KR20100106474A

KR20100106474A - 터치 감지 장치

Info

Publication number: KR20100106474A
Application number: KR1020107015401A
Authority: KR
Inventors: 제프리 에이. 보이드; 마틴 콜롬스; 크리스 카우드리; 제임스 이스트; 네일 해리스; 티모시 크리스토퍼 존슨 휘트웰
Original assignee: 뉴 트랜스듀서스 리미티드
Priority date: 2007-12-11
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-10-01
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: RU2010128572A; EP2227730A1; MX2010006478A; JP2011507088A; CN101946226A; CA2709101A1; GB0724149D0; JP2014132473A; US8736558B2; BRPI0820855A2; KR101571914B1; US20100302184A1; JP6054320B2; WO2009074826A1; EP2227730B1

Abstract

사용자/기계 인터페이스는 표면을 가지고 굴곡파를 지원할 수 있는 패널, 상기 표면과 결합된 터치 감지 입력 장치 및 상기 입력 장치에 힘 피드백을 제공하기 위한 힘 변환기를 포함하는 수단을 구비한다. 상기 힘은 상기 패널에 대한 펄스의 형태이며, 상기 펄스는 감쇠형 정현파로 형성된 변조 신호의 형태이고 이로써 버튼 클릭감이 상기 사용자의 손가락 끝에 제공된다. 상기 변조 신호는 150 내지 750Hz 범위의 캐리어 주파수를 가지고 적어도 10ms의 듀레이션인 협대역 사인파에 의하여 생성될 수 있다.

Description

터치 감지 장치 {TOUCH-SENSITIVE DEVICE}

본 발명은 사용자/기계 인터페이스의 성질을 갖는 터치 감지 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진동-음향 장치를 터치 감지 장치와 결합하는 장치에 관한 것이지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.

굴곡파(Bending Wave) 혹은 분산 모드 라우드스피커(DML, Distributed Mode Loudspeaker)에 대해서는 New Transducers Ltd. 이름의 국제출원 WO97/09842호 및 다른 문헌에 기술되어 있다. 이러한 라우드스피커는 라우드스피커의 소자가 부가적인 기능을 갖는 어플리케이션에서 이용 가능하다. 예컨대, 국제출원 WO97/09843호, WO97/09853호 및 WO01/31971호는 각각 천장 타일, 프로젝션 스크린 및 키보드와 같은 패널(Panel)의 사용을 기술한다.

나아가, DML 기술의 어플리케이션은 터치 감지 기능을 탑재하는 불투명 및 투명 라우드스피커 패널 둘 다를 사용하는 것에까지 확장되었다. 예를 들어, 국제출원 WO00/54548호는 사용자가 액세스할 수 있는 표면을 갖는 굴곡파 패널 부재를 포함하는 라우드스피커, 인가되는 전기 신호에 응답하여 상기 패널 부재로 굴곡파 에너지를 제공하기 위한 패널 부재 상의 전자 음향 진동 여진기(Exciter) 및 상기 사용자가 액세스할 수 있는 표면 상에서 혹은 그와 결합되어 사용자 접촉에 응답하는 적어도 하나의 터치 감지 영역을 포함하는 전자 장치를 기술한다. 국제출원 WO01/48684호는 디스플레이 장치의 앞면에 탑재된 투명한 터치 감지 플레이트를 포함하는 접촉 감지 장치를 기술한다.

국제출원 WO02/51201호는 표면을 정의하는 굴곡파 패널, 상기 굴곡파 패널에 부착되어 음향 출력을 생성하도록 상기 패널에서 굴곡파를 여기시키는 전자-음향 트랜스듀서(Transducer, 변환기), 상기 표면의 일부를 형성하는 입력 장치 및 상기 입력 장치에 힘 피드백을 제공하기 위한 수단을 갖는 굴곡파 패널 라우드스피커를 포함하는 장치를 기술한다.

국제출원 WO01/54450호는 음향 출력을 생성하기 위하여 예컨대 패널과 같은 음향 라디에이터를 여기시키는 힘을 생성하기 위한 트랜스듀서를 기술한다. 이 트랜스듀서는 의도된 동작 주파수 범위를 가지며, 분산 모드를 가지고 상기 동작 주파수 범위에서 실행되는 공진 소자를 포함한다. 상기 트랜스듀서의 파라미터는 상기 공진 소자의 상태를 개선하기 위하여 조정될 수 있다. 이와 같은 힘 변환기(Force Transducer)는 분산 모드 엑츄에이터(Distributed Mode Actuator) 혹은 "DMA"로 알려져 있다.

촉감 피드백을 갖는 터치 패널은 US5,977,867호 및 WO2008/045694호로부터 알려져 있다.

본 발명의 목적은 개선된 터치 감지 장치를 제공하는 것이다.

