KR20170023937A - 외부 결합 센서 - Google Patents

외부 결합 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20170023937A
KR20170023937A KR1020177000408A KR20177000408A KR20170023937A KR 20170023937 A KR20170023937 A KR 20170023937A KR 1020177000408 A KR1020177000408 A KR 1020177000408A KR 20177000408 A KR20177000408 A KR 20177000408A KR 20170023937 A KR20170023937 A KR 20170023937A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
capacitance
sensor
dielectric
stimulus
signal
Prior art date
Application number
KR1020177000408A
Other languages
English (en)
Inventor
이언 알렉산더 앤더슨
다니엘 수
Original Assignee
오클랜드 유니서비시즈 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오클랜드 유니서비시즈 리미티드 filed Critical 오클랜드 유니서비시즈 리미티드
Publication of KR20170023937A publication Critical patent/KR20170023937A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0447—Position sensing using the local deformation of sensor cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/146—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors for measuring force distributions, e.g. using force arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/22—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0445—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means using two or more layers of sensing electrodes, e.g. using two layers of electrodes separated by a dielectric layer
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/965—Switches controlled by moving an element forming part of the switch
    • H03K17/975—Switches controlled by moving an element forming part of the switch using a capacitive movable element
    • H03K17/98—Switches controlled by moving an element forming part of the switch using a capacitive movable element having a plurality of control members, e.g. keyboard
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/96054—Double function: touch detection combined with detection of a movable element
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/96072—Phase comparison, i.e. where a phase comparator receives at one input the signal directly from the oscillator, at a second input the same signal but delayed, with a delay depending on a sensing capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/96071—Capacitive touch switches characterised by the detection principle
    • H03K2217/96073—Amplitude comparison
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960735—Capacitive touch switches characterised by circuit details
    • H03K2217/960745—Capacitive differential; e.g. comparison with reference capacitance
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960735—Capacitive touch switches characterised by circuit details
    • H03K2217/96075—Capacitive touch switches characterised by circuit details involving bridge circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755—Constructional details of capacitive touch and proximity switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/9607—Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755—Constructional details of capacitive touch and proximity switches
    • H03K2217/960765—Details of shielding arrangements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
  • Finger-Pressure Massage (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

본 발명은 유전체 엘라스토머 디바이스, 전력 소스, 센서 및 프로세서를 포함하는 센서 장치를 제공한다. 유전체 엘라스토머 디바이스는 유전체 재료 층과 이 유전체 층의 대향 측면들에 한 쌍의 전도성 전극을 포함한다. 전력 소스는 전극과 결합되어 전극들 사이에 자극 신호를 인가하고, 상기 자극 신호는 상이한 주파수의 2개 이상의 자극 성분을 포함한다. 전극과 결합된 센서는 유전체 엘라스토머 디바이스의 주파수 응답을 나타내는 감지 신호를 획득한다. 프로세서는 센서와 결합되어 감지 신호를 수신하고, 유전체 엘라스토머 디바이스의 주파수 응답에 적어도 부분적으로 기초하여 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 검출하도록 구성된다. 또한 외부 결합을 감지하는 방법이 제공된다.

Description

외부 결합 센서{EXTERNAL COUPLING SENSOR}
본 발명은 외부 결합 센서 장치 및 감지 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 예시적으로, 본 발명은 유전체 엘라스토머 센서(dielectric elastomer sensor) 상의 위치 또는 근접성, 접촉성 및/또는 압력을 감지(sensing)하는 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
종래 기술의 유전체 엘라스토머(dielectric elastomer: DE) 디바이스는 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 순응 전극(11a, 11b) 사이에 일반적으로 실리콘 또는 아크릴 엘라스토머 재료의 연질 유전체 멤브레인(soft dielectric membrane)(10)을 샌드위치하는 것에 의해 구성된다. 이 디바이스는 액추에이터, 발전기, 또는 센서로 사용될 수 있다.
예를 들어, 장력(평면 방향으로) 또는 압축(평면 내 방향으로) 하에서 유전체 엘라스토머 센서의 기하학적 변화는 디바이스의 멤브레인과 전극을 변형시켜 센서의 전체 커패시턴스와 저항에 변화를 일으키는데, 이 변화는 변형 또는 힘과 같은 유용한 감지 정보를 추론하는 데 사용될 수 있다. 그리하여, 이러한 유전체 엘라스토머 센서 디바이스는 신장 센서(stretch sensor)로서 이전에 사용되어 왔다.
