6자유도 중 3개의 자유도를 표현함으로써 수행되며, 상기 솔리드 바디는 본 명세서에서 터치 표면 구조(touch surface structure) 또는 줄여서 터치 패널(touch panel)이라 불릴 것이다. 이들 3개의 자유도 중 2개는 3차원 공간에서의 특정 축에 대한 토크 및 모멘트를 나타낸다. 가장 정확하게는, 이들 축은 교차되어야 하는데 이들 교차 축을 포함하는 평면은 터치 위치 파악을 위한 정밀 평면(plane of accuracy)을 형성한다. 표현된 제3 자유도는 정밀 평면에 수직하게 가해진 힘의 크기이다. 터치가 이루어 질 때, 이 수직력으로 나누어진 제1 모멘트의 크기는 터치 지점으로부터 제1 축까지의 거리이다. 유사하게는, 상기 힘에 대한 제2 모멘트의 비는 터치 지점으로부터 제2 축까지의 거리이다. 터치 지점을 파악하기 위해 이러한 방법으로 모니터되는 3개의 자유도는 해당 자유도(relevant degrees of freedom)로 정의될 수 있다.

터치에 의해 정밀 평면에 평행한 접선력(tangential force)이 가해질 수 있다. 이러한 접선력이 정밀 평면의 위 또는 아래에 가해진다면, 이들은 하나 또는 2개의 측정 축에 대한 모멘트를 생성하여 터치 위치 파악에 오차를 발생시키게 될 것이다. 따라서, 최상의 정확성을 위해, 본 발명에서 필수적인 것은 아니지만 물리적 터치 표면은 평면임과 동시에 정밀 평면과 부합되어야 한다.

제1 모멘트 축에 평행하게 가해지는 접선력과 제2 모멘트 축에 평행하게 가해지는 접선력과 정밀 평면에 수직한 축 주위로 가해지는 모멘트는 터치 계산을 위해 도시되지 않은 강체 운동의 3개의 자유도를 구성한다. 상기 해당 자유도 이외의 자유도 중의 임의의 것이 모니터된 표현에 영향을 미칠 수 있다면, 터치 위치 파악 장치에는 오차가 생기기 쉬울 것이다.

적어도 6개의 힘 센서를 이용하여, 견고한 터치 표면의 강체 운동의 모든 6자유도를 측정할 수 있다. 모든 6자유도의 표현으로부터, 임의의 원하는 정밀 평면에 해당된 3개의 자유도를 이러한 평면에 대한 센서의 위치 결정에 관계없이 모니터하는 선형 조합을 생성하는 것이 가능하게 된다. 예를 들어, 발명의 명칭이 "터치 입력식 컴퓨터용 장치 및 방법과 디스플레이 외부의 접촉력 위치 파악 장치를 사용하는 관련 디스플레이"인 로버츠의 미국 특허 제5,376,948호에 개시된 내용을 참조하라.

선택적으로, 강체 운동의 단지 3자유도만을 나타내려면 3개 또는 그 이상의센서들이 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 단순함의 측면에서 6자유도 시스템보다 바람직하다. 이들 센서들은 6개보다 적을 수 있고, 모두 동일한 방향으로 배향될 수 있고, 평면의 터치 표면의 외주 주위로 이를 지지하면서 배치될 수도 있다. 모니터되는 3개의 자유도는 다양한 힘 센서 출력의 3개의 다른 선형 조합으로 다시 생성될 수 있다. 이들 3개의 자유도는 잘해야 몇몇 특정의 정밀 평면에 대응되고, 이들 평면은 물리적인 터치 구조 및 센서의 위치 결정에 의해 결정된다. 그러나, 선택된 이러한 구조 및 배치가 정밀 평면을 만들어 내고 이 평면이 터치 표면과 충분히 부합되는 것을 보장하기 위해서는 상당한 주의가 필요하다.

처리되지 않은 센서 출력이 강체 운동의 단지 3자유도만을 집합적으로 기호화하는 힘-기반 터치 시스템은 3자유도 시스템(three-degree system)으로 정의된다.

따라서, 3자유도 시스템의 정밀 평면은 그 시스템의 구조적 특성이라는 것을 알 수 있다. 실제 시스템이 몇몇 불완전 자유도를 가지므로, 정밀 평면이라는 용어는 실제 장치의 거동에 적용될 때 접선력이 최소한의 평균 오차를 생성하는 평면으로 여겨질 수도 있다.

3자유도 시스템이 3개 이상의 힘 센서를 포함하고 가장 바람직하게는 4개의 센서를 사용한다는 것을 알 수 있다. 직사각형의 코너들에 통상 배치되는 바와 같이, 이러한 센서는 터치 표면 구조와 지지 구조 사이의 비틀림, 새들링(saddling) 또는 뒤틀림의 차이에 대응하는 제4 자유도를 집합적으로 나타낸다. 일반적으로, 3자유도 시스템에서의 추가 센서는 강체 운동의 추가 자유도, 심지어는 내부 구조뒤틀림의 자유도를 포착하지 못한다.

6자유도 시스템과는 달리, 3자유도 시스템은 평면의 정밀 표면을 본질적으로 갖는다. 따라서, 평면이 아닌 터치 표면을 지원하는 3자유도 시스템은 어느 정도의 오차를 받기 쉬워야 한다. 이들 시스템은 예컨대 터치 표면이 어디에서도 최상의 평면 근사(planar approximation)로부터 너무 많이 벗어나지 않는다면 여전히 매우 유용할 수 있다. 불명확하게 확장되는 이러한 최상의 평면 근사는 터치 평면(touch plane)으로 정의될 수 있다. 평면의 터치 표면과 관련하여 본 명세서에서 작성된 설명은 이러한 방법을 평면이 아닌 경우로 확장하기 위한 것으로 이해되어야 한다. 평면이 아닌 일반적인 표면은 구, 원통, 포물면 및 교차 원통 등의 부분으로 대략 근사화될 수 있다.

터치 표면에 대하여 터치 위치 파악 장치의 구성요소의 방향을 고려함에 있어서, 해당 구성요소를 통과하는 국부적 터치 표면 법선(local touch surface normal)을 당연히 참조하게 되고, 이 법선은 물리적 터치 표면을 근사화하는 가장 당연히 매끄러운 표면의 기본적인 연장부를 직각으로 통과하게 된다. 구성적 편의를 위해 상기 구성요소들은 때로 국부적 터치 표면 법선에 대해 정렬될 수 있다. 그러나, 터치 표면 법선에 대해 경사진 특성을 갖는 구성요소 및 조립체를 구비한 본 발명의 실시예에 있어서 이러한 특성은 국부적 터치 표면 법선에 대해서도 경사진 것일 수 있다.

장치의 일부분으로부터 다른 부분으로 통과하는 솔리드 바디는 연결부(connection)를 구성한다. 이를 통과하는 전체 힘(total force)은 6개로 특징지워진다. 이 중 3개는 직선 방향의 힘(transitional force)의 3개의 직교 성분의 크기를 나타낸다. 다른 3개는 1세트의 3개의 직교하는 기준 축에 대해 취해진 토크 또는 모멘트의 3개의 성분의 크기를 나타낼 수도 있다. 이들 기준 축은 공간 내에 위치되어야 하고, 공통의 기준 지점(reference point)에서 교차하도록 될 수 있다. 얻어진 모멘트 값은 기준 지점의 위치에 따른다. 특히, 이를 따른 모멘트의 벡터 크기가 공통의 최소값이 되는 직선을 형성하는 공간 내의 가능한 기준 지점의 궤적이 있게 된다. 이 궤적은 본 명세서에서 연결부를 통과하는 전체 힘의 작용선(line of action)으로 불린다. 구체적으로는, 이 작용선에 수직한 축 주위로의 모멘트의 크기는 상기 작용선을 따른 지점에서는 영이 된다.

솔리드 바디는 그 변형이 무시할 만큼 충분히 작다면 소정 문제의 관점에서는 강체(rigid)인 것으로 고려된다. 상당한 변형을 나타내지만 충분한 근사에 접근하여 후크의 법칙을 따른다면 이는 탄성(elastic)인 것으로 정의된다. 탄성 연결부(elastic connection)는 일 단부 영역으로부터 다른 단부 영역으로 전체적으로 중요한 탄성 변형을 나타내는 것이고 그 보유 구조에 미치는 영향이 다른 단부 영역에 대한 일 단부 영역의 병진 및 회전 변위의 6자유도에 관해서 설명될 수 있는 종류의 것이다. 이러한 탄성 연결부는 탄성 중심(elastic center)을 나타내고, 이는 이 연결부를 통과하는 다양한 순 모멘트 커플(pure moment couple)에 응답하여 그 단부들이 회전하게 되는 공통의 중심으로 근사된다. 완전 병진 이동은 작용선이 이러한 탄성 중심을 통과하게 힘을 발생시키려는 경향이 있다. 탄성 연결부는 다양한 완전 병진 이동으로 시험될 때 최대 강성 방향을 나타내며, 이러한 강성은연결부의 최대 주 강성(greatest principal stiffness)이다. 최소 주 강성(least principal stiffness)의 방향 및 값은 최대 주 강성 방향에 대해 직각인 것으로 알려져 있고, 중간 주 강성(intermediate principal stiffness)은 상기 2개의 주 강성 방향에 대해 직각인 제3 방향을 따라 가해진다. 주 강성 축(axes of principal stiffness)은 주 강성을 나타내는 방향으로 탄성 중심을 통과하는 3개의 라인이다. 주 방향으로의 완전 병진 이동은 작용선이 이 변위에 평행하게 힘을 발생시키고, 이러한 조건은 주 방향을 찾는 데에 또한 사용될 수 있다. 둘 또는 통상 훨씬 더 적은 통상의 저하된 경우(degenerate case)에는, 3개의 모든 주 강성이 동일한 값을 가질 수 있다. 한 쌍의 저하되지 않은 주 방향에 대해 경사진 완전 병진 이동은 작용선이 변위에 대해 경사지게 힘을 발생시키고, 이러한 변위를 가로지르는 성분을 본 명세서에서는 잼 힘(jam force)라고 한다.

힘 감지용 터치 위치 파악 장치의 관점에서, 다양한 기계적 연결부들이 터치 표면 구조와 이를 둘러싸는 지지 구조 사이로 주요 힘을 통과시킬 수 있다. 이들은 힘 감지 연결부, 밀봉부, 측방향 보강 수단, 힘 예압 수단(force preload means) 및 다른 수단을 포함할 수 있다. 작동 터치에 의해 가해진 추가 힘의 상당한 부분을 통과시킬 수 있는 연결부가 특히 중요하다. 이러한 연결부들을 본 명세서에서는 전달된 힘의 몇몇 중요한 성분을 모니터하기 위해 힘 센서가 존재하는 경우에 감지 연결부라고 하고, 이러한 센서가 존재하지 않는 경우에 션트 연결부(shunt connection)라고 한다. 션트 연결부가 보고된 터치 위치에 영향을 미치는 힘을 통과시키는 경우, 기생 힘 경로(parasitic force path)를 제공하는 것으로 여겨진다.

힘 감지 연결부는 감도 방향(direction of sensitivity)을 갖는데, 소정 크기의 직선 방향의 힘이 상기 방향으로 가해질 때 최대 출력을 생성하고 상기 방향에 직각으로 힘이 가해질 때 어떠한 출력도 생성하지 않도록 구성된다. 변위 센서는 가해진 순 병진 변위에 대해 유사한 감도 방향을 갖는다. 힘 감지 연결부는 본 명세서에서 감도 방향으로 탄성 중심을 통과하는 감도 축(axis of sensitivity)을 갖는 것으로 여겨진다. 변위 센서는 감도 방향으로 위치된 감도 축을 갖게 되고 축 상의 지점들에 대한 양 측면의 상대 회전이 출력을 생성하지 않도록 위치된다.

접선력 오차는 터치 위치 파악 장치 내의 정밀 평면을 위한 오프셋 허용 구역(tolerance zone of offset)과 관계된다. 예를 들어 도6a를 참조하면, 종래의 터치 위치 파악 장치(900)가 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 이 시스템(900)은 평면의 터치 표면(904)을 갖는 터치 패널(902)을 구비한다. 이러한 장치(900)와 같은 종래의 터치 위치 파악 장치는 완전히 법선(910)을 따라 터치 표면(904)에 가해지지 않은 [즉, 각도(θ)가 영이 아닌 경우] 터치 위치를 잘못 보고할 수 있다. 이러한 오차의 일 태양을 보다 상세히 설명할 것이다.

장치(900)와 같은 힘-기반 터치 장치는 통상 평면인 정밀 표면(906)을 갖는다. 정밀 표면(906)은 임의의 물리적 표면과 대응될 필요가 없고 접선력 감도의 경우 통상 대응되지 않는다. 도시를 간단히 하기 위해, 힘 센서들이 도6a에 도시되어 있지는 않지만, 종래 기술의 터치 장치(900)는 정밀 표면(906)이 힘 센서의 위치를 향해 바이어스되기 쉽게 되도록 힘 센서를 구비하고 있다.

도6a에 도시된 바와 같이, 정밀 표면(906)이 오프셋량(912)만큼 터치 표면(904)으로부터 오프셋되어 있다. 예컨대 오프셋량(912)이 0.635 cm(0.25 in)라고 가정한다. 접촉력(908)이 터치 표면(904)의 법선(910)에 대해 θ=45도로 경사진다. 따라서, 접촉력(908)에 의해 정의된 작용선(924)은 지점(914)에서 정밀 표면(906)을 가로지르게 되고, 상기 지점(914)은 접촉력(908)이 내향 직선 방향으로 [즉, 완전히 법선(910)을 따라 터치 표면(904)으로] 향하였다면 교차하게 되었을 지점(918)으로부터 오차 거리(916)[이 경우에, 0.635 cm(0.25 in)]만큼 이격된 위치가 된다. 터치 장치(900)가 직선 터치로 정확히 조정된다면 (각진) 접촉력(908)의 위치를 오차 거리(916)[즉 0635 cm(0.25 in)]를 갖는 것으로 보고할 것이다.