일 측면에서, 본 발명은 표면을 가지고 굴곡파를 지원할 수 있는 패널, 상기 표면과 결합된 터치 감지 입력 장치 및 상기 입력 장치에 힘 피드백을 제공하기 위한 힘 변환기를 포함하는 수단을 구비하는 사용자/기계 인터페이스이고, 상기 힘은 상기 패널에 대한 펄스의 형태이며, 상기 펄스는 변조 신호의 형태이고 이로써 버튼 클릭감이 상기 사용자의 손가락 끝에 제공되고, 상기 변조 신호는 150 내지 750Hz 범위의 지배적인 캐리어 주파수(Dominant Carrier Frequency)를 가지고 적어도 10ms의 듀레이션(Duration)이다.

바람직하게는, 상기 캐리어 주파수는 400Hz에 근접할 것이다. 40ms보다 긴 듀레이션은 상기 클릭감을 개선하지 않는 것으로 알려졌다.

상기 변조 신호는 진폭 및/또는 주파수 변조된 것일 수 있다. 상기 변조 신호는 감쇠형 사인파(Damped Sinusoid)의 형태일 수 있다. 상기 변조 신호는 다음과 같은 형태일 수 있다.

여기서 α는 엔벨로프(Envelope)의 감쇠율이고, C는 상수이며, β는 주파수 변조의 비율을 제어하는 변수이고, ωc는 시간 t=0 에서의 각주파수이다.

캐리어(Carrier)의 주파수 변조는 시간과 함께 변조 지수(Modulation Depth)와 컨텐트(Conetent)를 정의하는 소정의 함수를 가질 수 있다. 상기 변조 신호의 펀더멘탈(Fundamental, 즉 1차 컴포넌트)은 협대역의 사인파를 포함할 수 있으며, 이로써 그것은 상술한 바와 같은 좁은 주파수 범위와 짧은 펄스 듀레이션을 가진다.

다른 측면에서, 본 발명은 상술한 바와 같은 사용자/기계 인터페이스를 구비하는 장치이며, 상기 패널은 굴곡파 패널 라우드스피커의 음향 라디에이터이고, 상기 변환기는 음향 출력과 힘 피드백 양자를 생성하는 광대역 장치이다.

상기 변환기는 분산 모드 엑츄에이터(WO01/54450호에 기술된 바와 같음)를 포함할 수 있으며, 상기 분산 모드 엑츄에이터의 제 1 모드는 상기 변조 신호에 동조(Tuned)될 수 있다.

상기 변조 신호는 상기 패널의 총체 모드(Whole Body Mode)에 동조될 수 있다. 상기 패널이 예컨대 스마트폰이나 PDA(Personal Digital Assistance)에서의 사용을 위하여 작은 경우, 그것은 3:2의 종횡비(Aspect Ratio)를 가질 수 있다. 상기 패널은 그 뒷면을 둘러싸는 얇은 구멍을 가질 수 있다.

상기 패널의 강도와 상기 엑츄에이터의 출력 임피던스는 사용자의 손가락 끝에 30mN보다 많은 힘을 전달하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 손가락 끝에 전달되는 힘은 30 내지 500mN 범위에 있도록 구성된다.

2 이상의 분산 모드 엑츄에이터를 상기 패널에 부착하여 터치 지점에서 상기 패널의 변위(Displacement)를 강화하도록 구성할 수 있다. 디지털 신호 처리를 이용하여 상기 변조 신호를 다듬어서 터치 지점에서 상기 패널의 변위를 강화하는 것이 가능하다.

이와 같이 상기 장치는 라우드스피커와 힘 피드백 기능을 동일한 표면으로 결합할 수 있다. 상기 패널은 모바일 혹은 휴대 전화기, 페이저 등을 위한 링거(Ringer) 라우드스피커 및/또는 진동 트랜스듀서로서 기능할 수 있다. 그 외 힘 피드백 기능은 햅틱(Haptics)으로 알려져 있다.

상기 장치는 굴곡파 패널과 결합된 시각 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 시각 디스플레이 장치는 LCD(Liquid Crystal Display) 패널과 같은 종래의 디스플레이 면의 형태일 수 있다. 상기 패널의 적어도 일부는 투명할 수 있으며, 상기 시각 디스플레이 장치는 상기 패널의 투명한 부분 뒤에 탑재될 수 있고, 그에 따라 상기 패널은 투명한 디스플레이 윈도우로서 동작할 수 있다. 선택적으로는, 상기 패널은 예컨대 발광 폴리머나 안료를 포함하는 발광 표면 마감을 적용함으로써 디스플레이로서 동작할 수도 있다. 따라서, 상기 장치 내 소자의 수는 그 융통성이나 기능성의 손실 없이 줄이는 것이 가능하다.