종래 기술의 유전체 엘라스토머 감지 디바이스 및 방법의 예는 국제 특허 공개 번호 WO 2010/095960 및 WO 2012/053906에 개시되어 있다.
이러한 유전체 엘라스토머 감지 디바이스 및 방법의 한계는 유전체 엘라스토머 디바이스가 실질적으로 균일하게 변형될 것을 가정하거나 요구한다는 것이다. 종래 기술의 디바이스 및 방법은 임의의 위치 정보를 제공할 수 없다. 즉, 이들 디바이스 및 방법은 디바이스를 변형시키는 외부 물체의 힘의 위치를 정확히 결정하거나 외부 물체와의 접촉 지점을 결정할 수 없다.
두 번째 한계는, 하나의 DE의 커패시턴스를 측정하는 것은 상대적으로 간단하지만 각 센서는 한 쌍의 케이블과 질의 전자 장치(interrogation electronics)와 결합되어야 한다는 것이다. 이것은 주변 회로에 복잡성을 추가하여, 센서 간섭과 누화의 가능성을 증가시킨다. DE의 높은 전극 저항을 수용할 수 있는 커패시턴스 감지 알고리즘이 일반적으로 연산 집약적이기 때문에 다중 채널은 또한 소프트웨어 처리 속도를 감소시킬 수 있다. 아날로그 멀티플렉서, 디코더, 하드웨어 처리, 및 디지털 펄스 트레인 컨버터에 대한 커패시턴스의 어레이와 같은 제안된 솔루션은 이 접근법을 적절히 간단하게 만들지 못한다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 하나 이상의 단점을 극복하거나 적어도 개선하거나, 또는 대안적으로 적어도 대중에 유용한 선택된 사항을 제공하는 유전체 엘라스토머 디바이스 및/또는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은, 단일 DE 센서가 다수의 센서로 작용하고 및/또는 외부 결합 위치를 감지할 수 있게 하는 유전체 엘라스토머 디바이스 및/또는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가적인 목적은 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
제1 양상에서, 본 발명은 대체로 센서 장치로서,
유전체 재료 층과 상기 유전체 층의 대향 측면들 상에 한 쌍의 전도성 전극을 포함하는 유전체 엘라스토머 디바이스;
상기 전극들과 결합되고, 상이한 주파수의 2개 이상의 자극 성분을 포함하는 자극 신호를 상기 전극들 사이에 인가하는 전력 소스;
상기 전극과 결합되고, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 주파수 응답을 나타내는 감지 신호를 획득하는 센서; 및
상기 센서와 결합되고, 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 주파수 응답에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 상기 센서 장치로 구성된 것으로 언급될 수 있다.
상기 외부 결합은 기계적 및/또는 전기적 결합을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 외부 결합은 예를 들어 내부 커패시턴스에 영향을 주는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 변형을 야기하는 기계적 결합을 포함하거나, 또는 예를 들어 인간의 손가락의 접촉 또는 근접성에 의해 외부 커패시턴스와의 결합을 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 프로세서는 상기 결합의 상태, 정도 및 위치 중 적어도 하나, 보다 바람직하게는 두 개 또는 이를 초과하는 개수를 검출하도록 구성된다.
바람직하게는 2개 이상의 자극 성분 중 적어도 하나는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 의해 적어도 부분적으로 감쇠된다. 상기 감쇠된 자극 성분은, 상기 전극의 분배된 저항과, 상기 전극들 사이에 분배된 커패시턴스의 조합된 효과, 즉 함께 저역 통과 필터로서 작용하는 효과에 의해 감쇠된다. 보다 바람직하게는, 상기 2개 이상의 자극 성분 중 적어도 하나는 상기 전극에 의해 감쇠되지 않는다. 적절한 주파수를 선택하는 것은 상기 유전체 층과 전극의 설계에 달려 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
바람직하게는, 상기 프로세서는 상기 감지 신호를 처리하여, 상기 자극 신호의 2개 이상의 상이한 자극 성분 중 하나에 각각 기인하는, 상기 감지 신호의 2개 이상의 감지 성분을 식별하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 프로세서는 상기 감지 신호에 푸리에 변환을 수행하여 상기 2개 이상의 자극 성분에 대응하는 상기 2개 이상의 감지 성분을 식별하도록 구성된다.