도6a에 도시된 바와 같이, 접촉력(908)은 터치 표면(904)에 수직한 성분(922; "수직 성분")과 터치 표면(904)에 평행한 성분(920; "접선 성분")을 갖는다. 많은 적용예에 있어서, 이 접촉력의 통상의 접선 성분은 접촉력의 수직 성분의 대략 1/3 정도의 크기를 갖는다. 이러한 적용예의 경우에 계산된 터치 위치 오차에 대한 허용가능한 통상의 분담량(contribution)[즉, 최대 허용 오차 거리(916)]이 d라면, 터치 표면(904)으로부터의 정밀 표면(906)의 허용가능한 오프셋량(912)은 ±3d가 된다. 그러므로, 각 적용예는 터치 표면의 기능적 두께를 정의하는 "옷셋 허용 구역"을 갖고, 상기 허용 구역 내에 터치 위치 계산시 허용될 수 없는 정도의 오차를 초래하지 않고서 정밀 표면(906)이 위치될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들은 터치 평면으로부터 선택된 최대 오프셋량 내에정밀 평면을 위치시키기 위한 기술들을 제공한다. 이러한 최대 오프셋량은 소정의 터치 위치 정밀도의 정도에 기초하여 임의의 방법으로 선택될 수 있다.

본 발명의 다양한 대양 및 실시예들이 접선력의 하나의 수직으로 정렬되고 중심에 가해지는 성분에 대하여 반응하지 않도록 설계된 설계 관점으로 본 명세서 내에 제시되어 있다. 대부분의 경우에, 이러한 특징을 갖는 설계를 도시한다는 것은 가해진 힘의 임의의 관련없는 자유도에 대해 시스템 응답이 없다는 것을 나타내는 것과 동일하다.

먼저, 중앙에 가해진 접선력의 이러한 일 성분에 대해 감도를 제거하기 위한 기술이 이에 수직한 다른 접선 성분에 가해질 수 있다는 것을 고려한다. 이어서, 중첩(superposition)에 의해, 본 시스템은 임의의 방향으로 중앙으로 가해진 접선력에 대해 민감하지 않게 (즉, 상기 접선력에 응답하여 어떠한 출력도 생성하지 않게) 된다.

둘째로, 임의의 회전 대칭 정도가 조합된 적어도 하나의 좌우 대칭 평면을 보유하고 있다면 3자유도 시스템은 수직 모멘트에 응답하지 않을 것이라는 것을 알 수 있다. 예컨대, 센서의 전형적인 직사각형 배치는 2개의 평면에 대해 기능적으로 좌우 대칭이고 당연히 2중 회전 대칭성을 또한 보여 준다. 실용적인 면에서, 예상될 수 있는 대부분의 배치는 완전한 수직 모멘트에 대해 거의 시스템 응답을 보여 주지 않는다. 몇몇 경우에 센서 응답이 있을 수도 있지만 이는 터치 위치 계산시 사용된 선형 조합으로 상쇄된다는 것을 알 수 있다.

터치 평면 내의 임의 위치의 접선력은 중앙으로 가해진 접선력과 수직 모멘트의 조합으로서 표현될 수 있다. 따라서, 중첩을 추가 적용함으로써, 중앙으로 가해진 접선력의 수직 성분으로부터 오차를 제거하면 임의의 접선력으로부터 오차를 제거할 수 있다는 것은 당연하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 터치 위치 파악 장치에 의한 터치 위치 측정시의 접선력의 영향은 다음과 같이 완화된다. 이러한 터치 위치 파악 장치는 평면일 수도 있는 터치 표면을 구비한다. 터치 표면에 사실상 평행한 방향으로 견고하고 상기 터치 표면에 수직한 방향으로 구부리기 쉬운(compliant) 측방향 보강 수단이 제공된다. 이 측방향 보강 수단은 터치 표면의 오프셋 허용 구역 내에 존재하고 터치 표면으로부터 접선력을 받아 이를 힘 센서로부터 멀리 전달하도록 터치 표면에 부착된다.

이 측방향 보강 수단을 터치 평면 내에 또는 이에 대칭으로 위치시킴으로써 이에 적절한 특성이 주어지지만, 이를 위한 유일한 방법은 아니다. 예를 들면, 적절히 구성된다면, 터치 평면의 밖에 존재하는 이 측방향 보강 수단은 터치 평면 내에 있는 탄성 중심을 여전히 나타낼 수 있다. 즉, 회전하지 않고서도 터치 평면 내에 가해진 접선력에 응답할 수 있게 된다.

가능하게는 터치 위치 파악 장치 내의 다른 구조와 함께 이 측방향 보강 수단은 접선력이 전달되는 제1 힘 경로를 제공한다. 이 힘 경로는 힘 센서를 포함하지 않는다. 수직 힘은 힘 센서를 포함하는 제2 힘 경로를 통해 전달된다. 이러한 힘은 힘 센서들을 통해 전달되지 않으므로 힘 측정은 접선력에 의해 영향을 받지 않는다.

도1a 및 도1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 측방향 보강 수단을 구비한 터치 감응식 투명 오버레이 모듈(101)이 도시되어 있다. 이 모듈(101)은 예컨대 손가락, 스틸러스 또는 다른 물건에 의해 가해지는 터치를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에서 모듈(101)은 접촉력이 터치 표면에 가해지는 위치 및/또는 터치 표면에 수직한 접촉력의 일정 성분의 크기와 같이 터치 표면에 가해지는 접촉력의 특성을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 오버레이 모듈(101)의 다양한 태양은 본 출원과 함께 출원된 발명이 명칭이 "힘-기반 터치 입력을 위한 방법 및 장치"인 출원 명세서에 상세히 설명되어 있다.

투명한 오버레이 모듈(101)은 대각선 길이가 10.16 cm(4 in)인 LCD 디스플레이용으로 적절히 사용될 수 있도록 조절될 수 있고, 아울러 다른 크기의 다른 디스플레이용으로의 크기 및 변형이 당업자에게 자명하다. 터치 표면(103a)을 갖는 투명 패널(102)은 프레임(104a) 내에 안착된다. 상호 연결 가요성 프린트(interconnect flex print; 105), 힘 센서 주 요소(106) 및 측방향 완화 수단(softening means; 107)이 패널(102)과 프레임(104 a) 사이에 끼워진다. 예압 스프링(109)은 조립시 프레임(104a) 내의 구멍(112)과 결합하여 패널(102)과 프레임(104a) 사이에 끼워진 구조에 대략 8.896 N(2 lbf)의 총 압축력을 가하게 된다. 조립됨에 따라 스프링(109)의 만곡된 위치는 패널(102)의 짧은 에지를 따라 직선으로 이들을 위치시킨다. 측방향 보강 수단 겸용의 액체/먼지 밀봉부(108)는 패널(102)과 프레임(104a)의 수직 플랜지의 외부 표면에 부착되어 패널(102)을 프레임(104a) 내에 견고히 중앙에 위치시킨다. 이와 같이 중앙에 위치될 때, 패널(102)과 프레임(104a)의 긴 측면 사이에는 작은 공간이 있게 되고 스프링(109)의 부착되지 않은 부분들 주위에 작은 공간이 있게 된다. 따라서, 터치 표면(103a)에 가해진 힘은 간섭을 일으키지 않을 뿐만 아니라 에지 주위를 긁지 않고서도 패널(102)의 작은 수직 운동을 발생시킨다.

예를 들면, 측방향 보강 수단(108)은 부착이 필요한 두 영역의 하부 표면에 아크릴계 접착제가 부착된 0.0254 내지 0.508 cm(0.001 내지 0.002 in) 두께의 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름을 포함할 수 있다. 이러한 제1 접착 영역(118)은 측방향 보강 수단(108)의 점선 바깥의 외부 부분을 따라 존재하고, 이는 프레임(104a)의 수직 플랜지 위로 접혀질 부분이다. 제2 접착 영역(119)은 측방향 보강 수단(108)의 내부 에지 주위로 폭이 0.159 cm(1/16 in)인 스트립 내에 위치한다. 이 영역은 패널(102)의 에지로부터 다소 안쪽으로 터치 표면(103a)에 부착된다. 점선을 따라 접어질 때 측방향 보강 수단(108) 내의 응력은 완화되어, 측방향 보강 수단(108)은 간단한 열성형 작업에 의해 적절한 최종 형상을 가진다. 이는 조립 전에 또는 후에 수행될 수 있다. 측방향 보강 수단(108)의 외부 코너의 잉여 재료가 대각선을 따라 접혀져서 프레임(104a)의 수직 플랜지에 대한 측면 위로 위치될 수 있다. 측방향 보강 수단(108)의 자유 만곡 부분(120)의 적절한 너비는 그 자신의 강성, 패널(102)의 강성 및 요구되는 정밀도에 따라 정해진다. 예를 들면, 0.1524 내지 0.3048 cm(0.06 내지 0.12 in)의 범위일 수 있다. 도1a에 도시된 측방향 보강 수단(108)의 특정 실시예는 예시를 위해 단순히 제공되나 본 발명을 제한하는 것은 아니라는 것을 알 수 있다. 더욱이, 측방향 보강 수단(108)은 접촉력에 응답하여 패널(102)의 측방향 이동을 제한하는 임의의 구조를 포함할 수 있다.

패널(102)이 도1a에 도시된 실시예의 힘 센서나 예압 스프링(109)을 통해 고정되지 않기 때문에, 기본 구성을 유지하고 동역학적 측방향 강성을 형성하기 위해 측방향 보강 수단(108)이 사용된다. 그러나, 패널(102)이 하부에 센서에 대해 아주 작은 양만큼 활주할 가능성이 있더라도 측방향 완화 수단(107)이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 접촉력 자체에 부가하여 예압 힘은 임의의 있음직한 접선력이 통상의 터치 중에 이러한 활주 운동을 일으키지 않도록 하기에 충분한 마찰을 생성할 수 있다. 그러므로, 활주를 발생시키지 않는 작은 힘에 대한 차분적 의미에서의 센서 조립체의 측방향 강성에 대한 측방향 보강 수단(108)의 측방향 강성의 비는 접선방향 접촉력에 의한 경로를 결정하게 된다.

측방향 보강 수단(108)이 도1a 및 도1b에 재료의 단일체로 도시되어 있지만, 이는 예일 뿐이고 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 예를 들면, 측방향 보강 수단(108)은 4개의 테이프 조각으로 조립될 수 있고, 코너에서 다양한 방법으로 맞대어지거나(butted) 중첩될 수 있다. 선택적으로, 측방향 보강 수단(108)은 예컨대 광학적으로 선명한 접착제가 터치 표면(103a)의 전체 내부 영역에 걸쳐 부착된 한 장의 투명 필름일 수 있다. 측방향 완화 수단(107)은 천연 고무와 같이 인성을 갖지만 연질의 탄성중합체의 얇은 층을 포함할 수 있다. 그러나, 연질의 아크릴계 접착제의 보다 간단한 선택은 호일(foil)의 두께가 단지 0.00381 cm(0.0015 in)일 때 지지 영역에서 다소 얇게 되더라도 충분히 인성을 갖고 굴곡될 수 있는것으로 증명되었다. 패널(102)은 특히 플라스틱으로 제조될 때 그 에지에서 세부적으로 손질된다. 예를 들면, 패널(102)의 코너 근처의 표면에 평행한 구멍은 예압 스프링을 코너에 유지시키기 위해 후크가 프레임(104a)으로부터 내부로 굴곡된 상태로 각진 예압 스프링 단부를 보유할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에 사용된 측방향 보강 수단(108)의 특징을 이제 상세히 설명한다. 도2에 의하면, [예컨대, 도1a 및 도1b에 도시된 터치 표면(103a)일 수 있는] 터치 표면(103)은 예컨대 [도1a에 도시된 오버레이 패널(102)과 같은] 오버레이 또는 (LCD 패널과 같은) 디스플레이 유닛을 나타낼 수도 있는 플로팅 구조(401) 상에 위치한다. 손가락(402)은 접선 성분(403)과 수직 성분(404)을 포함하는 접촉력을 가한다. 구조(401)는 측방향 보강 수단(405)과 측방향 완화 수단(406)을 통해 힘 센서(407)에 의해 지지된다. 손가락(402)에 의해 가해진 접선력의 접선 성분(403)은 반력(409)을 생성하고 손가락(402)에 의해 가해진 접선력의 수직 성분(404)은 반력(410a, 410b)을 생성한다.

측방향 보강 수단(405)의 구성 및 위치에 의해, 접선 성분(403) 및 반력(409)의 조합은 어떠한 순 모멘트(pure moment)를 형성하지 않는다. 이러한 외부 모멘트가 없다면, 수직 성분(404)에 대한 반력(401a, 410b)의 분리는 당업자에 잘 알려진 힘 및 모멘트 방정식에 따라 터치 위치를 정확히 파악하게 한다.

측방향 보강 수단(405), 힘 센서(407), 측방향 완화 수단(406) 및 주변 구조(408)가 일반적인 형태로 도2에 도시되어 있지만, 이들 요소들이 예컨대 도1a 및 도1b에 도시된 바와 같이 구현될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 측방향 보강 수단(405)은 측방향 보강 수단(108)일 수 있고, 힘 센서(407)는 도1a 및 도1b에 도시된 힘 센서일 수도 있고, 측방향 완화 수단(406)은 측방향 완화 수단(107)일 수도 있고, 주변 구조(408)는 외피(202) 및 프레임(104a)일 수도 있다.

측방향 보강 수단(405)은 종래의 힘-기반 터치 장치 내에서 빈 곳(void)이 잘 존재하는 위치에 위치하기 때문에 부분적으로는 이와 같이 불리는 반면에, 측방향 완화 수단(406)은 종래의 힘-기반 터치 장치 내에서 견고한 커플링이 통상 존재하는 위치에 위치하기 때문에 부분적으로 이와 같이 불리게 된다. 이러한 양 경우에 직각으로 가해진 힘보다는 일방향으로 가해진 힘에 대해 더 견고하게 되는 커플링이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 견고한 평면들 사이에 끼워진 높은 형상비를 갖는 탄성중합체 층이 그러한 것처럼, 예컨대 높은 형상비(aspect ratio)를 갖는 컬럼(column), 빔(beam), 판(plate) 및 멤브레인(membrane)이 이러한 특성을 갖는다. 물론, 종래의 베어링이 그러하지만, 여기서는 작은 힘의 수준에서 부착될 수 있는 마찰 표면을 피하는 것이 간단할 뿐만 아니라 더 낫다.