다른 기능이 제공될 수 있다. 상기 패널은 마이크로폰으로서 기능할 수 있다.

선택적으로, 하나 이상의 마이크로폰이 상기 장치의 케이스나 상기 패널에 부착될 수 있다. 다음 아이템 중 어느 하나라도 상기 패널이나 케이스에 부착될 수 있는데, 이를테면 스틸 혹은 비디오 카메라, 가열 및/또는 냉각 소자 및 예컨대 화학적인 구성, 전기적인 센서, 노출계 등의 기타 다양한 센서 등이다.

수동적인 색채 마감, 예컨대 차광 혹은 거울식 마감 등과 같은 색채적인 특성이 상기 패널에 포함될 수 있다. 선택적으로 혹은 부가적으로, 포토 크로마틱(Photo-chromatics)이나 써모 크로마틱(Thermo-chromatics)과 같은 능동적인 착색이 제공될 수 있다. 상기 패널은 표면 질감 및/또는 다양한 표면 윤곽선을 가질 수 있다.

광범위한 음향 및 다른 감각적인 기능이 상기 패널에 동시에 통합될 수 있다. 따라서 상기 패널은 증가하는 다수의 기능적인 시너지 효과를 제공할 수 있는 단일 컴포넌트 조립체이기 때문에 하이퍼 기능성 표면(HFS, Hyper Functional Surface)이라고 부를 수 있다. 상기 패널에 의하여 제공되는 기능은 상술한 기능들 중 어느 하나로부터라도 선택 가능하다. 예컨대, 힘 피드백 기능을 갖는 투명한 터치 감지 패널을 이용함으로써, 정보를 열람하고 음향 신호(메세지, 삐 소리, 클릭 등)를 들으면서 사람의 손가락 끝을 통해 가상의 버튼 클릭감을 느끼도록 이용 가능한 장치를 얻을 수 있다.

상기 장치의 한가지 이점은 터치 감지 패널을 이용함으로써 별도의 키패드가 필요 없어질 수 있다는 점이다. 이는 부품용으로 제한된 공간을 갖는 예컨대 휴대형 장치 등의 소형 전자 물품에서 특히 유용할 수 있다. 특정한 어플리케이션(예컨대, 통신 및 컴퓨팅)의 경우, 장치의 사이즈나 규모 및 그에 따른 개별 소자가 수용되는 내부 부피가 줄어들어 0으로 향하게 된다. 따라서, 그러한 장치의 유용성은 단위 표면적 당 기능성의 측면에서 나타낼 수 있다. 본 발명은 이러한 추세를 예측하여 설계자에게 어떠한 주어진 표면에 대해서라도 감각형 선택권의 범위를 최대화하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 장치는 복수의 기능을 제공하는데 필요한 표면적을 줄일 수 있다. 본 발명은 인간 기계 인터페이스(HMI, Human Machine Interface)라 할 수 있는 그와 같은 장치의 제조 및 사용에 관한 상당한 이점을 낳는 기능성 및 다른 감각적 특성을 진동-음향 장치와 융합하는 것에 관련되는 것으로 고려할 수 있다.

이와 같은 복수의 조합은 종래의 라우드스피커를 이용하여서는 더 어려울 것이다. 키패드, 디스플레이 등을 기존 스피커의 콘(Cone, 원뿔) 위에 탑재하는 경우 콘의 동작이 방해될 가능성이 있다.

이제 본 발명의 실시형태는 첨부도면을 참조하여 단지 예시적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 PDA의 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 휴대형 멀티채널 플레이어의 평면도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 장치 혹은 도 2의 장치에 대한 측단면도이다.
도 4는 터치 센서 및 햅틱 피드백 회로의 블록도이다.
도 5a는 진폭 변조 신호에 대한 진폭 대 시간을 나타낸다.
도 5b는 도 5a의 신호에 대한 상대적인 전력 스펙트럼을 나타낸다.
도 5c는 패널 상에서의 점원으로부터 0.1m 및 1m에서 도 5a의 신호에 대한 펄스 형태를 나타낸다.
도 5d는 사람의 손가락에 대한 상대적인 민감도 데이터를 그 추정되는 전달 함수에 대하여 비교하기 위한 절대 임계값(mm) 대 주파수(hz)를 나타낸다.
도 6a는 주파수 및 진폭 변조된 정현파 신호의 컴포넌트에 대한 진폭 대 시간을 나타낸다.
도 6b는 도 6a의 신호에 대한 스펙트럼과 타겟 스펙트럼을 나타낸다.
도 7a는 선택적인 변조된 감쇠형 정현파 신호의 컴포넌트에 대한 진폭 대 시간을 나타낸다.
도 7b는 도 7a의 신호에 대한 스펙트럼과 타겟 스펙트럼을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 케이스(3)와 터치 감지 패널(5)의 형태인 사용자/기계 인터페이스(입력 장치)를 갖는 스마프폰 내지 PDA의 형태로 나타낸다. 패널은 몇 가지 진동-음향 목적을 위해 굴곡파 진동으로 설정되도록 알맞은 두께와 적당한 기계적인 임피던스를 갖는다. 패널은 패널 뒤에 탑재된 LCD(9)가 보여질 수 있도록 투명한 물질로 제작된다.