대안적으로, 상기 프로세서는 상기 2개 이상의 감지 성분을 식별하도록 구성된 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 프로세서는, 상기 2개 이상의 감지 성분 각각에 대해, 각 감지 성분에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 커패시턴스를 계산하도록 구성된다. 상기 적어도 하나의 감쇠된 자극 성분에 대응하는 감지 성분으로부터 계산된 커패시턴스는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 전극들 중 일부분 사이의 커패시턴스를 나타내는 반면, 감쇠되지 않은 자극 성분에 대응하는 감지 성분으로부터 계산된 커패시턴스는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 전극들 사이의 전체 커패시턴스를 나타낸다. 상기 전극들 중 일부분은, 상기 전력 소스와 센서가 결합된 상기 전극의 단자에 인접한다.
바람직하게는, 상기 자극 신호는 주기적인 임펄스를 포함한다.
대안적으로, 상기 자극 신호는 예를 들어 정사각형, 삼각형 또는 톱니파와 같은 2개 이상의 상이한 주파수 성분을 포함하는 비-정현파를 포함할 수 있다.
대안적으로, 상기 자극 신호는 상기 2개 이상의 상이한 주파수 성분들 사이에서 순환(cycle)할 수 있다.
대안적으로, 상기 자극 신호는 미리 결정된 주파수 범위에 걸쳐 스위프(sweep)할 수 있다.
바람직하게는 상기 프로세서는 상이한 감지 성분들 각각에 대해 상기 계산된 커패시턴스를 대응하는 참조 커패시턴스(reference capacitance)와 비교하도록 더 구성되고, 여기서 상기 계산된 커패시턴스와 상기 참조 커패시턴스 사이의 변화는 외부 결합을 나타낸다.
바람직하게는 각 참조 커패시턴스는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스가 외부 결합을 갖지 않을 때 각 감지 성분으로부터 계산된 커패시턴스에 대응한다.
바람직하게는 상기 계산된 커패시턴스들 각각은 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 부분에 대응하며, 각 부분은 각 자극 및/또는 감지 성분의 주파수에 대해 역의 관계를 갖는 영역에 걸쳐 원위 방향으로 연장된다. 따라서, 보다 낮은 주파수의 감지 성분에 기초하여 계산된 커패시턴스는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 더 많은 부분(잠재적으로 전체 유전체 엘라스토머 디바이스)에 대응할 수 있는 반면, 고주파수 감지 성분에 기초하여 계산된 커패시턴스는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 더 작은 부분에 대응할 수 있다. 각 부분은 중첩(overlap)될 수 있다.
바람직하게는, 상기 프로세서는 상기 계산된 커패시턴스들 중에서 각 참조 커패시턴스로부터 변한 커패시턴스에 적어도 부분적으로 기초하여 외부 결합 위치를 검출하도록 구성된다.
바람직하게는 최저 주파수에 대응하는 계산된 커패시턴스의 변화가 없으면 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 외부 결합이 없는 것을 나타내고; 상기 최저 주파수에 대응하는 계산된 커패시턴스의 변화는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 나타내고; 각 참조 커패시턴스로부터 변하는 상이한 주파수들 각각에 대응하는 계산된 커패시턴스들의 수는 외부 결합의 위치를 나타낸다.
바람직하게는, 상기 프로세서는 각 계산된 커패시턴스와 참조 커패시턴스를 대응하는 자극/감지 성분의 주파수의 오름차순으로 순차적으로 비교하도록 구성되고,
상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 외부 결합을 나타내지 않는 출력 신호는 처음 계산된 커패시턴스가 변하지 않는 경우 제공되고;
상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 나타내는 출력 신호는 상기 처음 계산된 커패시턴스가 변하는 경우 제공되고; 및/또는
상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 나타내는 출력 신호는 상기 계산된 커패시턴스들 중 적어도 하나가 변하는 경우 제공되고, 상기 위치는 변하지 않는 순서로 계산된 커패시턴스의 제1 발생을 식별하는 것에 의해 결정된다.
바람직하게는, 상기 자극 신호는 순차적으로 증가하는 주파수의 복수의 자극 성분을 포함한다. 보다 구체적으로, 각 순차 자극 성분 간의 주파수 차이는 동일하다.
바람직하게는, 계산된 커패시턴스와 참조 커패시턴스 사이의 비교는 변동을 나타내는 최소 차이 마진을 포함한다. 이 비교는 히스테리시스 또는 슈미트 트리거를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어기는 외부 결합 위치를 나타내는 출력 신호를 제공하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 제어기는 각 참조 커패시턴스로부터의 변동 정도에 적어도 부분적으로 기초하여 외부 결합의 정도를 검출하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 프로세서는 외부 결합의 정도를 나타내는 출력 신호를 제공하도록 더 구성된다.
