KR20160086689A

KR20160086689A - 바디 터치 디바이스

Info

Publication number: KR20160086689A
Application number: KR1020150004396A
Authority: KR
Inventors: 정일권; 민병성
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-07-20

Abstract

본 발명에 의한 바디 터치 디바이스는, 탄성 재질로 형성된 본체; 및 상기 본체에 부착되고, 탄성 재질로 형성된 밴드부를 포함하며, 상기 밴드부는 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제1 다축 입력 센서를 포함하여, 손가락 등이 접촉된 위치, 접촉된 위치에서의 눌려지는 압력, 및 전단력을 동시에 감지할 수 있고, 웨어러블 디바이스의 본체 및 밴드부를, 디바이스를 조작하는 인터페이스로 활용할 수 있다.

Description

바디 터치 디바이스{Body touch device}

본 발명은 바디 터치 디바이스에 관한 것이다.

현재 다양한 웨어러블 디바이스들이 출시되고 있다. 종래의 웨어러블 디바이스들은 디바이스를 조작하기 위하여 물리적인 스위치나 터치 스크린 등을 사용하고 있다. 그러나 이는 디바이스의 작은 크기나 작은 화면 등으로 인해 조작에 많은 불편함이 따른다.

하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은, 터치 센싱 회로를 구비하는 터치 감응형 웨어러블 밴드 및 터치 감응형 웨어러블 밴드로부터 발생된 신호들을 수신하도록 구성된 전자 디바이스를 포함하는 터치 감응형 웨어러블 장치를 개시하고 있다.

US

8098141

B2

본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 과제는, 웨어러블 디바이스의 본체 및 밴드부를, 디바이스를 조작하는 인터페이스로 활용할 수 있는 바디 터치 디바이스를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스는, 탄성 재질로 형성된 본체; 및 상기 본체에 부착되고, 탄성 재질로 형성된 밴드부를 포함하며, 상기 밴드부는 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제1 다축 입력 센서를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 있어서, 상기 제1 다축 입력 센서는 상기 밴드부의 길이 방향을 따라 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 있어서, 상기 본체는 측면부에 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제2 다축 입력 센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 있어서, 상기 제1 또는 제2 다축 입력 센서는, 외부에서 인가되는 힘의 방향에 따라 변형되는 탄성층; 상기 탄성층의 상면에 형성된 상부 전극 패턴; 및 상기 탄성층의 하면에 형성된 하부 전극 패턴을 포함하고, 상기 상부 전극 패턴 및 상기 하부 전극 패턴은 각각, 복수의 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극은 각각, 면 전극; 및 상기 면 전극에 전기적으로 연결되고 상기 면 전극 주변에 배치된 라인 전극을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 사용자의 접촉이나 소정 방향의 힘이 인가되는 경우, 상기 탄성층은, 인가되는 힘의 방향에 따라 상기 탄성층의 표면을 기준으로 좌우(x축 방향) 또는 상하(y축 방향)로 변형되거나 또는 상기 탄성층의 표면과 수직한 방향(z축 방향)으로 변형되고, 인가되는 힘이 사라지는 경우 원래의 형상으로 복원된다.