패널은 라우드스피커의 음향 라디에이터로서 동작하며, 굴곡파를 지원할 수 있다. 제 1 트랜스듀서(15)는 음향 출력을 생성하도록 패널 내에서 굴곡파 진동을 여기시키기 위하여 패널에 탑재된다. 음향 출력의 볼륨은 PDA를 핸즈프리 라우드스피커 전화기로서 컨퍼런스 모드로 혹은 사용자의 귀에 대도록 전화 모드로 사용할 수 있도록 조정 가능하다.

제 2 여진기(13) 또한 키가 눌러질 때 패널에 펄스를 제공하고 그에 따라 햅틱, 즉 촉각적인 피드백을 제공하도록 패널 위에 탑재된다. 라우드스피커와 피드백 기능 양자를 제공하는 단일의 이중 기능 광대역 트랜스듀서가 제공될 수 있다. 이중 기능 트랜스듀서 혹은 제 1 이나 제 2 트랜스듀서 중 하나는 무음의 호출 신호를 제공하기 위하여 80Hz 부근의 인체가 지각하는 대역에서 동작 가능할 수도 있다. 따라서, 패널은 멀티모드 라우드스피커, 예컨대 전화기 이어폰, 핸즈프리 스피커 혹은 링거로서 동작한다.

또한, 패널(5)은 키패드나 키보드로서 기능한다. 키패드의 개개의 키(11)는 패널 아래에 탑재된 디스플레이 상에 나타나거나, 선택적으로 키가 그 표면 상에 표시되어 있을 수 있다. 또한, 마이크로폰 트랜스듀서(7)는 패널에 고정되며, 이로써 패널이 마이크로폰으로서 기능할 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 마이크로폰이 패널이나 케이스에 부착되어 회의나 비디오 모드인 경우에 소리의 재생을 위한 소리의 포획과 위치 측정(Localisation)을 가능하게 할 수 있다.

이동 통신 안테나(17) 및 관련된 종래의 이동 전화통신 회로(미도시)는 장치로 하여금 메세지나 비디오 자료를 송수신하기 위하여 이동 전화기로서 기능할 수 있게 한다. 이미지는 임베디드(Embedded) 비디오 카메라를 이용하여 얻어질 수 있다.

앞서 서술한 바와 같이, 패널은 몇 가지 기능을 제공하며, 하이퍼 기능성 표면(HFS)으로 고려할 수 있다. 본 장치는 단순한 구조를 가지며, 각각이 패널을 (HFS로서) 사용자의 메인 인터페이스 매체로 사용하는 다수의 별개의 장치에 관한 기능을 수행한다.

도 2는 케이스(23)와 패널(25)을 갖는 휴대형 멀티채널 플레이어(21)의 형태로 본 발명에 따른 선택적인 장치를 나타내고 있다. 패널(25)은 예컨대 라우드스피커, 입력 및/또는 디스플레이 기능 등의 개별적인 기능을 각각 제공하는 몇몇 영역으로 분할된다.

패널은 각각 좌, 우 및 중앙 채널(31, 33, 35)을 제공하는 3개의 라우드스피커 영역을 갖는다. 적어도 하나의 트랜스듀서(미도시)가 각각의 패널 영역에 탑재되어 패널 내에서 굴곡파 진동을 여기하여 음향 출력을 생성한다. 디스크(29)가 표시된 바와 같이 플레이어(21)에 삽입되면, 패널(25)은 디스크 상에 저장된 멀티채널 정보를 재생할 수 있다.