도2에 직접적으로 도시되지 않은 몇몇 추가 태양이 고려되어야 한다. 측방향 보강 수단(405)은 도2의 평면의 위아래의 에지를 따라 존재할 수도 있다. 본 발명이 다양한 실시예에 있어서, 반력(409)은 측방향 보강 수단(405)의 다른 부분에서의 전단력(shear)에 의해 주로 형성된다.

도3a, 도3b 및 도3c는 측방향 보강 수단(405)의 다양한 실시예를 도시하고 있다. [도1a에 도시된 오버레이 패널(102)과 같은] 오버레이 또는 (LCD 패널과 같은) 디스플레이 유닛을 나타낼 수도 있는 일반적인 플로팅 구조(401a)는 이러한 변형예에서 탄성중합체 시트로서 도시된 측방향 완화 수단(501)을 통해 일반적인 힘 센서(407)로부터의 수직 지지력을 받는다. 측방향 보강 수단(502)은 그 자유 굴곡 영역이 가급적 터치 평면에 근접하게 위치하도록 설계된 박판 재료이다. 측방향 보강 수단(502)은 플로팅 구조(401a)의 전체 외주 주위로 지지되거나 센서 마운팅 주위의 특정 영역으로 한정될 수도 있다. 접선력의 2개의 독립적인 자유도가 있게 되는데, 그 중 하나는 도3a 내지 도3c의 좌우측 축을 따라 향하고 본 단면도에서 보이는 측방향 보강 수단(502)의 부분들을 인장 또는 압축 상태에 있게 하며, 다른 하나는 도3a 및 도3c의 평면에 수직하게 향하고 본 단면도에서 보이는 측방향 보강 수단(502)의 부분들을 전단력 상태에 있게 한다. 측방향 보강 수단(502)이 본질적으로 평평하게 유지된다면, 이들 양 자유도는 측방향 보강 수단(502)의 모든 부분에 의해 효과적으로 저지되게 된다. 측방향 보강 수단(502)을 구성하는 대부분의 재료에 있어서, 영률(Young's modulus; 세로 탄성 계수)과 가로 탄성 계수(modulus of rigidity)의 비율은 측방향 보강 수단(502)의 부분들에 기인한 인장력 또는 압축력 관점에서의 보강이 동일한 길이의 보강 수단의 부분들에 기인한 전단력 관점에서의 보강에 비해 3배 내지 4배가 되도록 하는 것이다.

도3b에 의하면, 수직력(503)은 측방향 보강 수단(502)의 굴곡 부분이 경사져서 신장되도록 거리(506)에 이르는 터치 표면(103)의 수직 변형을 일으킨다. 이 거리(506)는 본 단면도에 도시된 바와 같이 센서들에 의해 제공되는 지지부 사이의 중간 지점에서 특히 크게 된다. 측방향 보강 수단(502) 내의 인장력은 거리(506)의 제곱에 비례하여 증가한다. 측방향 보강 수단(502)의 경사에 의해, 이 인장력은 가해진 힘(503)에 대한 평형 반력의 일부가 되는 수직 성분(504)을 갖는다. 이는 본 단면의 바깥에 있는 센서를 통과하는 반력 성분(505)을 기대치 이하로 감소시켜서 약간의 오차를 일으킨다.

도3c는 수직 하중이 없을 경우 측방향 보강 수단(502)의 굴곡 부분이 경사진 상태를 도시하고 있다. 거리(510)는 예컨대 프레임(104)의 의도적으로 상승된 립부 또는 구성 요소 및 조립 공차의 효과를 나타낼 수 있다. 접선력(507)은 측방향 보강 수단(502) 내에 압축력을 발생시킨다. 이 압축력은 경사지기 때문에 접선력(507)을 평형시키는 접선 성분뿐만 아니라 수직 성분의 평형 반력(509)을 포함하고 있다. 인장력에서의 유사한 상황이 대향 에지를 따라 발생한다. 오차 힘(509)과 대향 에지를 따라 크기는 같으나 방향이 반대인 대응 힘은 접선력(507)에 대한 반력으로 발생되는 사실상의 모멘트를 나타낸다. 이러한 "재밍"(jamming) 효과는 도3a 내지 도3c에 도시된 구성의 다른 특징을 나타낸다.

도4는 적당한 형상을 갖고서 어느 곳에나 제공되는 다른 측방향 보강 수단(601)을 도시하고 있다. 측방향 보강 수단(601)이 수직 방향[즉, 터치 표면(103)에 사실상 수직한 방향]으로 구부리기 쉽기 때문에, 이러한 형상은 표면(103)이 측방향 보강 수단(601)을 인장 상태가 되지 않게 하고서도 사실상 변형될 수 있게 한다. 이는 특히 센서들 사이의 에지 근처를 터치하는 경우에 정확히 위치 파악될 수 있는 접촉력의 범위를 향상시킨다. 측방향 보강 수단(601)의 형상은 인장력 및 압축력의 관점에서 측방향 보강 효과를 현저히 감소시킨다. 그러나, 전단력의 관점에서 측방향 보강 수단(601)의 측면에 의해 제공되는 측방향 강성은 여전히 충분하기 때문에, 측방향 보강 수단의 인장 및/압축을 통한 선택적인 효과(본 명세서에서는 "재밍 효과"라 함)를 갖는 불완전성에 기인한 오차를 현저히 감소시킨다는 점에서 효과적이다.

플로팅 구조(401b)는 비스듬한 에지(602)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 이는 측방향 보강 수단(601)의 굴곡 부분에 대한 공차를 유지하면서 힘 센서와 측방향 보강 수단(601)이 동일한 폭의 경계 폭을 공유할 수 있게 한다. 특정 용도의 베젤(203; bezel)은 이 베젤(203)과 측방향 보강 수단(601) 및 표면(103) 사이의 공차를 보장하도록 설계된 추가 특징부(604)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 베젤(203)은 경계 구조를 미적으로 은폐함과 동시에 측방향 보강 수단(601)을 손상으로부터 보호하기 위해 상기 경계 구조를 완전히 지지하는 것으로 도시되어 있다.

측방향 보강 수단(601)의 형상에 대한 추가 관점이 고려될 수 있다. 전단력 관점에서의 측방향 보강 수단(601)에 대한 탄성 회전축은 점선(603)의 높이에 위치하게 된다. 대략 원형인 형상에 있어서, 터치 평면으로부터의 점선(603)의 오프셋량은 측방향 보강 수단(601) 자체의 최대 오프셋량의 대략 2배이다. 측방향 보강 수단(601)의 형상이 얕은 "V"자 형상이라면, 점선(603)은 그 지점의 높이에 위치하게 될 것이다. 정밀 평면이 점선(603)의 높이에 위치하게 되므로, 접선력 배제는 완벽하지는 않지만 중요하게 된다.

도5a 내지 도5c는 예컨대 도1a 및 도1b에 도시된 실시예에 적용된 바와 같이 측방향 보강 수단(108)의 추가 변형예(108a 내지 108c)를 도시하고 있다. 이러한변형예들에 있어서, 프레임(104)은 터치 표면(103)으로부터 0.0508 cm(0.02 in)만큼 상승될 수 있는 의도적인 상승부 또는 립부를 갖는 것으로 도시되어 있다. 측방향 보강 수단(108a)은 또한 밀봉부로서 작용하며 아주 급격히 "굽은"(dog leg) 형상(701a)을 구비한다. 이 측방향 보강 수단(108a)의 굴곡 영역의 대부분은 오버레이(102)에 의해 지지된다. 이 부분은 손상에 대해 아주 잘 견딘다는 효과를 갖고 특정 용도의 베젤(203)에 의해 반드시 덮일 필요가 없다. 다른 실시예에 있어서 측방향 보강 수단(108a)은 프레임(104a)과 표면(103) 사이에 밀봉부를 제공할 수 없다는 것을 알아야 한다.

도5a에 있어서, 형상(701a)은 측방향 보강 수단(108a)이 표면(103)에 부착되는 지점(702)에 근접하게 위치된다. 베벨(203)은 최소 폭을 갖는다. 측방향 보강 수단(108a)은 불투명할 수도 있고, 경계부의 시각적 묘사에 적합한 색상을 가질 수도 있다. 베젤(203) 아래에는 오염물이 수집될 수도 있는 노출 공간이 거의 없고 그 결과 이러한 배치는 더러운 환경에서 특히 적합하다는 점에 주목해야 한다. 도5b에 있어서, 형상(701b)은 프레임(104)의 립부에 근접하여 위치된다. 베젤(203b)은 경계 구조를 은폐하는 것으로 도시되어 있다. 도5a 및 도5b에 각각 도시된 측방향 보강 수단(108a, 108b)은 예컨대 4개의 독립적인 테이프 또는 하나의 다이 컷 일편(die-cut piece)으로서 적용될 수 있다.

도5a 및 도5b의 굽은 측방향 보강 수단(108a, 108b)의 경우에, 전단력에 대한 회전을 위한 탄성 축(603)은 터치 표면(103) 위의 측방향 보강 수단의 굴곡 부분의 대략 평균 높이에 위치하게 된다. 최종 정밀 평면은 많은 목적을 위해 터치평면에 충분히 근접할 수 있다. 그러나, 임의의 잔여 재밍 효과가 정밀 평면을 터치 표면(103)의 아래에 위치시키고 하는 경향이 있는 반면에 축(603)은 그 위치하는 것을 알아야 한다. 따라서, 형상(701a)의 위치 및/또는 립부의 높이를 조절함으로써 이들 2개의 대립되는 효과가 상쇄되도록 조절될 수 있다. 이는 측방향 보강 수단 그 자체인 것보다는 터치 평면에 훨씬 더 근접하게 제한된 접선력을 발생시키는 측방향 보강 수단의 일예를 구성한다.

도5c에 있어서, 측방향 보강 수단(108c)은 전체 터치 표면(103)을 가로지르는 투명 필름을 포함한다. 부착구(702) 지점 내부의 측방향 보강 수단(108c)의 영역은 광 접착제로 고정된다. 도시된 바와 같이 베젤(203)이 최소라면 그리고 플로팅 구조(401)가 달리 투명하다면, (센서와 다른 에지 구조를 사용자의 시각으로부터 은폐하기 위해) 에지를 따라 플로팅 구조(401)의 상부 또는 하부 표면을 불투명 접착제로 코팅하는 것이 미학적으로 효과적이다. 플로팅 구조(401)는 유리 오버레이 또는 조각형 디스플레이라면, 측방향 보강 수단(108c)은 파단의 경우 유익한 안전 효과를 제공한다. 표면(103)이 부착구(702) 지점 바로 위에서 균일한 광학적 특성을 가지므로, 이 지점은 경계 폭을 증가시키지 않고서도 더 내향으로 위치될 수 있다. 전체 경계 폭이 측방향 보강 수단(108c)의 굴곡 부분으로 사용될 수 있으므로, 측방향 보강 수단(108c)이 더 두껍게 따라서 과다한 수직 강성을 부여하지 않고서도 더 인성을 갖도록 제조될 수 있다는 장점이 얻어진다.

본 발명의 일 태양에 있어서, 제1 및 제2 탄성 수단이 터치 위치 파악 장치 내의 터치 표면의 상하에 각각 제공된다. 제1 및 제2 탄성 수단은 평형을 이루어터치 평면 내에, 적어도 터치 평면의 오프셋 허용 구역 내에 위치된 탄성 중심을 얻게 된다. 탄성 수단들은 터치 위치 파악 장치 내의 감지 연결부 내에 이와 같이 제공되어 터치 평면의 오프셋 허용 구역 내에 있게 되는 정밀 표면을 생성하게 되며, 이럼으로써 터치 위치 파악 장치 내의 힘 센서에 대한 접선력의 영향을 감소 또는 제거할 수 있게 된다.

예를 들어, 도7a에 의하면, 터치 평면의 오프셋 허용 구역 내에 위치하는 정밀 표면을 생성하기 위한 탄성 수단(1010)을 구비하는 힘 센서 조립체의 일예가 도시되어 있다. 힘 센서(1002)는 견고한 지지 표면(1004)에 장착된다. 힘 센서(1002)(도시되고 본 명세서 내의 다른 위치에 설명된 다른 힘 센서)가 설명을 용이하게 하기 위해 일반적인 형태로 도시되어 있고, 이는 예컨대 압전식, 저항식, 정전용량식, 또는 충분한 강성을 제공하는 임의 형태의 구성일 수도 있다. 본 명세서에서의 이 예는 모든 관련 굴곡이 전술한 탄성 수단 내에서 발생할 것이라는 가정 하에 설명되며, 이는 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 더욱이, "강성" 구조 내의 적당한 탄성 굴곡이 정밀 평면 상하의 탄성 수단(1010)의 상대 강성을 조절함으로써 수용될 수 있다는 알아야 한다. 이와는 달리 (예컨대, 음의 강성 값을 필요로 함으로써) "강성" 구조 내의 이러한 굴곡이 너무 과다하여 상기의 조절이 가능하지 않게 되는 경우에는, 상대 조절이 소정의 효과를 가질 수 있도록 정밀 평면 상하의 탄성 수단(1010)의 강성은 함께 감소하게 된다. 힘 센서(1002)는 터치 패널(1008)의 터치 표면(1006)에 적용된 접촉력을 감지한다. 견고한 지지 부재(1014)는 (1) 터치 표면(1006)이 에지로부터 상향 연장하는 수직부(1014a)와 (2)탄성 수단(1010)의 공차를 제공하기 위해 터치 패널(1008)의 에지로부터 멀어지게 연장하는 수평부(1014b)를 구비한다.

탄성 수단(1010)의 일 단부는 견고한 지지 부재(1014)의 수평부(1014b)의 하부에 결합되는 반면에 탄성 수단(1010)의 다른 단부는 힘 센서(1002)의 상부 표면에 결합된다. 탄성 수단(1010)은 굴곡 지점(1012) 위의 상부 부분(1010a)과 굴곡 지점(1012) 아래의 하부 부분(1010b)을 구비한다.