전극이 외부의 대상물에 접촉되는 경우 상부 전극 패턴의 면 전극과 대응하는 하부 전극 패턴의 면 전극 간의 커패시턴스(정전용량)의 값 또는 상부 전극 패턴의 라인 전극과 대응하는 하부 전극 패턴의 라인 전극 간의 커패시턴스(정전용량)의 값이 변하게 되어 접촉 위치를 감지할 수 있고, 전극에 소정 방향의 힘이 인가되는 경우, 인가되는 힘의 방향으로 탄성층이 변형되면서 면 전극과 대응하는 면 전극 간의 커패시턴스(정전용량)의 값이 변하게 되어 인가되는 압력의 양을 감지할 수 있으며, 라인 전극과 대응하는 라인 전극 간의 커패시턴스(정전용량)의 값이 변하게 되어 전단력(비틀어짐)의 양을 감지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 밴드부 및 본체에 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력을 감지하는 다축 입력 센서를 내장하여, 웨어러블 디바이스의 본체 및 밴드부를, 디바이스를 조작하는 인터페이스로 활용할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스 및 활용예를 도시한 도면.
도 1e는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 밴드부에 포함된 제1 다축 입력 센서를 도시한 도면.
도 1f는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 본체에 포함된 제2 다축 입력 센서를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 제어 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 제1 다축 입력 센서의 구조를 도시한 도면.
도 4a는 상부 전극 패턴을 도시한 도면.
도 4b는 하부 전극 패턴을 도시한 도면.
도 5a는 탄성층이 투명한 경우 도 3의 다축 입력 센서를 상부에서 본 상부 전극 패턴과 하부 전극 패턴의 배열을 도시한 도면.
도 5b는 도 5a에 도시된 다축 입력 센서를 라인 AA'를 따라 절단한 상태에서 상부 전극 패턴과 하부 전극 패턴의 배열을 설명하기 위한 단면도.
도 5c는 예시적인 전극의 크기, 면 전극과 라인 전극의 크기 및 간격을 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 다축 입력 센서의 접촉 위치 감지 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 7은 다축 입력 센서의 인가 압력 감지 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 8은 다축 입력 센서의 전단력 감지 동작 원리를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 포함된 다축 입력 장치를 도시한 블록도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에서 전단력(비틀어짐) 감지 동작을 설명하기 위한 흐름도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한, "제1", "제2", "일 면". "타 면" 등의 용어는, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스 및 활용예를 도시한 도면이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스는, 탄성 재질로 형성된 본체(16), 및 상기 본체(16)에 부착되고, 탄성 재질로 형성된 밴드부(12)를 포함하는, 시계 형태의 웨어러블 디바이스이다.

상기 밴드부(12)는, 길이 방향을 따라 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제1 다축 입력 센서(13)를 포함한다.

또한, 상기 본체(16)는, 측면부에 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제2 다축 입력 센서(17)를 포함한다.

상기 제1 다축 입력 센서(13) 및 상기 제2 다축 입력 센서(17)는, 접촉 위치, 인가 압력, 및 전단력을 감지하는 센서로서, 이에 대한 자세한 구조 및 설명은 도 3 내지 도 10을 참조하여, 나중에 설명하기로 한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 사용자가 손가락을 이용하여 밴드부(12)에 포함된 제1 다축 입력 센서(13)의 특정 위치를 터치하는 경우, 이 위치에 대응되는 MP3 플레이어, 미디어 플레이어 등과 같은 애플리케이션이 실행된다.

도 1b와 같이, 사용자가 손가락을 이용하여 밴드부(12)에 포함된 제1 다축 입력 센서(13)의 특정 위치를 힘을 주어 누르는 경우, 인가되는 압력에 따라 음악 소리의 볼륨이 조절되거나 게임에서의 가속 기능 등이 수행된다.

도 1c와 같이, 사용자가 손가락을 이용하여 밴드부(12)에 포함된 제1 다축 입력 센서(13)를 쓰다듬듯이 어루만지면 스크롤 기능이 수행된다. 즉, MP3의 파일 목록을 검색한다거나 이미지 파일 등을 검색할 때 유용한 기능을 할 수 있다.

도 1d와 같이, 사용자가 두 손가락을 이용하여 본체(16)의 측면부를 쥐고 비틀듯이 돌리면 실제로 디바이스의 본체(16)가 돌아가는 것은 아니지만 밴드부(12)처럼 본체(16)도 탄성이 있는 재질로 형성되어 있고 본체(16)의 측면부에는 제2 다축 입력 센서(17)가 내장되어 있기 때문에, 다른 애플리케이션으로 전환한다거나 작업 스크린을 다른 화면으로 변경한다거나 하는 작업이 수행된다.

상기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 의하면, 밴드부(12)와 본체(16)를 탄성이 있는 재질로 구현하고, 밴드부(12) 및 본체(16)에 다축 입력 센서(13, 17)를 각각 내장시켜 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력을 감지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 의하면, 웨어러블 디바이스의 본체 및 밴드부를, 디바이스를 조작하는 인터페이스로 활용할 수 있다.

도 1e는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 밴드부(12)의 단면도를 도시한 도면이다.

제1 다축 입력 센서(13)는 탄성 재질로 된 밴드부(12)에 내장되어 있고, 탄성층(102), 탄성층(102)의 상면에 형성된 상부 전극 패턴(100) 및 탄성층(102)의 하면에 형성된 하부 전극 패턴(104)을 포함한다.

도 1f는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 본체(16)의 측면부의 단면도를 도시한 도면이다.