비디오 디스플레이 영역(37)은 패널(25)의 투명한 영역 뒤에 탑재된다. 디스플레이 영역(37)은 디스크(29)로부터의 정보를 표시하거나, 선택적으로는 패널(25)의 키보드 영역(27) 상에서 사용자에 의하여 장치에 입력된 정보를 표시할 수 있다. 사용자/기계 인터페이스를 형성하는 키보드 영역(27)은 패널(25)의 표면 상에 표시된 몇 개의 키(39)를 포함하고 있다. 키(39)는 예컨대 도 1에 도시된 바와 같은 트랜스듀서를 제공함으로써 햅틱 내지 촉각적 피드백을 제공하도록 구성된다. 도 3은 도 1의 PDA 혹은 도 2의 디스크 플레이어의 측단면도이다. 도 3에서 굴곡파 라우드스피커 패널(5)이 주변의 컴플라이언트 마운팅(6, Compliant Mounting)을 통해 장치(1, 21)의 케이스나 수용체 내에 탑재된다. 트랜스듀서는 음향 출력을 생성하기 위해 패널(5)에 굴곡파 에너지를 인가하도록 구성되어 있다. 트랜스듀서는 WO97/09842호 혹은 WO01/54450호에 기재된 종류의 것일 수 있다. 트랜스듀서(13)는 분산 모드 엑츄에이터이고, 장치의 케이스나 수용체(3)에 탑재되며, 패널에 힘 피드백을 인가하도록 결합체(8)에 의하여 패널(5)에 결합되어 있다. 트랜스듀서(13)는 화살표(2)에 의하여 표시된 바와 같이 사용자의 손가락 끝에 의하여 그 표면(10)이 닿은 경우 패널에 변조된 혹은 과도적인 스파이크(Spike) 신호를 인가하며, 버튼이나 키 클릭을 시뮬레이션하기 위하여 화살표(4)로 나타낸 바와 같이 손가락 끝에 대응하는 피드백 힘을 인가한다.

도 4의 블록도는 상술한 종류의 힘 피드백이나 햅틱 구성에 관한 회로 시스템(48)을 나타낸다. 굴곡파 패널 라디에이터(5)는 가공되지 않은 터치 데이터(2)를 출력하는 터치 감지 표면(10)을 통합한다. 한 쌍의 힘 엑츄에이터(13)는 사용자에게 햅틱 피드백을 전달하기 위해 패널(5)에 결합되어 있다. 미가공 터치 데이터는 인터페이스(47)에 의하여 처리되며, 적절한 형태로 햅틱 논리 제어 유닛(46)에 공급된다. 이것은 터치 데이터와 무결성에 관련되는 시각 및/또는 소리 정보를 제공하기 위하여 중앙처리장치(미도시)에 정보를 전송할 수 있다. 중앙처리장치는 더 많은 정보를 제공하기 위하여, 예컨대 사용자에 대한 햅틱 응답을 변경하도록 정보를 수신할 수도 있다.

저장부를 포함할 수 있는 제너레이터(45)는 힘 변환기(13)에 공급하는 증폭기(44)에 적절한 진동 입력을 제공하도록 형성된 합성 신호를 제공한다. 다중 트랜스듀서(13)에 대한 다중 증폭기 출력은 햅틱 힘의 더욱 구체적인 위치를 정의하기 위하여 제공될 수 있다. 증폭기(44)는 예컨대 단계별 햅틱 응답을 제공하기 위하여 중앙처리장치의 제어를 받을 수도 있다. 도 4에 도시된 시스템은 일반적인 전원(미도시)을 요구할 것이라는 점이 이해될 것이다.

증폭기는 트랜스듀서(13)에 과도 스파이크 신호나 펄스를 출력하도록 구성된다. 도 5a는 감쇠형 정현파의 형태로 진폭 변조된 그와 같은 신호를 나타내며, 그것은 시간에 따라 진폭이 감소하는 전자기파이다. 명확하게 나타낸 바와 같이, 신호의 진폭은 0.01초 이후에 피크이며, 0.04초까지 현저하게 감소하고, 따라서 "봉(Bong, 물담뱃대)"이라고 부를 수 있다.

상기 신호는 다음 형태의 엔벨로프 함수(혹은 진폭 변조 함수)를 이용하여 형성된다.

여기서 α는 엔벨로프의 감쇠율이다.

이 함수의 값은 시간 0에서 0이며, 무한대에서 0으로 향한다. 그것은 t=1/α에서 최대값 1을 가진다. 따라서, 임의의 펄스폭은 α에 역으로 비례하는 펄스의 듀레이션과 함께 α를 적절히 선택하여 결정될 수 있다.

이러한 엔벨로프 함수는 복합 신호를 제공하는데 사용 가능하며, 이는 정현파 신호와 엔벨로프 함수의 곱으로 다음과 같다.

여기서 ωc는 시간 t=0 에서의 각주파수이다.

따라서 이 신호는 변조된 사인파이며, sin(ωct)는 sin(φ(t))로 표현될 수 있다. 그러한 함수는 예컨대 ωt + 상수 등 단순하거나, 요컨대 주파수나 위상 변조를 포함하도록 더욱 복잡할 수 있다. φ(t)에 대한 일반적인 형태는 다음과 같다.