제1 실시예에 있어서, 탄성 수단(1010)은 균일한 탄성 계수와 관성 모멘트를 갖는 빔으로, 그 상부 및 하부 부분(1010a, 1010b)은 동일한 길이를 갖는다. 대칭적으로, 본 실시예에서는 탄성 수단(1010)은 터치 표면(1006)에 가해지는 접선력에 응답하여 발생된 모멘트가 없게 되는 굴곡 지점(1012)을 갖는다는 것을 알아야 한다.

제2 실시예에 있어서, 도7b를 다시 참조하면 탄성 부재(1014)의 부분(1020a, 1020b)은 균일한 탄성 계수 및 관성 모멘트를 갖지만 형성되는 횡축에 따라 동일한 비율을 갖는 서로 다른 관성 모멘트를 갖는 각각 독립된 빔이다. 상기 2개 부분(1020a, 1020b)의 길이의 비율이 관성 모멘트의 비율의 평방근으로 설정되면, 다시 지점(1012)에서 굴곡 지점이 될 것이다. 따라서, 예컨대 탄성 부재(1014)는 원형 단면을 가질 수 있다. 터치 평면(1006)의 아래에서 200 mil의 직경을 갖고서 그리고 위에서는 50 mil의 직경을 갖고서 연장할 수 있다. 재료 및 직경(D)을 적절히 선택함으로써, 탄성 부재(1014)는 만족스런 강도를 가지지만 굴곡 지점(1012)의 위치를 조절하기에 충분한 가요성을 가질 수 있다. 그러나, 주변 구조 내의 굴곡 효과를 수용하기 위해 부분(1020a)의 길이에 대한 경험적인 조정을 수행하는 것이 바람직하다.

센서의 후방 배치를 달성하기 위한 이러한 방법은 굴곡 지점(1012) 근처에서 힘을 전달하는 재료의 양이 더 많아져서 보다 큰 강도를 제공할 수 있고 부재(1010)가 터치 패널(1008)을 지지 표면(1004)에 완전히 연결, 구속 및 조립시킬 수 있다는 점에서 드코스타의 미국 특허 제4,355,202호에 개시된 방법에 비해 효과적일 수 있다.

도7b에 의하면, 수평력(F)이 터치 표면(1006)에 가해지는 것으로 또한 가정한다. z를 터치 표면(1006)으로부터의 거리, 따라서 모멘트 암의 길이로 하고, 이럼으로써 접선력이 부재(1020) 내에서 모멘트를 일으킨다. 지점(a)에서의 힘(F)에 응답하여 생성되는 모멘트를 M이라 한다. 이 경우에, 지지 부재(1020)는 터치 표면(1006)에 결합된다.

M은 이상적으로는 지점(a)과 (도시되지 않은) 장치의 다른 측면 상의 대칭 지점에서 공히 영이다. 이와 같이 되면, 터치 표면(1006)은 힘 센서(1002) 또는 평형을 유지하기 위한 대칭적인 센서 내에 유사(spurious) 수직 센서 힘을 필요로 하지 않는다. 터치 표면(1006)이 본질적으로 수평을 유지하므로, 부재(1020)의 길이에 걸쳐 적분된 회전은 영을 유지하여야 한다. z=0일때 모멘트가 영이 되려면(즉, M=0), 하기의 식이 만족되어야 한다.

여기서, E는 영률이고, I는 그 단면의 관성 모멘트이다.

수학식 1이 만족된다면, 터치 표면(1006) 상하의 지지 부재(1020)의 굴곡의 영향은 서로 상쇄될 것이다. 단지 순 모멘트 커플과 순 전단력(pure shear force)만이 접촉점(b)에서 힘 센서(1002)에 의해 감지될 것이고 센서(1002)는 순 모멘트 커플이나 순 전단력에 응답하지 않는다. 수학식 1을 이용하면, 탄성 수단(1020)에 대한 적절한 설계가 개발될 수 있게 된다. 선택적으로, 당업계에 잘 알려진 경험적 방법이나 해석적 방법이 당업자에게 자명하게 될 많은 임의의 변형예를 개발하는 데에 적용될 수 있다. 예를 들면, 도7b의 실시예에 도시된 변형예에서 부재(1014)는 독립된 강성의 부재라기보다는 탄성 수단(1020)의 탄성 연장부가 될 수 있다. 접선력(F)에 대한 이러한 변형예의 응답 분석은 사실상 수학식 1과 부합된다. 그러나, (도시되지 않은) 도면의 평면을 지나는 접선력의 경우, 추가 비틀림 굴곡이 고려되어야 한다. 그러나, 터치 평면에 평행한 x 및 y 방향으로 탄성 수단의 다양한 부분의 상대 두께는 독립적으로 변경될 수 있으므로, 지점(a)에서의 반력 모멘트는 접선력의 양 성분에 대해 영이 될 수 있다. 또한, 다양한 디자인 및 다양한 설치 방향을 갖는 감지 연결부가 원-터치 위치 파악 장치에 사용된다면 지점(a)에서 영이 아닌 모멘트가 전체적으로 상쇄되고, 그 결과 모멘트 평형을 유지하기 위해 어떠한 유사 수직력이 센서를 통과하지 않아야 한다.

이제 본 명세서에 개시된 다른 태양에 관계되지만 다소 다른 분석 방법으로부터 얻어지는 본 발명의 2개의 추가 태양에 대해 설명한다. 양 태양에 있어서, 강성의 터치 표면 구조는 터치 평면 아래의 탄성 연결부를 통해 지지된다. 이는 지지 구조에 대한 터치 표면 구조의 다양한 영역의 이동에 대해 직간접적으로 응답할 수 있는 변위 센서에 의해 감지된다.

이들 태양은 터치 평면의 정밀도를 유지하면서 터치 평면 아래를 탄성 지지한다. 제1 변형예는 각진 탄성축을 이용하여 이를 달성하는 반면에 제2 변형예는 각진 감도 축을 이용하여 이를 달성한다는 점에서 더욱 신규하다.

탄성 연결부와 조합된 힘 센서로 볼 때, 이들 태양에 의한 변위 센서들은 모든 탄성 결합에 대해 전체적으로 각각 종속적이다. 따라서, 전체 다중 센서 터치 위치 파악 장치는 단일의 다중 채널 힘 감지 연결부로서 보여질 수 있다. 본 발명이 이들 태양의 다양한 실시예에 있어서, 접촉력에 기인한 터치 패널 및 지지부 내의 굴곡이 변위 센서가 이들 양자의 효과를 볼 때 탄성 연결부를 가로지르는 변위에 대해 작다면 보다 큰 정밀도가 얻어진다. 센서들과 연결부들이 근접하여 쌍을 이루고 있는 한도에서는 오차에 대한 감도와 대응되는 강성 요구 조건은 완화될 수 있다. 변위 센서의 감도 축이 각각 관련 탄성 연결부의 탄성 중심을 통과하는 범위 내에서는, 이러한 짝을 이룸이 개별적인 단일 채널의 힘 센서의 상호 작용하는 세트로서 분석하는 데에 있어서 다시 유익할 수 있다. 그러나, 변위 관점이 보다 일반적이므로 이들 실시예들을 분석하는 데에 사용된다.

도11로 참조하면, 탄성 연결부를 사용하는 본 발명의 일 실시예가 도시되어있다. 강성의 터치 표면 구조(1401)는 탄성 연결부(1403a, 1403b)에 의해 강성 지지체(1402) 상에 지지된다. 터치 표면 구조(1401)의 국부적인 수직 이동은 수직의 감도 축(1412a, 1412b)을 갖는 변위 센서(1404a, 1404b)에 의해 모니터된다. 변위 센서(1404a, 1404b)는 본 도면의 일반적인 도시에서 제시된 바와 같이 정전용량식이거나, 광학식 또는 유도식 등 또는 무시할만한 힘을 통과하는 임의 형태를 갖는다.

탄성 연결부(1403a, 1403b), 터치 표면 구조(1401) 및 지지체(1402)는 각진 강성 구조(1300)에 직접 상당하는 시스템을 구성한다. 따라서, 터치 표면(1411) 내의 접선력이 터치 표면 구조(1401) 내의 순 측방향 변위를 생성하여 센서(1404a, 1404b)로부터 아무런 출력을 생성하지 못하도록 탄성 연결부(1403a, 1403b)가 제공되는 방법을 알 수 있게 된다. 도11의 시스템은 접촉력의 접선 성분에 대해 아무런 오차도 갖지 않을 수 있다.

도12에 의하면, 각진 감도 축을 이용하는 본 발명에 의한 일 실시예가 도시되어 있다. 강성의 터치 표면 구조(1501)는 탄성 연결부(1503a, 1503b)에 의해 강성 지지체(1502) 상에 지지된다. 터치 표면 구조(1501)의 국부적인 수직 이동은 터치 평면 및 소정의 정밀 평면(1511)에 대해 경사진 감도 축(1512a, 1512b)을 따른 변위 센서(1504a, 1504b)에 의해 모니터된다. 변위 센서(1504a, 1504b)는 또한 실질적으로 임의의 형태를 가지고 그 선택은 크기, 정밀도 및 비용 등의 관점에서 특정 적용예에 가장 적합한 것으로 여겨지는 것이 무엇인가에 달려 있다.

접선력(1513)이 터치 표면(1511)에 가해질 때, 터치 표면 구조(1501)는 도12아래의 일 지점에 대해 다소 회전된다. 이러한 운동은 국부적으로는 센서(1504a)에서의 선(1509)을 따른다. 선(1509)과 유사하고 터치 표면 중심(1514)을 상향 통과하는 (도시되지 않은) 접선력에 응답하여 도면 밖으로 통과하는 것으로 추측될 수 있는 (도시되지 않은) 다른 변위 선이 있게 된다. 감도 축(1512)은 명백하게는 상기 선과 동시에 선(1509)에 수직하게 설정될 수 있다. 비록 불규칙하게 배치되더라도, 유사한 주장이 센서(1504b)와 사용된 다른 모든 변위 센서에 적용될 수 있다. 따라서, 접선력의 수직 성분으로 인한 터치 위치 오차를 일반적으로 제거하는 센서 방향이 사용가능하게 된다.

이러한 방향은 경험적으로 명백하게 발견될 수 있다. 그러나, 추가 해석으로부터 이를 알 수 있게 된다.

계속 도12를 참조하면, 접선력(1513)은 힘(1505)으로 도시된 바와 같이 수직 성분의 크기가 F1이고 접선 성분의 크기 F2인 연결부(1503a) 내에 크기가 F인 힘을 생성한다. 힘(F)은 터치 표면 중심(1514)을 통과하고 탄성 연결부(1503a)의 중심을 아주 근접하여 통과하는 작용선(1510)을 갖는다. [연결부(1503a)가 터치 표면 구조(1501)의 약간의 회전에 대한 작은 모멘트 반력을 가지므로 이러한 정렬은 이론적으로는 완벽하다.] 연결부(1503a)의 중심은 터치 평면 아래로 거리(H2)만큼 이격되어 위치하고, 센서(1504a)의 중심은 터치 평면 아래로 거리(H2)만큼 이격되어 위치한다. 연결부(1503a)의 탄성 중심은 또한 중심 지점(1514)의 좌측으로 거리(L2)만큼 이격되어 위치하는 반면에 센서(1504a)의 중심에 대한 대응 거리는 L1이 된다. 그러므로, 비율(F1/F2)은 비율(H2/L2)과 아주 근사한 것을 알 수 있다.

연결부(1503a)의 주축 및 강성은 지점(1506)에 도시되어 있다. 연결부(1503)의 탄성 중심에서의 강성 연결에 의해 도시되는 바와 같이 터치 표면 구조(1501)의 변위는 지점(1507)에 도시되어 있다. 수직의 주 강성(S1)은 도시된 바와 같이 그리고 탄성 연결부(1503a, 1503b)를 도시하기 위해 사용된 부호에 의해 제안된 바와 같이 접선 방향의 주 강성(S2)을 초과할 수 있다(S1/S2>1). 사실상, 아주 넓은 범위의 강성비가 가능하며, 탄성 연결부에 대한 많은 선택이 1보다 작은 비율(S1/S2)을 제공할 수 있다. 표현된 바와 같이 힘 성분(F1, F2)은 이미 연결부(1503a)의 주 축에 대해 정렬되었고, 변위(D)가 터치 평면에 대해 형성하는 각도(φ)의 탄젠트 값은 다음과 같이 주어진다.

D1/D2 = (F1/F2) *(S2/S1) = (H2/L2) * (S2/S1)

터치 평면에 대해 변위선(1509)이 형성하는 각도는 또한 센서(1504a)가 최적으로 경사진 각도(θ)이다. 이 각도는 각도(φ)와 밀접하게 관련되어, 연결부(1503a)의 탄성 중심 및 센서(1504a)의 중심이 중첩될 때 또는 접선력(1513)에 응답하여 터치 표면 구조(1501)가 회전하는 중심으로부터 동일 반경을 따라 위치하는 경우에는 θ=φ의 관계가 유지된다. 회전 중심이 감도 축(1512a, 1512b)의 교차점 상에 위치한다. 또한, 터치 평면의 법선으로부터 각도(φ)만큼 경사진 연결부(1503a, 1503b)의 탄성 중심을 통과하는 반경을 따라 위치한다. 이러한 기하학적 형태를 조사함으로써 수학식 2에 나타난 관계를 얻게 된다.

3차원 설계를 할 때, 각도(θ)는 해당 센서의 감도 축이 x축 또는 y축을 포함하는 수직 평면 내로 돌출하는 선이 터치 평면 법선에 대해 형성되는 각도로 간주되고, 이는 각 축에 관하여 각 센서에 대해 결정될 수도 있다.

강성(S2)에 대해서는 보다 큰 값이 보다 작은 측방향 이동과 조합된 보다 큰 각도(θ)를 초래하고 이는 생산시 각도(θ)의 값을 보다 덜 정밀하게 유지할 수 있게 한다.