제2 다축 입력 센서(17)는 탄성 재질로 된 본체(16)의 측면부에 내장되어 있고, 탄성층(22), 탄성층(22)의 상면에 형성된 상부 전극 패턴(20) 및 탄성층(22)의 하면에 형성된 하부 전극 패턴(24)을 포함한다.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스의 제어 방법에 있어서, 단계 S20에서 사용자가 밴드부(12)의 제1 다축 입력 센서(13)의 특정 위치를 접촉하거나 압력을 인가하거나 전단력을 인가하는 경우, 밴드부(12)의 제1 다축 입력 센서(13)를 이용하여 접촉 위치, 인가 압력 또는 전단력이 감지된다.

단계 S22에서 사용자가 본체(16)의 제2 다축 입력 센서(17)의 특정 위치를 접촉하거나 압력을 인가하거나 전단력을 인가하는 경우, 본체(16)의 제2 다축 입력 센서(17)를 이용하여 접촉 위치, 인가 압력 또는 전단력이 감지된다.

단계 S24에서 밴드부(12)의 제1 다축 입력 센서(13) 또는 본체(16)의 제2 다축 입력 센서(17)에 의해 감지된 접촉 위치, 인가 압력 또는 전단력에 대응하는 기능이 수행된다.

하기에, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 제1 다축 입력 센서(13) 또는 제2 다축 입력 센서(17)에 대해 자세히 설명하기로 한다.

제2 다축 입력 센서(17)는 제1 다축 입력 센서(13)와 동일한 구조로 되어 있으므로, 본 실시예에서는 제1 다축 입력 센서(13)에 대한 구조 및 동작에 대해서만 설명하기로 하고, 제2 다축 입력 센서(17)에 대한 구조 및 동작은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 포함된 제1 다축 입력 센서(13)의 구조를 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 제1 다축 입력 센서(13)는, 외부에서 인가되는 힘의 방향에 따라 변형되는 탄성층(102), 상기 탄성층(102)의 상면에 형성된 상부 전극 패턴(100), 및 상기 탄성층(102)의 하면에 형성된 하부 전극 패턴(104)을 포함한다.

상기 상부 전극 패턴(100)은 복수의 전극(110)을 포함하며, 상기 복수의 전극(110) 각각은, 면 전극(106) 및 상기 면 전극(106) 주변에 배치되는 라인 전극(108)을 포함한다.

도 3의 하부 전극 패턴(104)의 구조는 도 4b의 하부 전극 패턴(204)의 구조와 동일하고, 도 4b를 참조하면, 하부 전극 패턴(204)은 복수의 전극(216)을 포함하며, 상기 복수의 전극(216)은 각각, 면 전극(212) 및 상기 면 전극(212) 주변에 배치되는 라인 전극(214)을 포함한다.

도 3에는 설명의 편의를 위하여 탄성층(102)의 상면과 하면에 각각 가로 방향으로 4개, 세로 방향으로 3개의 총 12개의 전극이 형성되어 있는 것을 도시하였지만, 상기 전극의 수는 이에 한정되지 않고, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 12개보다 많은 전극들이 탄성층(104)의 각 면에 형성될 수 있다.

도 4a에 도시된 상부 전극 패턴(200)을 참조하면, 가로 방향으로 n개의 전극이 형성되어 있고, 도 4b에 도시된 하부 전극 패턴(204)을 참조하면, 세로 방향으로 m개의 전극이 형성되어 있다.

도 4a에 도시된 상부 전극 패턴(200)과 도 4b에 도시된 하부 전극 패턴(204)은 서로 대응하게 형성되므로, 도 4a의 상부 전극 패턴(200)과 도 4b의 하부 전극 패턴(204)은 각각, 가로 방향으로 n개, 세로 방향으로 m개의 전극들, 즉 n×m개의 전극들을 포함한다. 상기에서, n과 m은 양의 정수이다.

본 발명의 실시예에서는, 접촉 위치 감지를 위한 x 좌표가 되는 전극 라인(X1, X2, X3, ..., Xn)을 포함하는 상부 전극 패턴(200)이 탄성층(102)의 상면에 형성되어 있고, 접촉 위치 감지를 위한 y 좌표가 되는 전극 라인(Y1, Y2, Y3, ..., Ym)을 포함하는 하부 전극 패턴(204)이 탄성층(102)의 하면에 형성되어 있지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 상부 전극 패턴(200)이 탄성층(102)의 하면에 형성되고, 하부 전극 패턴(204)이 탄성층(102)의 상면에 형성될 수도 있다.