바람직하게는 상기 센서 장치는 1 차원 센서를 포함하고, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스는 실질적으로 세장형(elongate) 평면 형상을 구비한다.
대안적으로, 상기 센서 장치는 2 차원 센서를 포함할 수 있고, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스는 실질적으로 평면이다.
대안적으로, 상기 센서는 예를 들어 상기 유전체 엘라스토머 디바이스가 비평면인 3차원 센서를 포함할 수 있다. 상기 유전체 층과 전극은 예를 들어 원통형 형상으로 배열될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유전체 층은 엘라스토머 멤브레인을 포함하고, 상기 전극은 순응적이어서 상기 센서의 적어도 일부가 유연하다(pliable).
바람직하게는 상기 유전체 층은 그 영역에 걸쳐 실질적으로 균일한 두께를 구비한다. 대안적으로, 상기 멤브레인의 두께는 그 영역에 걸쳐 변할 수 있고, 특히 적어도 하나의 방향으로 점진적으로 변할 수 있다.
바람직하게는 상기 전극들은 각각 그 영역에 걸쳐 실질적으로 균일한 저항률(resistivity)을 갖는다. 대안적으로, 상기 전극들 중 어느 하나 또는 둘 모두는 불균일한 저항률을 가질 수 있고, 특히 맵은 그 영역에 걸쳐 전도성 전극 재료 또는 복수의 전도성 전극 재료의 농도가 가변하는 것을 포함한다.
바람직하게는 상기 전극들은 각각 실질적으로 평면 시트(sheet)를 포함한다. 대안적으로, 상기 전극들 중 어느 하나 또는 둘 모두는 패턴화될 수 있고, 특히 하나 이상의 나선형 패턴으로 패턴화될 수 있다.
상기 디바이스는 전극에 결합되어 그 유효 저항을 감소시는 전도성 메쉬(mesh)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 프로세서는 마이크로 제어기 및/또는 디지털 신호 프로세서를 포함한다.
바람직하게는 상기 센서는 적어도 하나의 전기 센서를 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기 센서는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스 양단의 전위차, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스를 통과하는 전류, 및 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 공급되는 전하 중 하나 이상을 감지하도록 구성된다.
제2 양상에서, 본 발명은 대체로 센서 장치로서,
유전체 재료 층;
상기 유전체 층의 대향하는 측면들에 한 쌍의 저항성 전극;
상기 전극들과 결합되고, 2개 이상의 상이한 주파수에서 자극 신호를 상기 전극에 인가하는 전력 소스로서, 상기 주파수들 중 적어도 하나는 적어도 부분적으로 감쇠되는, 상기 전력 소스;
상기 전극들과 결합되고, 상기 인가된 자극 신호에 응답하여 상기 전극의 전기적 파라미터를 감지하는 센서; 및
상기 센서와 결합되고, 상기 센서로부터 감지 신호를 수신하고, 상기 2개 이상의 상이한 주파수들 각각에 대해 상기 전극들 사이에 대응하는 커패시턴스를 추정하고, 상기 추정된 커패시턴스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 유전체 재료 및/또는 상기 전극들 중 적어도 하나의 전극과 외부 결합 위치를 검출하도록 구성된 프로세서를 포함하는 상기 센서 장치로 구성된 것으로 언급될 수 있다.
본 발명의 제2 양상의 바람직한 특징은 제1 양상의 대응하는 바람직한 특징으로부터 명백할 것이다.