도11 또는 도12에 도시된 실시예에 대해서는, 변위 센서들의 위치가 일직선에 보다 근접하게 해당되지 않는 한에는 그 위치들이 상당한 자유도를 갖고서 선택될 수 있다. 특히, 강성 요구조건을 감소시키기 위해 개별 탄성 연결부에 아주 근접하여 쌍을 이루고 있거나 상기 탄성 연결부로부터 내부에, 외부에, 번갈아가며, 또는 수적으로 상이하게 있을 수 있다. 탄성 연결부의 수직 강성은 상대적으로 작은 센서 감도 및 구조적 강성을 덜 하게 제조되거나, 진동에 대한 감도를 더 감소시키도록 제조될 수 있다.

각진 강성의 탄성 연결부와의 각진 변위 센서의 조합은 당연할 것이고 본 발명의 범위 내에 속한다.

본 발명의 다양한 실시예는 각진 강성 구조를 사용하며, 즉 하나 또는 그 이상의 탄성체는 터치 평면 법선에 대해 경사진 주 강성 축을 갖는다.

도10a를 참조하면, 각진 강성 구조(1300)는 각각 대응되는 최대 주 강성 축(1312a, 1312b)을 갖는 탄성 연결부(1301a, 1301b)에 의해 강성 지지체(1303) 상에 지지되는 강체(1302)를 구비한다. 탄성 연결부(1301b)는 도10a의 중앙 평면을 가로질러 취해지는 바와 같이 탄성 연결부(1301a)의 거울상과 같이 구성되고 적용된다. 통상, 탄성 연결부(1301a, 1301b)는 그 양단에 견고히 부착된 것으로 여겨지며, 따라서 임의의 방향으로 적당한 정도의 저항력을 가질 수 있다. 탄성 연결부(1301a)의 경우, 이러한 저항은 최대 주 강성(1310)의 길이와 방향으로 도시된 특정 방향으로 존재하는 최대 값을 가질 수 있다. 탄성 연결부(1301a)의 상대적으로 작은 주 강성(1311)은 최대 주 강성(1310)에 대해 직각으로 존재하여야 한다. 설명을 위해, 이들 2개의 방향은 도10a의 평면 내에 위치하는 것이 될 수 있다. 3차원에서, 제3 주 강성은 도10a의 평면에 직각 방향으로 연장한다. 명확히 하기 위해, 이 최종 주 강성은 강성(1311)의 값과 동일한 값을 갖는 것으로 여겨질 수 있고, 그 결과 이들 2개의 상대적으로 작은 주 강성이 약화되게 된다.

접선력(1304)은 터치 표면을 나타낼 수도 있는 표면(1305)의 높이에서 강체(1302)에 가해진다. 이에 응답하여, 지점(1306)이 아마 좌측 상향 이동하면서, 하향 이동하면서, 또는 수평을 유지하면서 강체(1302)는 좌측으로 이동될 것이다. 그러나, 표면(1305)의 중앙에 있는 지점(1308)은 대칭의 원리로부터 알 수 있는 바와 같이 완전히 수평하게 이동되어야 한다.

연결부(1301a, 1301b)의 최대 주 강성의 방향은 표면(1305)의 법선으로부터 각도(θ)만큼 내향 경사져 있다. 강성이 θ=0의 상태로 정렬된다면, 구조(1300)의탄성 중심은 연결부(1301a, 1301b)의 개별 탄성 중심 사이의 중간에 해당되는 지점(1307)에 위치하게 된다. 따라서, 이러한 경우 지점(1306)은 힘(1304)에 응답하여 좌측 및 하향으로 하강하게 될 것이다. 그러나, 영보다 큰 θ에 의해, 시스템의 탄성 중심은 지점(1307) 위에 있게 될 것이다. 이를 보기 위해, 상대적으로 작은 주 강성(1311)이 영으로 감소되는 것으로 가정한다. 이는 탄성 연결부(1301a, 1301b)의 적절한 구성과 가까워 질 수 있으나, 탄성 연결부(1301a, 1301b)를 최대 주 강성(1312a, 1312b)의 축을 따라 위치하는 피봇이 각 단부에 장착되는 것으로 상상함으로써 충분히 추측될 수도 있다. 약간의 힘(1304)은 강체(1302)를 연결부의 2개의 축이 교차하는 지점(1309)에 중심을 두고 회전시키면서 이를 이동시킨다. 따라서, 지점(1306)은 좌측으로 이동함에 따라 상승하게 된다.

본 시스템의 탄성 중심이 순 모멘트 커플이 이를 가로질러 가해질 때 회전 중심이 될 수 있더라도 직선 방향 힘이 관련될 때에는 일반적으로 회전 중심이 되지 못한다. 그러나, 이러한 특별한 경우, 모멘트 커플에 응답하여 본 시스템이 명백히 지점(1309)에 대해 회전함에 따라 이들 2개의 회전 중심이 일치하는 것을 알 수 있다.

탄성 연결부(1301a, 1301b)의 상대적으로 작은 주 강성이 증가함에 따라, 본 시스템의 탄성 중심은 대칭 평면을 따라 매끄럽게 지점(1309)으로부터 지점(1307)을 향해 하강하여, "상대적으로 작은" 및 "최대" 주 강성이 동일한 크기를 가질 때 지점(1307)에 도달하게 된다.

따라서, 최대 주 강성 축(1312a, 1312b)이 중심 표면 지점(1308)을 상향 통과하게 하는 각도(θ)에 대한 임의의 선택에 있어서, 지점(1308)에 본 시스템의 탄성 중심을 위치시키는 상대적으로 작은 주 강성(1311)의 값이 있게 된다. 이러한 선택을 함으로써, 지점(1306)은 힘(1304)에 응답하여 완전히 수평으로 이동하기 시작한다. 이러한 힘(1304)은 저항을 받게 되므로, 최종 결과는 무시할만한 회전이나 수직 변위를 수반하는 강체(1302)의 작은 수평 변위가 될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 일 태양에 있어서, 각진 강성 구조는 탄성 중심의 위치를 개략적으로 제어하는 데에 사용될 수 있는데, 각진 강성을 사용하지 않는다면 달성하기 힘든 위치에 상기 탄성 중심 위치를 배치할 수 있다. 특히, 본 발명은 각진 강성 구조(1300)가 관련된 탄성 에너지 저장과 무관하게 하는 평면(1313)과 같은 평면을 넘어 위치하는 지점(1308)과 같은 지점으로 탄성 중심을 옮길 수 있는 방법을 개시하고 있다.

측방향 보강 수단으로 이해되므로, 각진 강성 구조(1300)는 상기 강성 구조(1300)의 탄성 중심에 의해 위치되고 이를 포함하는 효과 평면을 갖는 것을 알 수 있다.

탄성 연결부(1301a, 1301b)는 최대 주 강성 축과 정렬된 물리적 구조와 단부 부착구를 갖는 것으로 도시되어 있다. 이는 단지 명확한 설명을 위한 것이다. 탄성 연결부(1301a, 1301b)를 나타내기 위해 선택된 다소 개략적인 부호가 실제로 사용될 수 있는 코일 스프링을 제안하고는 있지만, 탄성 연결부(1301a, 1301b)는 탄성중합체 블록 또는 몰딩(molding)이나 보다 큰 탄성 금속 스탬핑(stamping)의 몸체로부터 굴곡되고 휜 얇은 탭(tab)과 같은 다른 구조를 이용하여 구현될 수도 있다. 재료, 형태 및 구성의 많은 다른 변형은 당업자에 의해 가능하다. 각진 강성 구조는 큰 몸체의 적절히 형성된 부분으로 또는 작은 몸체를 조합함으로써 달성될 수 있다. 각진 강성의 부착 지점은 주 강성 축과 반드시 관계될 필요는 없다.

예를 들면, 도10b에 있어서, 도시된 탄성 연결부(1320)는 강체(1321)와 강성 지지체(1322) 사이에 위치되어 경사진 최대 주 강성 축(1323)을 제공한다. 탄성 중심(1327, 1328)을 각각 갖는 탄성체(1324, 1325)는 강성 링크(1329a 내지 1329c)와 직렬 결합된다. 링크(1329a, 1329c)는 강성이어서 상기 탄성체의 상하에 견고하게 부착되고, 그 경로와 부착 지점은 편의를 위해 전체 탄성 거동 또는 축(1323) 상에 아무 영향을 미치지 않도록 선택될 수 있다. 탄성체(1324, 1325)는 경사지지 않은 주 강성 축을 개별적으로 가질 수도 있다. 그러나, 직렬 연결시, 링크(1329b)는 탄성 중심(1327, 1328) 사이의 직선에 수직한 방향으로의 전체 변위에 응답하여 회전할 수도 있다. 이는 이러한 방향으로의 변위에 대한 저항을 현저히 감소시켜서 주 강성 축(1323)이 중심(1327, 1328)을 근접 통과하게 한다. 따라서, 직렬 연결된 탄성 중심(1327, 1328)을 경사지게 위치시킴으로써 축(1323)이 경사지게 된다. 그러므로, 개별 보조 요소(sub-element)가 경사지지 않을 때에도 경사진 형태의 구조로부터 기인한 각진 구조를 이용하여 탄성 중심이 제어되거나 계획될 수 있다.

다시 도10a에 의하면, 3차원의 각진 강성 구조(1300)를 고려한다. 구조(1300)의 전체 탄성 중심은 도10a의 평면의 좌우로 향하는 힘의 높이와 동일한상기 평면의 내외로 통과하는 힘의 높이로 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 탄성 연결부(1301a, 1301b)와 유사한 개별 탄성 연결부의 각각이 공통 중심축을 향해 내향 경사진 상태로 강체(1302) 아래에 위치하는 몇몇 폐곡선의 외주를 따라 일정 간격으로 이격될 수 있다. 탄성 연결부는 정미 경사(net inclination)가 내향인 한에는 이러한 축의 측면으로 경사질 수 있고, 연결부의 조합은 함께 충분한 평형 상태를 복원시킨다. 선택적으로, 경사진 축을 갖는 연속적인 탄성 부재는 이러한 폐곡선을 둘러싸고, 이어서 탄성 연결부(1301a, 1301b)는 도10a의 평면 근처의 단면의 효과(effect of sections)를 나타낸다. 각 경우에 있어서, 도면 평면 위 또는 아래에 위치하고 좌우방향 축에 대해 중심에 보다 근접한 탄성 연결부는 탄성 연결부(1301a, 1301b)의 몇몇 예상 효과를 감소시킬 것이다. 이는 적절한 각도(θ)와 강성(1311)에 대한 강성(1310)에 대한 적절한 비율을 선택할 때 고려될 수 있다.

전체 탄성 중심의 소정 높이의 경우에, 이러한 높이를 생성하기에 충분한 상기 비율의 최소값 및 이에 대응되는 단일 값(θ)이 있게 된다. 그러나, 큰 비율의 경우, 전체 탄성 중심의 소정의 동일한 높이를 제공하는 2개의 상이한 값(θ)이 있게 된다. 보다 작고 덜 경사진 값(θ)을 갖는 해결책은 상대적으로 큰 수직 강성과 상대적으로 작은 접선 강성을 갖는 구조(1300)에 해당되는 반면에, 보다 크고 더 경사진 값(θ)을 갖는 해결책은 더 작은 수직 강성과 더 큰 접선 강성을 제공하는 것이다. 본 명세서의 다른 부분에 설명된 다른 적용예는 상기의 일 해결책 또는 다른 해결책으로 보다 더 잘 작용할 수도 있다. 이러한 해결책의 계산(예상)은당업자에게 잘 알려진 역학의 원리로부터 알 수 있게 된다.

본 발명의 일 태양에 있어서, 분리된 힘 경로는 터치 평면으로부터 제거된 측방향 보강 수단을 이용하여 터치 위치 파악 장치 내에 제공된다. 다시 도8a를 참조하면, 예컨대 힘 감지용 터치 위치 파악 장치(1100)는 터치 표면(1107)을 갖는 터치 패널(1101)을 포함한다. 패널(1101)은 감지 연결부(1103a, 1103b)와 경사 강성 탄성 연결부(1104a, 1104b)를 통해 지지 표면(1102) 위에 지지된다. 감지 연결부(1103a, 1103b)는 힘 센서(1105a, 1105b)와 측방향 보강 수단(1106a, 1106b)을 갖는 센서 조립체를 포함한다. 패널(1101), 지지체(1102) 및 탄성 연결부(1104a, 1104b)의 조합은 (도10a의) 각진 강성 구조(1300)와 유사한 구조를 구성한다.

제1 실시예에 있어서, 측방향 보강 수단(1106a, 1106b)은 탄성 연결부(1104a, 1104b)에 의해 제공되는 강성에 비해 무시할만한 측방향 강성을 제공한다. 연결부(1104a, 1104b)의 경사 및 강성 비율은 감지 연결부(1103a, 1103b)가 없는 경우에 터치 평면(1107) 내에 탄성 중심(1108)을 제공하도록 추가로 선택될 수 있다. 터치 평면(1107)에 가해진 접선력은 어느 하나의 센서 연결 영역에 걸친 수직 변형이 없이도 순수 측방향 이동을 생성한다. 따라서, 감지 연결부(1103a, 1103b)가 재 설치된 상태로 동일한 접선력은 순수 측방향 이동을 계속 발생시켜서 센서(1105a, 1105b)로 전달되나 이를 통해 중요한 힘은 통과하지 않게 된다. 따라서, 터치 위치 파악 장치(1100)는 그 터치 평면과 사실상 일치하는 정밀 평면을 가지도록 제조된다.

제2 실시예에 있어서, 측방향 보강 수단(1106a, 1106b)은 중요한 측방향 강성을 제공할 수 있다. 그러나, 연결부(1104a, 1104b)의 경사 및 강성 비율은 감지 연결부(1103a, 1103b)가 없는 경우에 지점(1108)보다 다소 높은 탄성 중심을 제공하도록 선택될 수 있다. 센서 조립체의 측방향 강성이 과다하지 않다면 터치 평면의 오프셋 허용 구역 내에 정밀 표면을 다시 위치시키기 위해 이러한 강성의 효과를 상쇄시키는 연결부(1104a, 1104b)를 위한 선택이 존재할 것이라는 것을 알 수 있다. 또 다른 경우에, 감지 연결부(1103a, 1103b)가 중요한 측방향 강성뿐만 아니라 다소 경사진 강성을 제공한다면, 탄성 연결부(1104a, 1104b)에 대한 적절한 조절이 정밀 표면과 터치 평면 사이의 일치를 여전히 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다.