상기 탄성층(102)은, 인가되는 힘의 방향에 따라 상기 탄성층(102)의 표면을 기준으로 좌우(x축 방향) 또는 상하(y축 방향)로 변형되거나, 상기 탄성층(102)의 표면과 수직한 방향(z축 방향)으로 변형되고, 상기 탄성층(102)은 인가되는 힘이 사라지는 경우 원래의 형상으로 복원된다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄성층(102)은 탄성 폴리머(elastic polymer)일 수 있지만, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않는다.

상기 탄성 폴리머는, 열가변성 엘라스토머(TPE: Thermoplastic Elastomer)를 포함할 수 있고, 상기 열가변성 엘라스토머는, 스틸렌계(TPS: Thermoplastic Styrene), 올레핀계(TPO: Thermoplastic Olefin), 염화비닐계(TPVC: Thermoplastic Vinyl Chloride), 우레탄계(TPU: Thermoplastic Urethane) 및 아미드계(TPA: Thermoplastic Amide)로 이루어진 그룹 중에서 하나를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 탄성층(102), 상부 전극 패턴(100), 및 하부 전극 패턴(104)은 투명한 재질 또는 불투명한 재질로 형성될 수 있다.

제1 다축 입력 센서(13)는, 접촉 위치 감지, 인가되는 압력 감지 및 전단력(비틀어짐) 감지 등 3가지의 물리량을 동시에 감지하는 센서이다.

도 3 내지 도 5b에 도시된 상부 전극 패턴(100, 200)과 하부 전극 패턴(104, 204)의 형상 및 상부 전극 패턴(100, 200)과 하부 전극 패턴(104, 204) 사이에 샌드위치된 탄성층(102)의 구조로 인하여 상기와 같은 3가지의 물리량이 모두 감지될 수 있다.

우선, 상부 전극 패턴(200)에 대해 설명하기로 한다. 도 4a에 도시된 상부 전극 패턴(200)은 우선 접촉 위치 감지를 위한 x좌표가 되는 전극 라인(X1, X2, X3, ..., Xn)으로 구성된다.

전극 라인의 개수는 센서의 전체 면적과 위치 감지 분해능을 고려하여 결정하게 된다. 그리고, 각 전극 라인(X1, X2, X3, ..., Xn)마다 각각 센싱 기능을 하는 복수의 전극(210)이 배치되어 있다. 각 전극 라인(X1, X2, X3, ..., Xn)의 개수도 센서의 전체 면적과 위치 감지 분해능을 고려하여 결정하게 된다.

본 발명의 일 실시예에서, 센싱 기능을 하는 각 전극(210)은 면 전극(206) 및 상기 면 전극(206)에 전기적으로 연결된 라인 전극(208)을 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 전극(210)은, 상기 면 전극(206)을 상기 라인 전극(208)이 둘러싸는 나선형 구조로 형성되지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 중심부에 면 전극이 있고 면 전극 주변에 라인 전극이 배치되는 어떠한 형태의 전극 구조도 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 면 전극(206)의 형상은 사각형이지만, 사각형뿐만 아니라 삼각형, 오각형, 육각형 등 어떤 유형의 다각형 또는 원형, 타원형 등 소정의 면적을 포함하는 어떤 유형의 2차원 또는 3차원 도형으로도 형성될 수 있다.

또한, 센싱 기능을 하는 각 전극(210)의 크기 및 전극의 폭 그리고 각 전극의 간격 등도 여러 가지 성능을 고려하여 결정된다.

예를 들어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 전극(304)의 크기는 가로 약 5mm, 세로 약 5mm이고, 면 전극(300)의 크기는 가로 약 3mm, 세로 약 3mm이며, 라인 전극(302)의 폭은 약 0.5mm이고, 전극의 간격은 약 0.5mm일 수 있지만, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 다양한 크기나 다양한 간격의 전극이 사용될 수 있다.

도 4b는 하부 전극 패턴(204)을 도시한 도면이다. 하부 전극 패턴(204)은 기본적으로 상부 전극 패턴(200)과 형상, 크기, 간격 등이 모두 실질적으로 동일하다. 다만, 하부 전극 패턴(204)은 상부 전극 패턴(200)과 달리 위치 감지를 위한 y축 좌표를 감지하기 때문에, 전극 라인이 상부 전극 패턴(200)의 전극 라인과 90도로 방향이 틀어져 있는 것만 상이하다.

도 4b에 도시된 하부 전극 패턴(204)은 우선 접촉 위치 감지를 위한 y좌표가 되는 전극 라인(Y1, Y2, Y3, ..., Ym)으로 구성된다.