제3 측면에서, 본 발명은 대체로 유전체 엘라스토머 디바이스의 전극과 외부 결합 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은,
상기 전극에 자극 전압을 인가하는 단계로서, 상기 자극 전압은 상이한 주파수의 복수의 성분을 포함하는, 상기 인가하는 단계;
상기 상이한 주파수들 각각에 기인하는 상기 전극의 전류 및/또는 전압을 측정하는 단계;
대응하는 참조값(reference value)들에 대해, 상기 상이한 주파수들 각각에 대한 전류 및/또는 전압 측정값의 변화를 검출하는 단계; 및
상기 변화가 검출되는 주파수에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 외부 결합 위치를 결정하는 단계를 포함하는 상기 방법으로 구성된다고 언급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 상이한 주파수들 중 적어도 하나는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 의해 감쇠된다. 보다 바람직하게는, 상기 복수의 주파수 중 하나는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 의해 감쇠되지 않고, 다른 복수의 주파수는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 의해 상이한 정도로 감쇠된다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 전류 및/또는 전압 측정값에 푸리에 변환을 수행하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 상이한 주파수들 각각에 대한 상기 전류 및/또는 전압 측정값에 기초하여 커패시턴스를 계산하는 단계, 및 대응하는 참조 커패시턴스에 대해 계산된 커패시턴스의 변화를 검출하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 감지 전자 장치에 의해 수행된다. 보다 구체적으로, 상기 전류 및/또는 전압의 변화를 검출하는 단계 및 상기 외부 결합 위치를 결정하는 단계는 프로세서, 가장 바람직하게는 마이크로 제어기에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 방법은 각 측정값과 참조값을 각 주파수의 오름차순으로 순차적으로 비교하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 위치는 상기 참조값으로부터 변하지 않는 순서로 계산된 커패시턴스의 첫 번째 발생을 식별하는 것에 의해 결정된다.
추가적인 양상에 있어서, 본 발명은 대체로 유전체 엘라스토머 디바이스와 외부 결합의 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은,
자극 신호를 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 인가하는 단계로서, 상기 자극은 상이한 특성들의 복수의 자극 성분을 포함하는, 상기 인가하는 단계;
상기 복수의 자극 성분 각각에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답을 측정하는 단계; 및
상기 복수의 자극 성분에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답의 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 외부 결합을 결정하는 단계를 포함하는 상기 방법으로 구성되는 것으로 언급될 수 있다.
본 발명의 이러한 양상은 DED와 접촉해 있거나 또는 DED와 공간적으로 가까이 있거나 또는 근접해 있을 때를 검출하고, 바람직하게는 접촉 근처 DED 상의 위치를 찾아내도록 적응되도록 적응된다. 상기 유전체 엘라스토머에 대한 자극 신호는 상기 복수의 자극 성분 각각에 대한 DED로부터의 응답을 측정하기에 충분하다. 상기 자극 신호는 적어도 가변 전압, 전류 및/또는 주파수의 전기 신호일 수 있다. 상이한 자극 성분들은 각 자극 성분의 응답을 비교할 수 있게 한다. 상기 자극 요소의 특성은 외부 결합의 위치에 따라 달라지도록 선택된다. 예를 들어 외부 결합은 상이한 주파수의 신호에 상이한 양만큼 영향을 미친다. 상이한 성분들에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 상이한 응답들을 비교하면, 예를 들어, 미리 결정된 응답 곡선과 비교하면, 외부 결합 위치를 결정할 수 있다.
바람직하게는 상기 자극 신호는 가변 전류 및/또는 전압을 갖는 전기 신호이다.
바람직하게는, 상기 자극은 2개 이상의 자극 성분을 동시에 공급한다.
바람직하게는, 상기 자극은 2개 이상의 자극 성분을 연속적으로 또는 시간적으로 분리하여 공급한다.
바람직하게는 상기 특성은 주파수이다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 응답을 각 자극 성분에 대한 응답으로 분리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 상기 자극 성분은 주파수이고, 상기 주파수들은 푸리에 변환과 같은 주파수 변환을 사용하여 분리된다.
바람직한 예에서, 상기 자극 신호는 복수의 주파수 성분을 갖는 전기 신호이고, 상기 주파수 성분은 단일 신호를 형성하도록 동시에 결합된다. 상기 신호의 주파수는 상기 신호가 DED로 들어가는 전파력에 영향을 미치므로, 상이한 주파수들 사이를 비교하면 외부 결합이 발생한 위치를 결정할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 주파수 성분은 DED에 순차적으로 또는 연속적으로 인가될 수 있다. 상기 자극이 동시에 결합되는 경우, 이것은 바람직하게는 다중 주파수 신호 내에 있다. 각 주파수에서의 응답은 FFT와 같은 푸리에 변환을 수행하는 것에 의해 분리될 수 있다. 상기 자극 영역, 예를 들어, 주파수 영역으로 변환하는 다른 방법이 또한 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 유전체 재료 층, 및 상기 유전체 층의 대향 측면들에 한 쌍의 전도성 전극을 포함하는 유전체 엘라스토머 디바이스와 연관되고;
바람직하게는, 상기 방법은 상기 복수의 자극 성분에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답의 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 외부 결합의 개수를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 복수의 자극 성분에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답의 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 외부 결합의 복수의 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 자극 성분들 중 적어도 하나 또는 각 자극 성분에 대한 반응을 참조 측정값 또는 참조 곡선 또는 곡선들과 비교하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 참조 측정값 또는 곡선 또는 곡선들은 미리 결정된다.