여기서 C는 상수이고, β는 주파수 변조의 비율을 제어하는 파라미터이고, ωc는 시간 t=0 에서의 각주파수이다. 다양한 자유 변수들, 예컨대 α, β 및 상수 C는 신호의 스펙트럼과 손가락에 대한 민감도 데이터 간의 적절한 정합을 낳는 값으로 할당된다. 단순한 케이스의 경우, f(t)의 스펙트럼은 분석적으로 연산 가능하지만, 일반적으로는 수치적인 푸리에 변환이 필요할 것이다. 가장 우수한 신호는 진폭(혹은 엔벨로프) 함수의 피크를 정현파의 피크에 부합하도록 설정한다고 알려져 있다. 따라서, 간단한 수식 φ(t)=ωct의 경우, α=583의 값이 최적의 값이고, ωc는 628π이다.

의 경우, β=99.9 이고 ωc=572π에서 α=493의 값이 최적의 값이다.

엔벨로프의 길이는 10ms보다 커야하지만, 약 40ms를 넘는 길이는 검출력을 개선하지 못한다. 이들 듀레이션은 125 내지 500 범위의 α값에 대응한다. 신호는 가청이며, 따라서 "좋은(nice)" 소리나는 것이 바람직하다. α값이 더 작으면 상당히 순음과 같은 소리가 나며, 그 반면에 값이 더 크면 클릭 같은 소리가 난다. 도 5a에 도시된 신호의 경우, 중심 주파수는 375Hz이고 α=125이다. 이 신호의 전력 스펙트럼이 도 5b에 나타나 있으며, 여기서 이 신호의 대역폭이 약 1 반음으로 나타나 있다. 이러한 신호를 갖는 곡을 재생하는 것이 실제로 가능할 것이다.

분산은 신호에서 파의 속도가 신호의 주파수 범위에 걸쳐서 변하도록 할 수 있는 특정한 물질의 효과이다. 도 5c에 나타낸 바와 같이, 분산은 신호가 매우 좁은 대역이기 때문에 문제가 되지는 않는다. 도 5a의 신호의 경우, 일반적인 통신 회사들이 사용하는 코팅된 플라스틱 패널을 따라 1m 이동한 후에는 엔벨로프 내에서 왜곡이 없다. 더 짧은 펄스의 경우, 약간의 왜곡이 보일 수 있지만, 이것은 블라즈마 TV를 제외하고는 어떤 것보다도 실질적으로 더 크기 때문에, 그러한 효과는 중요하게 고려되지 않는다. 400Hz에서 패널의 파장이 약 100mm이면 가장 큰 디스플레이를 제외하고는 무엇에도 관계 없이 햅틱 피드백의 국부화를 형성한다.

주파수는 사람 손가락에 민감한 변위로부터 결정된다. 메사츄세츠 공과대학 기계공학부의 Lynette Jones 저 "Human Factors and Haptics Interfaces"라는 제목의 PDF 문서는 "촉각적인 튜닝 커브(Tactile Tuning Curve)"를 나타낸다. 이것은 변위에 대한 민감도의 주파수 의존적인 임계값을 나타내고 있다. 이 PDF 문서에 도시된 데이터는 다음 식에 의하여 기술되는 전체(최소 위상) 전달 함수와 함께 도 5d에서 비교된다.

도 5d로부터, 캐리어의 주파수는 요컨대 250Hz와 700Hz 사이에 있어야 함은 분명하며, 400Hz 부근의 주파수가 특히 유효하다. 흥미로운 것은, 이 함수 H(s)가 이전에 사용된 함수 f(t)의 라플라스 트랜스폼 F(s), 즉 다음을 연상시킨다.

본질적으로, 손가락에 의하여 제공되는 임피던스는 그 이후에는 감쇠가 더욱 중요하게 되는 약 3kHz까지의 모든 주파수에 대하여 약 22kN/m의 강도를 갖는 스프링의 경우이다. 결과적으로, 힘에 대한 손가락의 민감도는 그 민감도로부터 변위로 곧장 올라간다고 생각할 수 있다. 약 300Hz에서, 힘 민감도 임계값은 약 30mN로 연산된다. 따라서, 엑츄에이터의 출력 임피던스와 패널 강도는 30mN 보다 크게, 바람직하게는 300mN 내지 500mN의 힘을 사용자의 손가락 끝으로 전달하도록 구성된다.

선택적인 감쇠형 정현파 신호는 주파수 및 진폭 변조된 다음의 코사인 함수이다.

h(t)는 g(t) - 앞서 사용한 엔벨로프 함수와 fm(t) - 주파수 변조 함수의 곱이다.

β는 주파수 변조의 비율을 제어하는 파라미터이고, ωc는 시간 t=0 에서의 각주파수이다.

이전과 마찬가지로, 다양한 자유 변수, 예컨대 α, β는 손가락에 대한 민감도 데이터와 신호의 스펙트럼 간 양호한 정합을 낳는 값으로 할당된다. 상기 함수는 새로운 변수 A가 함수에 추가됨으로써 더욱 변경될 수 있다.