힘 센서(1105a, 1105b)는 임의의 디자인을 가질 수 있고, 수직방향으로 강성일 수도 있다. 측방향 완화 수단(1106a, 1106b)은 센서의 위 또는 아래에 위치할 수 있고, 상기 센서가 충분한 측방향 컴플라이언스(compliance)를 가진다면 생략될 수도 있다. 힘 센서(1105a, 1105b) 또는 측방향 완화 수단(1106a, 1106b)은 패널(1101) 또는 지지체(1102) 내의 불리한 굴곡 효과를 감소시키기 위해 회전 완화 수단을 또한 포함할 수 있다. 최소 수직 보강과 결합된 최대 측방향 보강을 제공하기 위해 탄성 연결부(1104a, 1104b)의 실질적인 최대 경사가 선택될 수 있다. 탄성 연결부(1104a, 1104b) 내의 낮은 수직 강성은 대부분의 수직 접촉력이 센서(1105a, 1105b)를 통과하게 할 수 있고, 또한 패널(1101) 또는 지지체(1102) 내의 굴곡에 기인한 터치 위치 오차를 감소시킨다. 따라서, 탄성 연결부(1104a, 1104b)는 탄성 연결부가 터치 평면 후방에 위치한 상태로 측방향 보강 수단을 포함한다.

도8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 돔형 터치 렌즈(1150)를 갖는 터치 작동식 휴대 전화 적용예를 도시한다. 돔형 렌즈(1150)의 형태는 예컨대 심미적인 이유로 또는 강도 및 강성의 기능적 관점에서 요청된다. 렌즈(1150)의 터치 표면(1152)이 평면이 아니므로, 3자유도 힘 감지로는 접선력의 완전한 배제는 불가능하게 된다. 양호한 보완적인 정밀 평면(1154)이 여전히 가능하지만, 도시된 바와 같이 측방향 보강 수단이 실질적으로 사용되는 임의의 영역의 현저히 상부에 위치하게 된다.

그 아래의 다른 구조와 함께 효과적인 강성 지지체를 형성하는 외피(1160; shell)는 회로 기판(1166)에 대해 견고히 안착된다. 회로 기판(1166)은 외피(1160)의 선반(1168) 및/또는 리브(1169)에 위치된다. 소정의 정밀 평면(1154)은 터치 표면(1152)의 아래에서 작동하는 서스펜션 부재(1180)의 도움으로 얻어질 수 있다. 이 부재(1180)는 밀봉부로서 또한 하방의 탄성 연결부를 이용하는 측방향 보강 수단으로서 기능한다.

서스펜션 부재(1180)는 "재밍" 효과를 발생시키기 위해 각지게 된다. 본 발명의 일 실시예에서, 이 서스펜션 부재(1180)는 수직력 전달 요소(1158)와 외피(1160) 사이에 소정의 정밀 평면(1154)에 대해 일정 각도로 배치되고, 이는 정밀 평면(1154)을 소정의 높이로 위치되게 한다. 요소(1158)는 수직방향으로 강성을 가지나 그 길이로 인해 측방향으로 유연하게 되어 네킹부(1170; necking feature)와 협력하여 함께 작용한다.

보다 상세하게는, 서스펜션 부재(1180)가 위치되어야 하는 각도는 본 발명의 일 실시예에서 다음과 같이 선택된다. 도8c를 참조하면, 도8b의 서스펜션 부재(1180)와 합체된 휴대 전화 적용예의 부분 단면이 도시되어 있다. 렌즈(1150)는 본질적으로 정사각형 평면을 가질 수 있다. 부재(1180)는 도면 평면에 수직 방향으로 절단된 세그멘트(1180a, 1180b)와 도면 평면의 위아래에서 길이 방향으로 연장되는 세그멘트(1180c, 1180d)를 가질 수 있다. 접선 방향의 시험 변위(1182)가 터치 표면(1152)에 가해질 수 있다. 서스펜션 부재(1180)의 설계는 시험 변위(1182)에 대한 부재(1180) 내의 반력이 소정의 정밀 평면(1154) 내의 중심 지점(1184)에 대해 아무런 모멘트를 발생시키지 않도록 선택된다. 이러한 반력 모멘트가 존재하지 않는다면, (도8b의) 힘 센서(1162)는 이러한 모멘트와 평형을 이루기 위한 임의의 수직력을 받지 않게 될 것이다. 힘 센서(1162)는 정밀 평면(1154)에 가해진 힘의 임의의 접선 성분에 응답하지 않고 터치 표면(1152)에 가해진 접선 성분에도 그리 과다하게 응답하지는 않을 것이다.

접선력 오차를 최소화하기 위한 부재(1180)의 설계는 이로 제한되지는 않으나 완전한 유한 요소 해석을 포함하는 다양한 계산 기술에 의해서 뿐만 아니라 경험적으로 달성될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러나, 도8a 내지 도8d에 도시된 실시예는 기본 형태의 간단한 압축력, 전단력 및 빔 굴곡의 관점에서 해석에 이용된다. 이러한 해석은 어쩌면 다른 보다 엄밀한 대책이 더 설명될 본 발명의 방법에 대해 알 수 있게 해 준다.

시험 변위(1182)는 성분(1182a, 1182b)의 합으로 표현될 수 있다. 서스펜션부재 세그멘트(1180a)는 그 너비 방향으로 성분(1182a)에 의해 압축되고 성분(1182b)에 의해 횡방향으로 이동된다. 세그멘트(1180a, 1180b) 내의 이들 성분에 대한 반력은 수직력(1186a, 1186b)의 합으로 표현될 수 있다. 힘 성분(1186a)은 탄성 연결부의 너비와 평행한 반면에 힘 성분(1186b)은 세그멘트(1180a)의 너비와 수직하다.

도면 평면의 위아래에서 시험 변위(1182)와 평행하게 연장하는 세그멘트(1180c, 1180d)는 전단 반력(1186c, 1186d)을 또한 생성한다. 이들은 세그멘트(1180c, 1180d)가 이 방향으로 경사진 강성을 가지지 않으므로 시험 변위(1182)와 평행하게 된다.

도8d에 의하면, 렌즈(1150)의 좌반부 주위의 부재(1180) 내에 모든 반력의 효과는 작용선(1188a)을 갖는 단일의 힘(1186f)으로 축약된다. 작용선(1188b)을 갖는 유사 힘(1186g)은 렌즈(1150)의 우반부 상의 부재(1180)로부터의 모든 반력의 효과를 축약한 것이다. 힘(1186f)은 도시된 바와 같은 힘 합성도로부터 유도될 수 있다. 부하의 대칭 원리에 의해, 힘 성분(1186a, 1186b)은 부재 세그멘트(1180a)의 중심(1189; centroid) 근처에서 발생하는 것으로 처리될 수 있다. 마찬가지로, 전단력(1186c, 1186d)은 부재 세그멘트(1180c, 1180d)의 중심 근처에서 도면 평면의 위아래로 대칭으로 발생한다. 그러나, 순 시험 변위(1182)가 회전 없이 가해지므로 힘 성분(1186c, 1186d)은 동일한 크기와 방향을 갖는 2개의 힘, 즉 하나는 이 세그멘트의 좌반부에서 발생하고 다른 하나는 세그멘트의 우반부에서 발생하는 힘의 합으로서 각각 여겨질 수 있다. 합산된 힘(1186c, 1186d)의 "좌반부"(lefthalves)는 렌즈(1150)의 좌반부에 가해진 모든 힘의 잔여 부분을 구성하고 이는 힘(1186e)으로서 도시되어 있다. 힘(1186e)은 힘(1186c, 1186d)과 동일한 크기 및 방향을 갖는다. 또한, 이 힘은 세그먼트(1180a)의 중심(1189)을 근접 통과하는 작용선을 갖고 효과의 변화 없이 그 곳에서 전달되는 것으로 도시될 수 있다.

변위(1182a, 1182b)는 시험 변위(1182)와 각도(θ)의 사인값 및 코사인값이 각각 곱해져서 얻어진 크기와 동일한 크기를 갖는다. 주요 반력(1186a)은 변위(1182a)에 의한 서스펜션 부재 세그멘트(1180a)의 직접 압축력으로부터 계산될 수 있다. 보조 반력(1186b)은 이 세그멘트를 폭이 넓고 끝이 안내되는 빔(broad end-guided beam)으로 처리함으로써 부재 세그멘트(1180a)의 횡방향 변형(1182b)으로부터 계산될 수 있다. 이 빔은 심지어는 "뭉툭한"(stubby) 형태를 가지므로, 반력(1186b)은 직접 전단력의 효과에 의해 다소 감소될 수 있으나 부재(1180)의 빔 강성에 의해 좌우된다. 그러므로, 반력(1186b)의 상대적 중요성은 부재(1180)에 의해 연결되는 간격의 길이에 대한 부재(1180)의 두께의 비율에 의해 제어된다.

힘(1186e)은 시험 변위(1182)의 직접 측방향 전단력에 대한 유사한 부재 세그멘트(1180c, 1180d)의 응답으로부터 계산될 수 있다. 부재(1180)가 탄성중합체이고 각도(θ)가 너무 크지 않다면 힘(1186b)의 크기는 힘(1186e)의 크기의 4배에 근접하게 될 것이라는 것을 알 수 있다. 이는 탄성중합체가 1/2에 아주 근접한 프아송비(Poisson)를 갖는다는 사실과 빔으로서의 세그멘트(1180a)가 "길이"에 비해 아주 "폭이 넓다"는 사실의 반영이다.

힘(1186f, 1186g)은 탄성중합체 션트 연결부 내에서 발생되는 시험변위(1182)에 대한 전체 반력으로 합산된다. 대칭 원리에 의해, 이들 성분 반력의 작용선(1188a, 1188b)은 최종의 전체 탄성 션트 연결부의 작용선이 통과하는 지점(1184)에서 교차하게 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 대칭의 원리에 의해 전체 션트 연결부의 작용선이 수평이고 평면(1154) 및 도면의 평면 내에 속한다. 시험 변위(1182)가 션트 연결부 내에서 그 크기가 같고 방향이 반대인 순 시험 접선력에 의해 생성될 수 있고 지점(1184)과 평면(1154)의 수준에서 가해질 수 있다는 것을 고려한다. 이러한 경우에 그리고 본 적용예의 이 수준에서만 감지 연결부 내에서 요구되는 추가 반력 없이도 평형이 유지된다. 따라서, 평면(1154) 내에 가해지는 중심 정렬된 접선력은 측방향으로 유연한 감지 연결부를 통과하는 어떠한 힘이 없이도 순 접선 방향 변위를 생성한다. 그러나, 본 명세서에서 형성된 주장에 의하면 평면(1154) 내의 임의의 위치에서 임의의 방향으로 가해진 어떠한 접선력도 센서에 기록되지 않는다는 것은 틀림없다. 따라서, 소정의 정밀 평면(1154)은 사실상 실질적인 정밀 평면임을 알 수 있고, 부재(1180)에 의해 제공되는 탄성 션트 연결부는 효과적인 측방향 보강 수단을 포함하는 것을 알 수 있다.

정밀 평면(1154)의 높이 제어는 임의의 다양한 방법으로 달성될 수 있다. 예를 들면, 부재(1180)는 단면에 대한 확장부(bulge) 또는 윤곽(contour)을 구비할 수 있다. 이는 힘(1186b, 1186c)을 크게 변하지 않게 유지하면서 힘(1186a)의 크기를 감소시킴으로써 순 반력 각도(φ)[시험 변위(1182)와 작용선(1188a, 1188b) 사이의 각도]를 제어한다.

선택적으로, 소정의 정밀 평면(1154)은 부재(1180)의 너비(최대 주 강성의방향)와 장착 평면[소정의 정밀 평면(1154)과 평행한 평면]에 대한 법선 사이의 장착 각도(θ)를 변경시킴으로써 얻어질 수 있다. 이는 반력(1186a)의 각도와 반력(1186b)의 각도 및 크기를 변경시킴으로써 순 반력 각도(φ)를 제어한다. 각도(θ)가 평면 장착으로부터 처음에는 감소함에 따라, 각도(φ)는 수직으로 회전하는 반력(1186a)에 의해 먼저 증가한다. 부재(1180)가 더 상향 경사짐에 따라, 반력(1180b)의 크기는 증가하기 시작하고 각도(φ)의 증가를 방해한다. 각도(θ)가 더 증가함에 따라 반력(1186a)의 감소 크기와 반력(1186b)의 증가 크기는 각도(φ)의 경향을 거꾸로 하여 상기 각도가 감소하게 한다. 이에 걸쳐서 반력(1186e)은 변하지 않고 유지된다.

소정의 정밀 평면(1154)을 얻기 위한 다른 방법은 부재(1180)의 상대 두께를 변경시키는 것이다. 이는 반력(1186b)의 상대 크기를 변경시킴으로써 순 반력 각도(φ)를 제어한다.

수직 강성을 최소로 유지하는 것이 바람직한 상황에서, 부재(1180)의 장착 각도(θ)는 반력(1186b)을 최소화하기 위해 최대가 되어야 한다. 이는 각도(θ)의 함수로 각도(φ)의 증가에 이은 감소를 의미하는 2가지 가능한 대책의 "플래터"(flatter)를 취하는 것을 포함한다. 윤곽 제어 부재(1180)에 의해 얻어지는 제어는 윤곽 제어되지 않은 부재에 의해 제공되는 것보다 더 큰 수직/수평 강성 비율을 생성하고, 이는 생산시 충분히 재생가능한 것으로 유지하기 어렵다는 것으로 판명될 수 있다. 부재(1180)의 보다 큰 두께는 수직/수평 강성의 최대 비율을 생성하는 경향이 있다.

소정의 정밀 평면(1154)을 얻기 위한 전술한 기술은 전적으로 예시를 위한 목적으로 제공된 것이지 본 발명을 제한하고자 한 것은 아니라는 것을 알아야 한다. 소정의 정밀 평면(1154)을 얻기 위한 다른 기술도 본 발명의 범위에 속한다.