바람직하게는, 상기 위치를 결정하는 단계는 제2 자극 성분에 대한 제1 자극 성분에 의해 측정된 응답의 차이를 결정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 위치를 결정하는 단계는 참조 자극 성분에 대해 제1 자극 성분과 제2 자극 성분에 의해 측정된 응답의 차이를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 자극 성분들은 각각 DE를 따른 절대 위치에 대해 측정되거나, 또는 상기 측정값은 상기 신호의 잡음을 줄이기 위해 두 개의 자극 성분들 간의 차이일 수 있다.
바람직하게는 임계값 또는 최소 차이 마진이 외부 결합의 위치를 결정하기 위해 상기 측정값에 적용된다.
바람직하게는, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스는 세장형 형상이어서 그 길이가 그 폭보다 더 길다. 일 실시예에서, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스는 가변적인 폭 또는 길이일 수 있다.
대안적으로, 상기 유전체 엘라스토머는 시트이다. 바람직하게는 상기 시트는 실질적으로 평면이다.
바람직하게는, 상기 자극 신호는 제1 위치에 인가되고, 복수의 응답은 응답 위치에서 측정된다. 바람직하게는, 상기 응답 위치는 각각 2 차원 또는 3 차원 센서의 면적 또는 체적을 통해 확산될 수 있다.
바람직하게는 상기 자극 신호는 서로에 대해 각진 축 상에 배열된 제1 시트와 제2 시트에 인가된다. 바람직하게 이들 축은 직교한다. 바람직하게는 상기 각도는 90도이다.
바람직하게는 상기 제1 위치는 실질적으로 상기 시트의 제1 코너이다. 바람직하게는 상기 응답 위치는 상기 시트의 실질적으로 대향하는 코너이다. 바람직하게는 상기 응답 위치는 상기 시트의 대칭 라인에 대해 실질적으로 대칭이다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와 외부 결합의 영향을 국부화하거나 증폭시키도록 적응된 구조물 내에 상기 유전체 엘라스토머 디바이스를 배치하는 단계를 포함한다.
추가적인 양상에 있어서, 본 발명은 대체로 센서 장치로서,
유전체 엘라스토머 디바이스;
상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 결합되고 자극 신호를 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 인가하는 소스로서, 상기 자극 신호는 상이한 특성들의 복수의 자극 성분을 포함하는, 상기 인가하는 소스;
상기 유전체 엘라스토머 디바이스와 결합되고 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답을 나타내는 감지 신호를 획득하는 센서; 및
상기 센서와 결합되고, 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 복수의 자극 성분들에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답의 변화에 기초하여 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함하는 상기 센서 장치로 구성되는 것으로 언급될 수 있다.
본 발명의 이러한 양상은 DED와 접촉해 있거나 또는 DED와 공간적으로 가까이 있거나 또는 근접해 있을 때를 검출하고 바람직하게는 상기 접촉 근처 DED 상의 위치를 찾아내도록 적응된 DED 센서를 제공하도록 적응된다. 상기 유전체 엘라스토머에 대한 자극 신호는 상기 복수의 자극 성분 각각에 대한 DED로부터의 응답을 측정하기에 충분하다. 상기 자극 신호는 적어도 가변 전압, 전류 및/또는 주파수의 전기 신호일 수 있다. 상이한 자극 성분들은 각 자극 성분에서의 반응들을 비교할 수 있게 한다. 상기 자극 성분의 특성은 외부 결합의 위치에 따라 달라지도록 선택된다. 예를 들어 외부 결합은 상이한 주파수의 신호들에 상이한 양만큼 영향을 미친다. 상이한 성분들에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 상이한 응답들을 비교하면, 예를 들어, 미리 결정된 응답 곡선과 비교하면, 외부 결합의 위치를 결정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 자극 신호는 상기 2개 이상의 자극 성분을 함께 또는 동시에 공급한다.
바람직하게는, 상기 자극 신호는 상기 2개 이상의 자극 성분을 연속적으로 또는 시간적으로 분리하여 공급한다.
바람직하게는, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스는 유전체 재료 층과, 상기 유전체 층의 대향하는 측면들에 한 쌍의 전도성 전극을 포함한다.
바람직하게는 상기 특성은 주파수이다.