그러면 이렇게 보정된 함수는 타겟 햅틱 스펙트럼에 최적으로 맞추어질 수 있다. 최상의 신호의 경우, t=1/α 에서의 엔벨로프 피크가 코사인 함수에서의 피크와 일치하는 것으로 관찰되었다. 이 경우, A를 직접 설정하는 것이 가능하다. 기본적인 미적분학을 이용하면, 정확한 값에 의하여 t=1/α 에서 코사인의 인수가 0으로 설정되는 것이 분명하다. 즉,

이전과 마찬가지로 h(t)는 g(t) - 엔벨로프 함수와 fm(t) - 주파수 변조 함수의 곱이지만, 이 경우,

이다.

3개의 변수 α=532.5, β=83.85, ωc=3133에 대한 최적의 값은 원래의 함수의 것들과는 조금 다르다. 양쪽의 경우, 진동에 대한 손가락 끝의 상대적인 민감도를 진동 주파수의 함수로서 나타내는 스펙트럼 템플릿에 정합하도록 파라미터가 선택된다. 이러한 목적은 손가락이 가장 민감한 주파수 범위에서 최대의 에너지를 두기 위함이다.

도 6a는 엔벨로프 함수 g(t)(진폭 변조 함수) 및 해당 신호의 주파수 변조 함수 fm(t)에 대한 시간의 변화를 나타낸다. 도 6a는 또한 α가 도출되는 법을 나타낸다. 첫번째 0이 아닌 교차 지점의 타이밍은 1/α와 같다. 도 6b는 전술한 변경된 함수의 실제 스펙트럼과 사용자에 대한 필요한 감각을 제공하는 타겟 스펙트럼(점선)을 나타낸다. 2개의 스펙트럼 간에 양호한 정합이 존재한다. 파라미터의 다른 값들이나 심지어 다른 신호들이 동일한 목적을 달성하기 위하여 사용 가능하다. 도 7a 및 7b의 신호는 파라미터 값들이 역시 타겟 스펙트럼에 정합하도록 선택된 그러한 신호일 뿐이다.

도 7a 및 7b는 주파수 영역에서 기본적인 시작점을 갖는 선택적인 변조된 정현파 신호를 나타내며, 다음과 같이 표현된다.

여기서 a = 96505 = 310.7², b = 2011, A = 5.181rad = 297°이다.

도 7a는 민감도 곡선(fm(t))이 표준 분포 곡선을 닮았다는 점을 나타낸다. 그리고 이 곡선 (fm(t))이 그 자신의 푸리에 트랜스폼이며, 따라서 시간 영역 신호가 비슷해야 한다는 점이 알려져 있다. 도 7a는 α와 ωc가 어떻게 계산되는지도 나타낸다. α와 ωc는 상술한 바와 같이 연산된다. 도 7b에 나타낸 바와 같이, 이 대안은 도 6a의 신호만큼 타겟 스펙트럼에 대한 우수한 정합을 제공하지는 못하지만, 그 스펙트럼의 고주파 말단이 더 빨리 하강한다는 주된 이점을 갖는다.

2개의 신호를 비교하면, 동일한 피크 진폭에 대하여, 상기 선택적인 신호는 25% 더 에너지 효율적인 것처럼 보인다. 그러나, 일부 테스트 결과 15% 내지 20% 더 높은 진폭이 동일한 감각을 얻기 위해 필요하고, 그에 따라 상기 이점을 제거한다. 상기 선택적인 신호에는 더 낮은 고주파 에너지가 존재하고, 이는 그것을 더욱 조용하게 만드는데 제대로 도움이 될 수 있다. 간단히 말해, 이들 간에 선택할 사항이 많지는 않다.

앞서 규정된 대역폭과 듀레이션의 파라미터들 내의 어떠한 신호라도 가능한 후보라는 점에 주목하는 것이 중요하다. 상술한 변조된 정현파 함수의 특정한 예가 유일한 적절한 신호인 것은 아니라는 점이다. 알맞은 변조(진폭, 주파수 혹은 위상)를 가한 어떠한 감쇠형 정현파 함수(사인, 코사인파 혹은 유사한 함수들을 포함함)라도 사용 가능하다.

설명한 장치는 컴퓨터, 통신기, 웹 TV, 영상전화, 캠코더, 딕터폰(Dictaphone), 전자 수첩, 증강 현실 윈도우, GPS/네비게이터, 게임 및/또는 착용 가능한 패션 악세사리로서 기능하도록 조정 가능하다는 점을 이해할 것이다. 상기 장치는 부가적인 오디오 채널, 예컨대 후방 채널과 서브 우퍼를 재생하기 위한 부가적인 음원이나 3차원 이미지 인식을 위한 열람 장치를 더 구비할 수 있다. 도 2의 미디어 플레이어가 디스크에 저장된 오디오 및 시각 정보를 예로 삼고 있으나, 저장 수단이 고체 상태(Solid State)의 메모리칩일 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 그러므로, 상기 정보는 예컨대 무선 링크나 컴퓨터로부터 다운로드 가능하다.