전극 라인의 개수는 디바이스의 전체 면적과 위치 감지 분해능을 고려하여 결정하게 된다. 그리고, 각 전극 라인(Y1, Y2, Y3, ..., Ym)마다 각각 센싱 기능을 하는 복수의 전극(216)이 배치되어 있다. 각 전극 라인(Y1, Y2, Y3, ..., Ym)의 개수도 센서의 전체 면적과 위치 감지 분해능을 고려하여 결정하게 된다.

그리고, 센싱 기능을 하는 각 전극(216)은 면 전극(212) 및 라인 전극(214)을 포함한다. 상기 각 전극(216)은, 상기 면 전극(212)을 상기 라인 전극(214)이 둘러싸는 나선형 구조로 형성되지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 중심부에 면 전극이 있고 면 전극 주변에 라인 전극이 배치되는 어떠한 전극 구조도 사용될 수 있다.

뿐만 아니라, 센싱 기능을 하는 각 전극(216)의 크기 및 전극의 폭 그리고 각 전극의 간격 등도 여러 가지 성능을 고려하여 결정하게 된다.

예를 들어, 도 5c에 도시된 바와 같이, 전극(304)의 크기는 가로 약 5mm, 세로 약 5mm이고, 면 전극(300)의 크기는 가로 약 3mm, 세로 약 3mm이며, 라인 전극(302)의 폭은 약 0.5mm이고, 전극의 간격은 약 0.5mm일 수 있지만, 본 발명의 일 실시예는 이에 한정되지 않고, 다양한 크기나 간격의 전극이 사용될 수 있다.

이러한, 상부 전극 패턴(200)과 하부 전극 패턴(204)은, 도 3과 도 5b에 도시된 바와 같이, 각각 탄성층(102)의 상면과 하면에 형성되어 있다.

탄성층(102)의 두께는 측정 감도 및 사용자 느낌 등을 고려하여 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛ 이상까지 가능하다.

또한, 상부 전극 패턴(100)과 하부 전극 패턴(104)은 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 서로 위치나 배열이 정확하게 맞아야 한다.

도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 상부 전극 패턴(100)의 라인 전극들(108)과 상기 하부 전극 패턴(104)의 대응하는 라인 전극들(114)은, 상기 탄성층(102)의 상면 및 하면에서 서로 대응하는 위치, 실질적으로 동일한 위치에 배치된다.

또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 상부 전극 패턴(100)의 면 전극들(106)과 상기 하부 전극 패턴(104)의 대응하는 면 전극들(112)은, 상기 탄성층(102)의 상면 및 하면에서 서로 대응하는 위치, 즉 실질적으로 동일한 위치에 배치된다.

상기와 같이 구성된 제1 다축 입력 센서(13)의 동작을 하기에 설명하기로 한다.

도 6a 및 도 6b는 제1 다축 입력 센서(13)의 접촉 위치 감지 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 하부 전극 패턴(104)에 전압을 인가하고, 상부 전극 패턴(100)에서 전압을 센싱한다. 하부 전극 패턴(104)에 전압을 인가할 때, 하부 전극 패턴(104)의 전극 라인들(Y1, Y2, Y3, ..., Ym)에 전압을 동시에 인가하는 것이 아니라, 하부 전극 패턴(104)의 전극 라인들(Y1, Y2, Y3, ..., Ym)을 모두 스캔하듯이 차례대로 전압을 인가한다. 즉, 시간 차이를 두어 스캔하듯이 전압을 차례대로 인가한다.

센서 표면 위에 아무런 물체도 접촉하지 않는 경우, 상부 전극 패턴(100)과 하부 전극 패턴(104) 사이의 유전체인 탄성층(102)에 의해 생성되는 정전 용량은 동일하다.

그런데, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 상부 전극 패턴(100)의 표면 위에 손가락이나 다른 물체가 접촉되는 경우, 상부 전극 패턴(100) 및 하부 전극 패턴(104)의 매트릭스 상의 접촉 위치에서 정전 용량이 순간적으로 변화하게 된다.

매트릭스 상에서 정전 용량이 변화한 지점의 x 좌표와 y 좌표(X3, Y2)를 추출하여, 접촉 위치가 감지된다.