추가적인 실시예에서, 본 발명은 제1 방향과 제2 방향으로 위치를 검출하도록 적응된 2D 유전체 엘라스토머 센서로 구성된다고 언급될 수 있다. 바람직하게는, 상기 유전체 엘라스토머는 표면 또는 형상에 순응하도록 전성(malleable)이 있거나 또는 가요성(flexible)이 있다.
추가적인 양상에 있어서, 본 발명은 유전체 센서에 대한 외부 결합의 위치를 결정하는 방법으로서, 상기 방법은,
상이한 특성을 갖는 복수의 신호를 포함하는 자극 신호를 상기 유전체 센서에 인가하는 단계;
상기 유전체 센서로부터 응답 신호를 검출하는 단계; 및
상기 응답이 검출되는 상이한 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 외부 결합의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 상기 방법으로 구성된다고 언급될 수 있다.
바람직하게는 상기 특성은 주파수이다.
바람직하게는, 상기 복수의 신호는 시간적으로 동시에 또는 연속적으로 결합될 수 있다.
추가적인 측면에 있어서, 본 발명은 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 하나 이상의 방법을 사용하거나 이에 사용되도록 적응된 유전체 센서로 구성된다고 언급될 수 있다.
모든 신규한 양상에서 고려되어야 하는 본 발명의 추가적인 양상은 다음 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
이제 본 발명의 다수의 실시예가 도면을 참조하여 예로서 설명된다.
도 1은 종래 기술에 따른 유전체 엘라스토머 디바이스의 다이어그램.
도 2는 종래 기술의 방법에서 사용된 도 1의 유전체 엘라스토머 디바이스의 전기 모델.
도 3은 본 발명에 따른 유전체 엘라스토머 디바이스의 전기 모델.
도 4는 본 발명에 따른 유전체 엘라스토머 디바이스의 단순화된 전기 모델.
도 5는 본 발명에 따른 유전체 엘라스토머 디바이스와 자극 신호의 감쇠를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에서 이용되는 자극 신호의 범위에 기초하여 유전체 엘라스토머 디바이스의 계산된 커패시턴스를 도시하는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 자극 신호의 감쇠를 도시하는 유전체 엘라스토머 디바이스의 단순화된 전기 모델의 다이어그램.
도 8은 본 발명에 따른 유전체 엘라스토머 디바이스에 인가된 압력의 위치를 결정하기 위한 예시적인 알고리즘을 도시하는 흐름도.
도 9는 본 발명에 따른 센서 장치의 블록도.
도 10은 본 발명에 따른 저항 소자와 용량성 소자의 연속체를 갖는 전송 라인 모델로 해석되는 센서 장치의 다이어그램.
도 11은 (a) 낮은 감지 주파수에서, 전압은 DE의 길이를 따라 일정하지만 (b) 주파수가 증가함에 따라 감쇠되는 것을 보여주는 일련의 플롯을 도시하는 도면. 이러한 효과는 (c) 전극의 저항을 감소시키는 것에 의해 감소될 수 있고, (d) 본 발명에 따른 유전체 엘라스토머 센서에 의해 감소될 수 있다.
도 12는 본 발명에 따라 위치를 결정하기 위해 각 주파수에서 측정된 절대 커패시턴스를 사용하는 단일 참조(single reference), 및 변형을 결정하기 위해 2개의 커패시턴스 측정들 사이의 차이를 사용하는 차동 참조(differential reference)의 블록도.
도 13은 본 발명에 따른 정현파 전압 여기 하에서 전류의 진폭과 위상 시프트를 측정하는 것에 의해 DE의 집중 커패시턴스(lumped capacitance)를 계산할 수 있는 방식을 도시하는 도면.
도 14는 본 발명에 따라 상이한 위치들을 나타내는 4개의 감지 영역으로 분할된 센서 장치의 단일 DE 센서를 도시하는 도면.
도 15는 본 발명에 따라 각 감지 주파수에 걸쳐 순차적으로 스위프하고 주파수 변환을 이용하여 모든 주파수를 동시에 측정하는 센서 장치의 블록도.
도 16은 올바른 음표(note)를 재생하기 위해, 먼저 감지 신호들을 함께 결합하여 DE 센서로 송신하는 본 발명에 따른 센서 장치의 동작 흐름도. 이후 FFT를 사용하여 각 주파수 성분의 진폭과 위상을 결정하여 그 커패시턴스를 계산한다. 마지막으로 매칭 알고리즘을 사용하여 스피커(loudspeaker)를 통해 대응하는 사운드를 재생하기 위해 가압된 키를 식별한다.