본 발명은 개별적인 감각적 기능 각각의 조합에 대한 총수로서 다른 기능 중 전부 혹은 그 어떤 것이라도 결합하여 표현 가능한 새로운 장치 옵션의 엄청난 수를 해제하는 것으로 여겨질 수 있다. 기능들의 조합을 조절함으로써, 본 발명은 다음의 각 분야에서 응용될 수 있다.

a) 모든 소비자/산업 어플리케이션에서의 제어 표면 (디스플레이나 제품 하우징을 포함함)

b) 이동식 혹은 고정식 전화기, 구내전화, 페이저 혹은 영상전화를 포함하는 전화기

c) 랩탑 혹은 PDA를 포함하는 멀티미디어 장치

d) 휴대용 음악 혹은 비디오 플레이어와 리코더, 딕터폰, 장난감, 게임, 카메라, 비디오 카메라, 텔레비전, 3차원 TV, 가상 현실 장치, 증강 현실 장치 혹은 VOD(Video On Demand) 장치를 포함하는 전자 제품

e) 예컨대 백색 가전제품이나 소형 가전제품, 의료 장치, 의류, 배지, 라벨링, 장식품 및 선물용 제품, 신용카드 혹은 스마트카드와 같은 기타 제품

f) 건축학적인 응용에서는 예컨대 가구나 사무 장비

g) 기타 어플리케이션에서는 예컨대 미술품이나 방어 장치

당업자에게는 다수의 다른 효과적인 대안들이 있을 수 있다는 점에는 의심의 여지가 없다. 본 발명이 상술한 실시형태에 국한되지 않으며, 여기에 첨부한 청구항의 정신과 범위 내에 존재하는 당업자에게 명백한 변경사항들을 포함한다는 점을 이해할 것이다.

Claims

표면을 가지고, 굴곡파를 지원할 수 있는 패널;
상기 표면과 결합된 터치 감지 입력 장치; 및
상기 입력 장치에 힘 피드백을 제공하기 위한 힘 변환기를 포함하는 수단을 구비하고,
상기 힘은 상기 패널에 대한 펄스의 형태이고, 상기 펄스는 변조 신호의 형태이고 이로써 버튼 클릭감이 상기 사용자의 손가락 끝에 제공되며,
상기 변조 신호는 150 내지 750Hz 범위의 지배적인 캐리어 주파수를 가지고 적어도 10ms의 듀레이션을 갖는 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 1에 있어서,
상기 캐리어 주파수는 400Hz이거나 이에 근접하는 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 펄스 듀레이션은 40ms 이하인 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 신호는 진폭 변조되는 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 4에 있어서,
상기 진폭 변조된 신호는 감쇠형 정현파의 형태인 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 신호는 주파수 변조되는 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 6에 있어서,
상기 캐리어의 주파수 변조는 시간과 함께 변조 지수와 컨텐트를 정의하는 미리 정해진 함수를 가지는 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 신호의 펀더멘탈은 협대역 사인파를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자/기계 인터페이스.
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 사용자/기계 인터페이스를 포함하는 장치로서,
상기 패널은 굴곡파 패널 라우드스피커의 음향 라디에이터이고,
상기 변환기는 음향 출력과 힘 피드백 양자를 생성하는 광대역 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 변환기는 분산 모드 엑츄에이터를 포함하고,
상기 분산 모드 엑츄에이터의 제 1 모드는 상기 변조 신호에 맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
상기 변조 신호는 상기 패널의 전체 모드(Whole Body Mode)에 맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패널은 작고, 실질적으로 3:2의 종횡비를 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 내지 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패널의 강도와 상기 엑츄에이터의 출력 임피던스는 30mN보다 큰 힘을 상기 사용자의 손가락 끝에 전달하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 손가락 끝에 전달되는 상기 힘은 30 내지 500mN 범위에 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패널에 부착되고 터치 지점에서의 패널 변위를 강화하도록 구성된 적어도 2개의 분산 모드 엑츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 터치 지점에서의 상기 패널 변위를 강화하기 위한 디지털 신호 프로세싱을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 굴곡파 패널과 결합된 시각 디스플레이 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 17에 있어서,
상기 패널의 적어도 일부는 투명하고, 상기 시각 디스플레이 장치는 상기 패널의 투명한 부분 뒤에 탑재되는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 18에 있어서,
상기 패널은 통합적인 시각 디스플레이 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
청구항 9 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
상기 패널은 마이크로폰으로서 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.