본 발명의 일 태양에 있어서, 복수의 힘 센서를 갖는 터치 위치 파악 장치 내의 터치 표면 아래에 탄성 수단이 제공된다. 감지 연결부는 복수의 힘 센서와 직렬 연결된 이러한 탄성 수단을 포함한다. 이 탄성 수단은 각각의 감지 연결부의 탄성 중심을 소정의 정밀 평면 내에 개별적으로 위치시키기 위해 소정의 정밀 평면으로부터 멀어지게 각지는 구성요소들을 포함한다. 따라서, 각각의 감지 연결부 내의 접선력에 대한 반력은 그 자체적으로 완전히 접선 방향이 된다. 감지 연결부는 소정의 정밀 평면에 수직한 감도 방향을 구비하고, 따라서 이 평면을 가로질러 전달된 전적으로 접선방향인 반력은 어떠한 출력도 생성하지 않는다.

예를 들어, 도9a에 의하면, 소정의 정밀 평면인 터치 표면(1204)을 갖는 터치 패널(1202)을 구비한 일 실시예가 도시되어 있다. 강성의 힘 센서(1206)는 힘 센서(1206)와 터치 패널(1202) 사이에 결합된 탄성 수단(1208a, 1208b)과 직렬로 연결되어 있다. 힘 센서(1206)는 강성의 지지 표면(1212)에 장착된다. 상하로부터 제공된 강성의 부착구와 관련하여, 힘 센서(1206)와 탄성 수단(1208a, 1208b)은 감지 연결부(1216)를 전체적으로 구성한다.

상하의 구조와 관련하여 탄성 수단(1208a, 1208b)은 각진 강성 구조(1300)의 일 실시예를 제공한다. 탄성 수단(1208a, 1208b)은 감지 연결부(1216)의 탄성 중심이 터치 표면(1204)의 오프셋 허용 구역 내에 위치한 지점(1214)에 있도록 배치되고, 각지고 소정의 강성 비율을 갖는다. 그 결과, 센서(1206)는 터치 표면(1204)에 가해지는 접선력에 민감하지 않게 된다.

도9b는 도9a에 도시된 배치의 변형예를 도시하는데, 이에 의하면 탄성중합체 슬래브(1128a, 1228b)가 강성의 브래킷(1221, 1223)의 각진 표면 사이에 부착되어 있다. 이는 당업자에게 자명한 도9a에 반 개략적으로 도시된 탄성 수단(1208a, 1208b)에 대한 광범위한 실시예들 중의 하나를 설명한다.

도9c는 도9a에 도시된 배치의 변형예를 도시하는데, 이에 의하면 변위 센서(1246; 예컨대, 정전용량식 센서)가 탄성 수단(1248a, 1248b; 예컨대 스프링)에 연결되어 있다. 탄성 수단(1248a, 1248b) 및 변위 센서(1246) 모두는 터치 패널(1242)의 하부(1250) 아래에 그리고 강성의 지지 표면(1252)의 위에 결합되어 있다. 상하에 제공된 강성의 부착구와 관련하여, 변위 센서(1246)와 탄성 수단(1248a, 1248b)은 감지 연결부(1256)를 전체적으로 구성한다. 각진 강성 구조(1300)를 참조하면, 터치 패널(1242)의 터치 표면(1244)의 오프셋 허용 구역 내에 위치하는 지점(1254)에 감지 연결부(1256)의 탄성 중심을 위치시키기 위해 탄성 수단(1248a, 1248b)이 어떻게 설계되어야 하는지를 알 수 있다. 그 결과, 센서(1246)는 터치 표면(1244)에 가해진 접선력에 대해 민감하지 않게 된다.

도9a 내지 도9c의 각각에는 단지 하나의 센서 조립체가 도시되어 있지만, 도8a 내지 도8d와 관련하여 전술한 기술을 이용하여 하나의 터치 패널에 다수의 센서 조립체가 결합될 수 있고 이럼으로써 소정의 정밀 평면의 오프셋 허용 구역 내에 각각의 감지 연결부의 탄성 중심을 위치시킬 수 있다는 알아야 한다.

상기의 논의는 이상적인 강성을 갖는 몇몇 요소들을 참조로 하여 수행되었다. 이러한 요소들은 실제 장치 내에서 작지만 무시할 수 없는 정도의 굴곡을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 특히, 감지 연결부를 통과하는 모멘트 커플에 추가적으로 굴곡을 생성하는 것은 연결부의 탄성 중심의 위치에 영향을 미치고, 이는 일반적으로 설계시 그 위치를 낮추기 쉽게 된다. 그러나, 이러한 굴곡이 한계치 내에 있는 한, 탄성 수단을 구성하는 요소들의 위치, 경사도 및 강성 비율을 적절히 더 조절함으로써 소정의 탄성 중심이 제공될 수 있다. 이러한 조절은 경험적으로 달성될 수 있다.

터치 표면 구조, 지지 구조, 힘 센서 또는 다른 요소들 내의 이상적인 강성보다 작게 수용하는 이러한 조절은 본 명세서의 다른 곳에서 설명한 본 발명의 이들 태양 및 여타 태양에서 사용될 수 있고 이는 본 발명의 범위에 속하게 된다.

본 발명의 다른 태양에 있어서, 터치 위치 파악 장치 내의 힘 센서 또는 힘 센서 조립체는 소정의 정밀 평면 및 국부적인 터치 표면의 법선(때로 달라짐)으로부터 멀어지게 경사지는 감도 축을 갖는다. 감도 축은 터치 표면에 가해진 접선력에 응답하여 감지 연결부를 통과하는 반력의 작용선이 직각으로 감도 축과 교차하도록 배치된다. 그 결과, 힘 센서는 소정의 정밀 평면 내에서 접선력에 대한 어떠한 응답도 생성하지 않는다.

예를 들어, 도6b를 참조하면, 각진 센서 조립체(956a, 956b)가 접선력에 민감하지 않게 되도록 사용되는 일 실시예가 도시되어 있다. 터치 패널(950)은 접촉력이 가해지는 터치 표면(952)을 갖는다. 그러므로, 센서 조립체(956a, 956b)의조절에 의해 얻어지는 소정의 정밀 평면은 터치 표면(952)과 일치하게 된다. 터치 표면(952)의 중심(954)에 접선력(938)을 가함으로써 센서 조립체(956a, 956b)를 통과하는 힘을 발생시킨다. 센서 조립체(956a, 956b)가 장착된 패널(950)의 전체 시스템보다 사실상 작은 회전 강성을 가지는 경우에, 이들 힘의 작용선(940a, 940b)은 도시된 바와 같이 센서 조립체의 탄성 중심(937a, 937b)의 근처를 지나거나 이를 통과하게 된다. 그러나, 센서 조립체(956a, 956b)가 터치 표면(952)에 대해 각진 감도 축(958a, 958b)을 가지므로, 작용선(940a, 940b)은 감도 축(958a, 958b)에 각각 수직하게 된다. 그러므로, 센서 조립체(956a, 956b)는 접선력(938)에 대한 어떠한 응답도 생성하지 않고, 이전에 언급한 바와 같이 터치 표면(952)에 가해진 접선력 및 수직 모멘트의 임의의 조합에도 어떠한 응답도 생성하지 않는다.

감지 연결부가 터치 패널(950)에 비해 회전 방향으로는 유연한 것이 일반적으로 바람직한데, 그 결과 수직 접촉력에 의해 생성된 터치 표면 왜곡에 따른 원하지 않는 모멘트가 센서를 통과하지 않게 된다. 이러한 회전 방향으로의 유연성(softness)은 특별히 제공되지 않더라도 선택된 설계에서는 본질적인 것이다. 선택적으로, 탄성중합체 패드 또는 블록, 피봇, 힌지, 볼 조인트, 스프링 또는 다른 탄성체와 같은 특정 회전 완화 수단이 추가될 수 있다. 이러한 구성은 연결부의 작용선이 통과하는 뚜렷한 탄성 중심을 가질 수 있다. 이러한 회전 완화 수단의 예들은 발명의 명칭이 "힘-기반 터치 입력용 방법 및 장치"이고 본 출원과 동시 출원된 출원 명세서에 제공되어 있다.

함축적으로 전체 센서 조립체(956a, 956b)와 그 모든 구성 요소들이 도6b의소정의 정밀 평면에 대해 각을 이루고 있더라도 이는 단순히 예시적인 목적으로 도시된 것이지 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니라는 것을 알아야 한다. 더욱이, 힘 센서와 같은 구성요소들이 반드시 경사질 필요 없이 센서 조립체(956a, 956b)의 감도 축(958a, 958b)은 그 구성상의 특징으로서 경사질 수 있다. 예를 들어, 도6c 및 도6d에 의하면, 센서(964a, 964b)가 수직 감도 축을 가지더라도 센서 조립체(956a, 956b)는 선(963a, 963b)과 평행한 경사진 감도 축을 가진다. 도6c에 의하면, 센서 조립체(965a)의 가는 결합 부재(961)는 그 에지에서 횡방향으로 굴곡될 수 있지만 그 길이를 따라 현저히 압축하지 못한다. 따라서, 선(961)에 평행한 힘은 힘 센서(964a) 내에 반력을 생성하지 않고, 센서 조립체(965a)의 전체 감도 축이 선(963a)에 평행하게 위치할 수 있게 한다. 도6d에 의하면, 보다 개념적인 센서 조립체(965b)가 임의의 경사진 구성요소 없이 경사진 감도 축이 얻어지는 것을 설명한다. 강성의 커플링(966)의 피봇 단부는 센서 조립체(965b)의 전체 감도 축(963b) 만을 따라 힘 센서(964b)를 통한 힘 전달을 가능하게 한다. 탄성중합체 블록(967) 내의 작은 굴곡은 축(963b)에 수직한 힘의 모든 성분에 대한 평형 반력을 생성한다.

도6b에서 고려된 시스템은 힘-감지용 터치 위치 파악 시스템의 터치 패널(930)을 도시한 도6e를 참조하여 3차원으로 고려될 수 있다. 개략적으로 도시된 감지 연결부(970a 내지 970d)는 패널(930) 아래에 위치하고 터치 평면(934)이 위치하는 직사각형(972)의 코너 아래에 위치한다. 지점(973a 내지 973d)은 직사각형(972)의 변을 따라 중간 지점에서 터치 평면(934) 내에 위치한다.

도6b는 변을 따라 각각 인접한 쌍을 위한 감지 연결부(970a 내지 970d)로 해석되어 이에 적용될 수 있다. 예를 들면, 센서 조립체(956a, 956b)는 탄성 중심(937a, 937b)이 직사각형(972)의 대응되는 코너에 속하도록 감지 연결부(970a 및 970d) 내에 위치하는 것으로 여겨질 수 있다. 접선력(938)은 중심에 가해진 y-축 방향의 접선력(976a)에 대응될 수 있는데, 이 경우 감지 연결부(970a 및 970d)에서 발생된 힘들의 개별 작용선은 서로 교차하고 터치 패널(934) 내의 지점(973a)은 도6b의 지점(954)에 대응한다. 힘(976a)에 응답하여 모든 4개의 감지 연결부(970a 내지 970d)에서 발생된 힘은 y-z 평면에 평행하게 위치하고(즉, x-축 성분을 갖지 않고), 터치 표면으로부터의 경사 관점에서만 다르다. 연결부(970a 및 970d)를 통과하는 힘의 작용선이 직사각형(972)의 좌측 에지를 따라 터치 평면으로 향하게 되고 직사각형(972)의 좌측 에지와 일치하는 힘의 작용선을 갖는 합력을 갖는다. 연결부((970b 및 970c)를 통과하는 대응되는 힘은 마찬가지로 직사각형(972)의 우측 에지를 따라 위치하는 작용선을 갖는 합력을 갖는다. 이들 2개의 쌍을 이루는 합력은 y-축에 중심을 둔 작용선을 갖는 힘(976a)(또는 반력의 관점에서 생각하고자 한다면 방향이 그 반대)에 해당하는 최종 합력을 가지게 된다.

이제 x축 및 y축 방향에 대해 외부로 센서 조립체를 각각의 감지 연결부 내에 정렬시킴으로써 도6b에 도시된 상황이 양 축과 모든 4개의 감지 연결부에 대해 만족될 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 각각의 경우에 감지 연결부의 감도 축에 대해 수직하게 위치하고 탄성 중심을 포함하는 각각의 감지 연결부의 감도가 영이 되는 평면(plane of null sensitivity)이 회전하여 직사각형(972)의 중간지점(973a 내지 973d)의 인접 쌍을 교차하고, 이럼으로써 소정의 정밀 평면상에 위치하게 된다.

직사각형(972)이 정사각형이 아닌 도시된 특별한 경우에 감지 연결부(970a 및 970b)의 감도 축(설명을 용이하게 하기 위해 도시하지 않음)은 중심(975)보다는 지점(974a)으로부터 멀어지도록 실제로 경사지게 된다. 따라서, 감지 연결부(970d 및 970c)의 감도 축은 지점(974b)을 포함하는 수직 평면 내에 위치한다. 정사각형이 아닌 경우에 도6e의 배치는 수직 방향으로 가해진 모멘트에 대해, 따라서 지점(975)을 통과하지 않는 접선력(중앙에 가해지지 않은 힘)에 대해 영이 아닌 센서 출력을 생성하게 된다. 그러나, 이들 출력은 대칭의 원리로부터 알 수 있는 바와 같이 터치 위치를 계산하기 위해 사용되는 x-축 모멘트, y-축 모멘트 및 z-축 힘을 표현하는 선형 조합으로 상쇄된다. 따라서, 이러한 본 발명의 실시예는 일반적인 접선력 오차에 대해 자유롭게 된다.

또한, 위치 결정 직사각형(972) 대신에 이등변 삼각형이 사용되는, 즉 3개의 센서를 사용하는 시스템의 경우에 감지 연결부의 감도가 영이 되는 평면이 상기 삼각형의 변의 중심 지점을 유사하게 교차함으로써 접선력에 의한 오차에 대해 자유롭게 된다는 것이 또한 도시되어 있다.