도 7은 제1 다축 입력 센서(13)의 압력 감지 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 접촉 위치에서 압력이 가해지면 탄성층(102)의 특성으로 인하여 수축이 발생하고, 상부 전극 패턴(100)과 하부 전극 패턴(104) 사이의 간격이 탄성층(102)이 수축한 만큼(△d1) 좁아지게 된다. 즉, 접촉 위치에서 압력이 가해지면, 상부 전극 패턴(104)의 면 전극(106)과 하부 전극 패턴(104)의 면 전극(112) 간의 간격이 d에서 (d-△d1)으로 좁아지게 된다.

상부 전극 패턴(100)과 하부 전극 패턴(104) 사이의 간격이 좁아지면, 정전 용량은 커지게 된다. 이러한 정전 용량의 변화를 측정하여, 가해지는 압력의 양이 감지된다.

도 8은 제1 다축 입력 센서(13)의 전단력(비틀어짐, shear force) 감지 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 접촉된 위치에서 수평 방향으로 힘(전단력)이 가해지면, 탄성층(102)의 특성으로 인하여 측면으로 변형이 발생하고, 상부 전극 패턴(100)과 하부 전극 패턴(104)의 배열이 △d2 만큼 이격되어 틀어지게 된다. 이 경우, 상부 전극 패턴(100)의 라인 전극(108a)과 하부 전극 패턴(104)의 라인 전극(108b) 사이의 전기장이 감소하게 되고, 이에 따라 정전 용량이 감소하게 된다. 이러한 정전 용량의 변화를 측정하여, 전단력(비틀어짐)의 양이 감지된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에 포함된 다축 입력 장치를 도시한 블록도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 바디 터치 디바이스에서 전단력(비틀어짐) 감지 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 9에 도시된 다축 입력 장치는, 접촉 위치, 인가 압력 또는 전단력(剪斷力, Shear Force) 감지를 위한 제1 또는 제2 다축 입력 센서(400), 상기 제1 또는 제2 다축 입력 센서(400)의 구동 전극인 하부 전극 패턴에 구동 신호를 인가하기 위한 구동부(402), 상기 다축 입력 디바이스(400)의 센싱 전극인 상부 전극 패턴으로부터 출력되는 신호를 수신하는 센싱부(404) 및 상기 상부 전극 패턴의 출력 신호에 기반하여 접촉 위치, 인가 압력 또는 전단력을 결정하는 제어부(406)를 포함한다.

상기 제1 또는 제2 다축 입력 센서(400)는, 도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 외부에서 인가되는 힘의 방향에 따라 변형되는 탄성층(102), 상기 탄성층(102)의 하면에 형성된 구동 전극인 하부 전극 패턴(104, 204), 및 상기 탄성층(102)의 상면에 형성된 센싱 전극인 상부 전극 패턴(100, 200)을 포함한다.

도 4a를 참조하면, 상기 상부 전극 패턴(200)은 복수의 전극(210)을 포함하고, 상기 복수의 전극(210) 각각은 면 전극(206) 및 상기 면 전극(206) 주변에 배치되는 라인 전극(208)을 포함한다.

도 4b를 참조하면, 상기 하부 전극 패턴(204)은 복수의 전극(216)을 포함하고, 상기 복수의 전극(216) 각각은 면 전극(212) 및 상기 면 전극(212) 주변에 배치되는 라인 전극(214)을 포함한다.

도 6a, 6b, 도 7 및 도 9를 참조하면, 제1 또는 제2 다축 입력 센서(400)의 상부 전극 패턴(100)의 표면 위에 손가락이나 다른 물체가 접촉되는 경우, 또는 접촉 위치에 압력이 가해지면, 상부 전극 패턴(100) 및 하부 전극 패턴(104)의 매트릭스 상의 접촉 위치에서 정전 용량이 순간적으로 변화하게 되고, 제어부(406)는, 센싱부(404)로부터 수신되는 신호에 기반하여, 상부 전극 패턴(100) 및 하부 전극 패턴(104)의 매트릭스 상에서 정전 용량이 변화한 지점의 x 좌표와 y 좌표(X3, Y2)를 추출하여 접촉 위치를 결정하거나, 가해지는 압력의 양을 결정한다.

또한, 도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 또는 제2 다축 입력 센서(400)의 상부 전극 패턴(100)의 표면 위에 손가락 또는 다른 물체가 접촉되고, 접촉된 위치에 수평 방향으로 힘(전단력)이 가해지면, 탄성층(102)의 특성으로 인하여 측면으로 변형이 발생하고, 상부 전극 패턴(100)과 하부 전극 패턴(104) 사이의 정전 용량이 감소하게 된다. 제어부(406)는 이러한 정전 용량의 변화에 기반하여 전단력(비틀어짐)의 양을 결정한다.

도 8 내지 도 10을 참조하여, 전단력을 결정하는 방법을 자세히 살펴보기로 한다.

단계 S502에서, 제어부(406)는 상부 전극 패턴(100)에 손가락이 접촉되었는지를 판단한다.

단계 S502에서 상부 전극 패턴(100)에 손가락이 접촉되었다고 판단되는 경우, 단계 S504에서 제어부(406)는 접촉 지점에서의 라인 전극(108a, 108b)에 의한 커패시턴스를 측정한다.

단계 S506에서, 제어부(406)는 소정의 힘이 인가된 이후의 라인 전극들(108a, 108b)에 의한 커패시턴스의 변화량, 즉 접촉시의 라인 전극들(108a, 108b)에 의한 초기 커패시턴스와 소정의 힘이 인가된 이후의 라인 전극들(108a, 108b)에 의한 커패시턴스 간의 차이를 계산한다.

단계 S508에서, 제어부(406)는 상기 커패시턴스의 변화량에 비례하는 라인 전극들(108a, 108b) 간의 어긋남(△d2)을 계산한다.

단계 S510에서, 제어부(406)는 상기 라인 전극들(108a, 108b) 간의 어긋남(△d2)에 기반하여 전단력(비틀어짐)을 추정한다.

상기와 같이, 제어부(406)는, 접촉 지점에서 상부 전극 패턴(100)의 라인 전극(108a)과 대응하는 하부 전극 패턴(104)의 라인 전극(108b) 간의 초기 커패시턴스(정전 용량)와 상기 탄성층(102)에 소정의 힘이 인가된 이후의 상기 두 라인 전극들(108a, 108b) 간의 커패시턴스(정전 용량)의 차에 기반하여, 상기 두 라인 전극들(108a, 108b) 간의 어긋남(△d2)을 계산하고, 상기 계산된 두 라인 전극들(108a, 108b) 간의 어긋남(△d2)에 따른 전단력을 추정한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 탄성체(102)의 상하면에 전극 패턴을 구현하여 접촉이 발생하거나 압력이 가해졌을 때, 그리고 소정의 방향으로 전단력이 가해졌을 때, 정전 용량의 변화량을 다축에 대하여 측정함으로써, 접촉 위치(x, y축)와 누르는 압력(z축) 및 전단력(shear force) 등 3가지의 물리량을 동시에 감지하는 박형의 다축 입력 센서가 탄성체의 내부에 내장되어, 시계형 웨어러블 디바이스의 밴드부 및 디바이스의 본체의 외장에 구비됨으로써, 웨어러블 디바이스의 본체 및 밴드부를, 디바이스를 조작하는 인터페이스로 활용할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 웨어러블 디바이스의 본체 및 밴드부에 구비된 다축 입력 센서에 의해, 손가락 등이 접촉된 위치, 접촉된 위치에서의 눌려지는 압력, 및 전단력(비틀어짐)을 동시에 감지하여, 이에 대응되는 기능을 수행하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 특정한 패턴으로 형성시킨 얇은 전극을 탄성체 재질 속에 내장할 수 있어, 웨어러블 기기의 밴드부 및 본체 케이스의 박형화가 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 웨어러블 디바이스의 케이스에 입혀지는 입력 장치용 스킨에 적용할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

12 : 밴드부 13 : 제1 다축 입력 센서
16 : 본체 17 : 제2 다축 입력 센서
100, 200 : 상부 전극 패턴 102 : 탄성층
104, 204 : 하부 전극 패턴 106, 112, 206, 212 : 면 전극
108, 114, 208, 214 : 라인 전극 108a : 상부 전극 패턴의 라인 전극
108b : 하부 전극 패턴의 라인 전극 110, 210, 216 : 전극
400: 다축 입력 센서 402 : 구동부
404 : 센싱부 406 : 제어부