보다 일반적으로는, 임의의 형태 및 개수의 센서의 경우, y-축의 양 측면 상의 센서들이 x-축 방향으로 다소 외부로 경사질 수 있고, x-축 방향의 접선력으로부터 자유롭게 되는 이 경사의 정도는 경험적으로 알게 된다. x-축의 상하에서 다시 그룹화된 동일한 센서는 y-축 방향의 접선력에 대해 또한 자유롭게 되는 일 세트의 각도를 찾기 위해 이제는 y축 방향 외부로 추가 경사도를 갖게 된다. 이들 센서가 접선력에 대해 어느 정도는 개별적으로 응답할 수 있지만, 이들 응답은 계산시 통상 상쇄되고 최종 시스템은 터치 위치에 관한 접선력 오차가 필수적으로 없게 된다.

본 발명에서의 사용을 위해 선택된 센서 조립체는 임의의 소정 구성을 가질 수 있고, 따라서 일반적인 형태로 도시되었다. 용이하게 식별되고 상대적으로 회전 방향으로 유연한 탄성 중심 또는 피봇을 갖는 센서 조립체는 공지된 탄성 중심을 가질 수 있고, 따라서 전술한 비경험적인 규칙에 따라 구체화하는 것이 용이하게 될 수 있다. 그러나, 경험적인 방법이 다른 센서 조립체에 사용될 수도 있다. 사용된 센서가 감도 축을 따르는 경우보다 상기 축을 가로지르는 경우에 더 강성을 갖게 되고 또 사실상 경사지게 되려면, 수직 접촉력에 대한 감도가 손실되지 않도록 적당한 측방향 완화 수단이 제공될 수 있다.

예압 수단과 측방향 저항 수단이 요구된다면, 이들은 측방향으로 유연하게 제조되어 접촉력의 경로가 분리되지 않고 감지 연결부를 사실상 통과하게 된다. 이러한 션트 경로는 중간 정도의 측방향 강성을 갖는다면, 일정 정도의 감지 경사도와 일정 정도의 측방향 보강도를 갖는 복합 설계(hybrid design)가 가능하게 된다.

본 원에 도시되고 설명된 다양한 태양 및 실시예의 특징들은 다양한 방법으로 조합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 조합은 도6b를 참조하여 전술한 바와 같이 각진 감도 축을 갖는 센서 조립체의 사용은 물론 도8a 및 도8b를 참조하여 전술한 탄성 수단의 사용을 포함하며, 이로 제한되지는 않는다.

본 발명이 특정 실시예에 관하여 이상에서와 같이 설명되었으나, 전술한 실시예는 예시적인 것이지 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 후속의 청구의 범위에 기재된 다른 실시예도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

Claims (56)

1. 터치 장치의 정밀 평면에 수직한 수직 성분과 상기 정밀 평면에 접하는 방향으로의 접선 성분을 포함하고, 터치 표면에 가해진 접촉력을 감지하기 위한 힘 감지용 터치 위치 파악 장치이며,

   접촉력이 터치 표면에 가해짐에 따라 신호를 형성하는 복수의 힘 센서와,

   접촉력의 접선 성분의 대부분을 전달하기 위한 제1 기계적 경로를 포함하며,

   상기 제1 경로는 복수의 힘 센서를 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
2. 제1항에 있어서, 복수의 힘 센서를 통해 접촉력의 수직 성분의 대부분을 전달하기 위한 제2 기계적 경로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
3. 제1항에 있어서, 제1 기계적 경로는 터치 표면에 결합된 복수의 션트 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 션트 연결부는 터치 표면의 측방향 이동을 방지하는 측방향 보강 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
5. 제4항에 있어서, 측방향 보강 수단은 접촉력의 접선 성분에 대해 사실상 영의 반력 모멘트를 갖는 평면을 구비하고 상기 사실상 영의 반력 모멘트를 갖는 상기 평면은 사실상 터치 표면과 일치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
6. 제2항에 있어서, 적어도 하나의 힘 센서는 사실상 강성인 수직 힘 경로를 갖고 상기 측방향 보강 수단은 사실상 유연한 수직 힘 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
7. 제4항에 있어서, 측방향 보강 수단은 터치 평면을 주변 프레임에 결합시키는 얇은 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 얇은 부재는 한 조각의 테이프로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
9. 제7항에 있어서, 상기 얇은 부재는 터치 표면과 상기 프레임의 에지 사이의 작은 간격을 연결시키는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 얇은 부재의 자유 굴곡 영역은 터치 표면의 에지를 초과하여 연장하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
11. 제7항에 있어서, 상기 얇은 부재는 터치 표면의 접선 방향 이동에 대해 사실상 강성이고 터치 표면의 수직 이동에 대해 사실상 유연하도록 높은 계수의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
12. 제7항에 있어서, 상기 얇은 부재는 터치 표면과 프레임 사이에 유연한 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 유연한 윤곽은 터치 표면에 수직한 방향으로는 유연하고 터치 표면에 평행한 방향으로는 강성인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
14. 제7항에 있어서, 상기 측방향 보강 수단은 터치 표면과 프레임 사이로의 이물질의 통과를 방지하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 얇은 부재는 터치 표면의 전체 외주를 프레임에 결합시키는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
16. 제4항에 있어서, 상기 터치 표면은 디스플레이 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 터치 표면은 LCD로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
18. 제4항에 있어서, 상기 터치 표면은 디스플레이 표면 위에 위치하는 터치 오버레이인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
19. 제1항에 있어서, 힘 센서를 통과하는 힘 경로는 또한 힘 센서를 통해 전달된 접선방향으로 가해진 접촉력의 비율을 감소시키기 위해 측방향 완화 수단을 통과하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
20. 제1항에 있어서, 제2 경로는 접촉력의 접선 성분의 대부분을 제1 경로를 통과하여 향하도록 측방향 완화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 측방향 완화 수단은 터치 표면과 복수의 힘 센서들 중의 적어도 하나 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
22. 제20항에 있어서, 상기 측방향 완화 수단은 컬럼 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 컬럼 구조는 상기 적어도 하나의 힘 센서와 접촉하는 보스를 구비한 디퓨저의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
24. 제21항에 있어서, 상기 측방향 완화 수단은 탄성중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
25. 제24항에 있어서, 상기 측방향 완화 수단은 연성 접착제에 의해 지지되는 원반형의 테이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
26. 제1항에 있어서, 힘 감지용 터치 위치 파악 장치는 휴대용 장치인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
27. 제1항에 있어서, 정밀 평면의 탄성 중심은 터치 표면의 소정 거리 내에 있는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
28. 터치 표면에 가해진 접촉력을 감지하기 위한 힘 감지용 터치 위치 파악 장치이며,

    접촉력이 터치 표면에 가해짐에 따라 신호를 형성하는 복수의 힘 센서와,

    접촉력의 대부분을 전달하기 위한 제1 기계적 경로를 포함하며,

    상기 제1 경로는 복수의 힘 센서를 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
29. 제28항에 있어서, 제1 기계적 경로는 터치 표면에 결합된 복수의 션트 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 션트 연결부는 터치 표면의 측방향 이동을 방지하기 위한 측방향 보강 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
31. 제30항에 있어서, 상기 측방향 보강 수단은 접촉력의 접선 성분에 대해 사실상 영의 반력 모멘트를 갖는 평면을 구비하고 사실상 영의 반력 모멘트를 갖는 상기 평면은 터치 표면과 사실상 일치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
32. 제30항에 있어서, 상기 터치 표면은 디스플레이 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
33. 제32항에 있어서, 상기 터치 표면은 LCD로 구성되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
34. 제30항에 있어서, 상기 터치 표면은 터치 디스플레이 위에 위치하는 터치 오버레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
35. 터치 장치의 정밀 평면에 수직한 수직 성분과 상기 정밀 평면에 접하는 방향으로의 접선 성분을 포함하고, 터치 표면에 가해진 접촉력을 감지하기 위한 힘 감지용 터치 위치 파악 장치이며,

    접촉력이 터치 표면에 가해짐에 따라 신호를 형성하는 복수의 힘 센서와,

    복수의 힘 센서 중 적어도 하나를 통과하는 제1 힘 경로를 포함하며,

    상기 제1 힘 경로를 통해 전달되는 수직 성분의 분율이 제1 힘 경로를 통해 전달되는 접선 성분의 분율보다 사실상 더 큰 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
36. 제35항에 있어서, 제1 힘 경로를 통해 전달되는 수직 성분의 분율과 제1 힘 경로를 통해 전달되는 접선 성분의 분율의 비율이 적어도 3:2인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
37. 터치 장치의 정밀 평면에 수직한 수직 성분과 상기 정밀 평면에 접하는 방향으로의 접선 성분을 포함하고, 터치 표면에 가해진 접촉력을 감지하기 위한 힘 감지용 터치 위치 파악 장치이며,

    접촉력이 터치 표면에 가해짐에 따라 신호를 형성하는 복수의 센서와,

    복수의 센서들과 터치 표면 사이에 결합되고, 접촉력의 접선 성분에 대한 대응 반력을 형성하고, 상기 대응 반력에 사실상 수직하고 터치 표면의 법선에 대해 경사진 감도 축을 갖는 적어도 하나의 감지 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
38. 제37항에 있어서, 상기 복수의 센서는 복수의 힘 센서인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
39. 제37항에 있어서, 상기 복수의 센서는 복수의 변위 센서인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
40. 제37항에 있어서, 적어도 하나의 감지 연결부의 탄성 중심을 사실상 정밀 평면 내에 위치시키기 위해 터치 표면과 적어도 하나의 연결 표면 사이에 결합된 복수의 탄성 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
41. 제40항에 있어서, 복수의 탄성 수단 각각은 터치 표면과 상기 복수의 센서들 중의 하나의 표면 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
42. 제40항에 있어서, 상기 복수의 센서와 접촉하는 강성의 지지 표면을 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 감지 연결부는 복수의 감지 연결부를 포함하고, 상기 연결 표면은 강성의 지지 표면을 포함하고, 각 감지 연결부의 탄성 중심은 사실상 정밀 평면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
43. 제40항에 있어서, 복수의 센서와 접촉하는 강성의 지지 표면을 추가로 포함하고, 상기 연결 표면은 강성의 지지 표면을 포함하고, 복수의 감지 연결부의 전체 탄성 중심은 사실상 정밀 평면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
44. 제40항에 있어서, 상기 탄성 수단은 사실상 정밀 평면 내의 굴곡 지점에서 교차하는 제1 탄성부 및 제2 탄성부를 포함하여 적어도 하나의 감지 연결부의 탄성 중심이 사실상 정밀 평면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
45. 제40항에 있어서, 적어도 하나의 감지 연결부는 복수의 감지 연결부를 포함하고, 복수의 탄성 수단은 정밀 평면에 대해 경사진 주 강성 축을 갖는 요소를 포함하여 각각의 감지 연결부의 탄성 중심을 사실상 정밀 평면 내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
46. 제40항에 있어서, 적어도 하나의 감지 연결부는 하나의 감지 연결부를 포함하고, 복수의 탄성 수단은 정밀 평면에 대해 경사진 주 강성 축을 가져 상기 하나의 탄성 수단의 탄성 중심을 사실상 정밀 평면 내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
47. 터치 장치의 정밀 평면에 수직한 수직 성분과 상기 정밀 평면에 접하는 방향으로의 접선 성분을 포함하고, 터치 표면에 가해진 접촉력을 감지하기 위한 힘 감지용 터치 위치 파악 장치이며,

    접촉력이 터치 표면에 가해짐에 따라 신호를 형성하는 복수의 센서와,

    복수의 센서들과 터치 표면 사이에 결합되고, 접촉력의 접선 성분에 대한 대응 반력을 형성하고, 상기 대응 반력에 사실상 수직한 감도 축을 갖는 적어도 하나의 감지 연결부와,

    터치 표면과 적어도 하나의 연결 표면 사이에 결합되고, 정밀 평면에 대해 경사진 구성요소들을 구비하여, 적어도 하나의 감지 연결부의 탄성 중심이 사실상 정밀 평면 내에 위치되는 복수의 탄성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
48. 제47항에 있어서, 상기 복수의 센서는 복수의 힘 센서인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
49. 제47항에 있어서, 상기 복수의 센서는 복수의 변위 센서인 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
50. 제47항에 있어서, 적어도 하나의 감지 연결부의 감도 축은 터치 표면의 법선에 대해 경사져 있는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
51. 제50항에 있어서, 복수의 탄성 수단 각각은 터치 표면과 복수의 센서들 중의 하나의 표면 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
52. 제50항에 있어서, 상기 복수의 센서와 접촉하는 강성의 지지 표면을 추가로 포함하고, 상기 적어도 하나의 감지 연결부는 복수의 감지 연결부를 포함하고, 상기 연결 표면은 강성의 지지 표면을 포함하고, 각 감지 연결부의 탄성 중심은 사실상 정밀 평면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
53. 제50항에 있어서, 복수의 센서와 접촉하는 강성의 지지 표면을 추가로 포함하고, 상기 연결 표면은 강성의 지지 표면을 포함하고, 복수의 감지 연결부의 전체 탄성 중심은 사실상 정밀 평면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
54. 제50항에 있어서, 상기 탄성 수단은 사실상 정밀 평면 내의 굴곡 지점에서 교차하는 제1 탄성부 및 제2 탄성부를 포함하여 적어도 하나의 감지 연결부의 탄성 중심이 사실상 정밀 평면 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
55. 제50항에 있어서, 적어도 하나의 감지 연결부는 복수의 감지 연결부를 포함하고, 복수의 탄성 수단은 정밀 평면에 대해 경사진 주 강성 축을 갖는 요소를 포함하여 복수의 감지 연결부 각각의 탄성 중심을 사실상 정밀 평면 내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.
56. 제50항에 있어서, 적어도 하나의 감지 연결부는 하나의 감지 연결부를 포함하고, 복수의 탄성 수단은 정밀 평면에 대해 경사진 주 강성 축을 가져 상기 하나의 탄성 수단의 탄성 중심을 사실상 정밀 평면 내에 위치시키는 것을 특징으로 하는 터치 위치 파악 장치.