Claims

탄성 재질로 형성된 본체; 및
상기 본체에 부착되고, 탄성 재질로 형성된 밴드부를 포함하며,
상기 밴드부는 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제1 다축 입력 센서를 포함하는 바디 터치 디바이스.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 다축 입력 센서는 상기 밴드부의 길이 방향을 따라 배치되는 바디 터치 디바이스.
청구항 2에 있어서,
상기 본체는 측면부에 접촉 위치, 인가 압력 및 전단력(shear force)을 감지하는 제2 다축 입력 센서를 포함하는 바디 터치 디바이스.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 또는 제2 다축 입력 센서는,
외부에서 인가되는 힘의 방향에 따라 변형되는 탄성층;
상기 탄성층의 상면에 형성된 상부 전극 패턴; 및
상기 탄성층의 하면에 형성된 하부 전극 패턴을 포함하고,
상기 상부 전극 패턴 및 상기 하부 전극 패턴은 각각, 복수의 전극을 포함하며,
상기 복수의 전극은 각각,
면 전극; 및
상기 면 전극에 전기적으로 연결되고 상기 면 전극 주변에 배치된 라인 전극을 포함하는, 바디 터치 디바이스.
청구항 4에 있어서,
상기 상부 전극 패턴의 라인 전극들과 상기 하부 전극 패턴의 대응하는 라인 전극들은, 상기 탄성층의 상면 및 하면에서 서로 대응하는 위치에 배치되는, 바디 터치 디바이스.
청구항 5에 있어서,
상기 상부 전극 패턴의 면 전극들과 상기 하부 전극 패턴의 대응하는 면 전극들은, 상기 탄성층의 상면 및 하면에서 서로 대응하는 위치에 배치되는, 바디 터치 디바이스.
청구항 6에 있어서,
상기 하부 전극 패턴의 복수의 전극의 형상, 크기 및 간격은 각각 상기 하부 전극 패턴의 복수의 전극의 형상, 크기 및 간격과 실질적으로 동일한, 바디 터치 디바이스.
청구항 4에 있어서,
상기 상부 전극 패턴의 복수의 전극과 상기 하부 전극 패턴의 복수의 전극은, 각각 상기 면 전극을 상기 라인 전극이 둘러싸는 구조로 형성된, 바디 터치 디바이스.
청구항 8에 있어서,
상기 상부 전극 패턴의 복수의 전극과 상기 하부 전극 패턴의 복수의 전극은, 각각 상기 면 전극을 상기 라인 전극이 둘러싸는 나선형 구조로 형성된, 바디 터치 디바이스.
청구항 4에 있어서,
상기 탄성층은, 상기 인가되는 힘의 방향에 따라 상기 탄성층의 표면을 기준으로 좌우(x축 방향) 또는 상하(y축 방향)로 변형되거나 또는 상기 탄성층의 표면과 수직한 방향(z축 방향)으로 변형되는, 바디 터치 디바이스.
청구항 10에 있어서,
상기 탄성층은 상기 인가되는 힘의 방향에 따라 변형되고, 상기 인가되는 힘이 사라지는 경우 원래의 형상으로 복원되는, 바디 터치 디바이스.
청구항 11에 있어서,
상기 탄성층은 탄성 폴리머(elastic polymer)를 포함하는, 바디 터치 디바이스.
청구항 12에 있어서,
상기 탄성 폴리머는, 열가변성 엘라스토머(TPE: Thermoplastic Elastomer)를 포함하며,
상기 열가변성 엘라스토머는,
스틸렌계(TPS: Thermoplastic Styrene), 올레핀계(TPO: Thermoplastic Olefin), 염화비닐계(TPVC: Thermoplastic Vinyl Chloride), 우레탄계(TPU: Thermoplastic Urethane) 및 아미드계(TPA: Thermoplastic Amide)로 이루어진 그룹 중에서 하나를 포함하는, 바디 터치 디바이스.
청구항 4에 있어서,
상기 본체는,
상기 제1 다축 입력 센서 또는 제2 다축 입력 센서의 하부 전극 패턴에 구동 신호를 인가하기 위한 구동부;
상기 제1 다축 입력 센서 또는 제2 다축 입력 센서의 상부 전극 패턴으로부터 출력되는 신호를 수신하는 센싱부; 및
상기 센싱부의 출력에 기반하여 접촉 위치, 인가 압력 또는 전단력(剪斷力, Shear Force)을 결정하는 제어부를 포함하는, 바디 터치 디바이스.
청구항 14에 있어서,
상기 제어부는,
접촉된 지점에서의 상기 상부 전극 패턴의 라인 전극과 대응하는 하부 전극 패턴의 라인 전극 간의 초기 커패시턴스와 상기 탄성층에 소정의 힘이 인가된 이후의 상기 두 라인 전극들 간의 커패시턴스의 차에 기반하여, 상기 두 라인 전극들 간의 어긋남을 계산하고, 상기 계산된 두 라인 전극들 간의 어긋남에 따른 전단력을 추정하는, 바디 터치 디바이스.