도 17은 본 발명에 따른 국부 구역에 대한 변형을 격리하기 위해 플라스틱 프레임 내에 고정된 센서 장치의 다이어그램.
도 18은 본 발명에 따라 고유한 특성 프로파일을 제공하는 단일 터치 위치와 다중 터치 위치의 커패시턴스 주파수 응답을 도시하는 차트.
도 19는 본 발명에 따라 전송 라인에서 더 아래 위치를 가압하는 경우 더 낮은 커패시턴스 변화를 나타내는 방식을 도시하는 차트.
도 20은 2개의 전극이 본 발명에 따른 센서 장치의 대향하는 단부들에서 복귀 전류를 측정하는 2 차원 감지의 일례를 도시하는 도면.
도 21은 본 발명에 따른 센서 장치의 변형 위치의 X 및 Y 위치를 결정하기 위해 대향하는 코너들에서 2D 유전체 엘라스토머 시트의 상대적인 커패시턴스를 비교하는 도면.
도 22는 본 발명에 따라 환경 잡음으로부터 센서를 차폐하기 위해 추가적인 접지 전극 층을 추가할 수 있는 방식을 도시하는 도면.
도 23은 다수의 1 차원 센서를 결합한 2 차원 센서의 일 실시예를 도시하는 도면.
유전체 엘라스토머 센서가 압력 접촉 위치를 감지할 수 있다면 전통적인 단단한 상부와 버튼 키에 대한 소프트한 대안을 제공할 수 있다. 이 센서를 사용하면 키보드를 연주하거나 센서를 사용하는 동안 충격 부하를 줄이는 데 도움이 되는 소프트-터치 음악 키보드를 생성할 수 있다. 소프트 키보드의 가능한 추가적인 장점에는 깃털 중량의 구성과 높은 견고성이 포함된다. DE 센서는 또한 다양한 형상과 크기로 구성될 수 있어서, 사용자에게 더 높은 레벨의 맞춤 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이것은 키보드 연주자가 연주 스타일에 맞게 키를 쉽게 구성할 수 있게 한다. 그러나 이러한 시스템은 이전에 측정할 수 없었던 DE 내 국부 변형에 관한 정보를 요구한다. 본 발명의 일 실시예에서, 새로운 다중 주파수의 용량성 감지 방법은 센서를 복수의 상이한 구역들로 분할하는데 사용된다.
본 명세서는 센서의 커패시턴스를 검출하는 것에 대해 폭넓게 설명하고 있지만, 유전체 센서의 다른 특성 또는 자극 신호에 대한 응답을 측정하거나 검출할 수 있는 것으로 이해된다. 특히, 검출된 특성은 센서에 공급되거나 센서로부터 수신된 전압과 전류 사이의 관계일 수 있다. 예를 들어, 기계 학습 알고리즘이 선택(pick up)할 수 있는 다른 항목들이 사용될 수 있다. 유형적인 관계를 사용하는 것이 바람직하다. 커패시턴스는 센서의 기하학적 형상에 직접 관련될 수 있으나 다른 항목들은 덜 유형적일 수 있기 때문에 커패시턴스가 선호될 수 있다. 일반적인 실시예에서, 원시 신호 또는 원래 신호가 측정되고 (예를 들어, 전압 및 전류), 위치를 추론하는 모델을 사용하여 전기 파라미터(예를 들어, 커패시턴스, 저항, 임피던스)로 변환되거나 계산된다. 바람직한 실시예는 유전체 엘라스토머(1)로의 압력을 추론하기 위해 상이한 주파수들에서 집중 커패시턴스 값을 사용한다. 원시 전류 및 전압 레벨은 센서 또는 재료 특성과 관련되기 곤란할 수 있는 반면, 커패시턴스는 기하학적으로 그리고 환경적으로 안정적으로 지배된다. 커패시턴스는 일반적으로 측정된 전압 및 전류 레벨(크기와 위상 모두)의 변화로부터 계산된다.
종래 기술의 유전체 엘라스토머 디바이스 및 방법에서 위치 정보의 손실은 부분적으로 도 2에 도시된 바와 같이 유전체 엘라스토머 센서를 나타내는데 사용되는 집중 파라미터 모델(lumped parameter model)의 결과이다. 집중 파라미터 모델은 시스템의 모든 저항성 소자와 용량성 소자를 함께 그룹화하고, 이들을 병렬 저항(RP)(멤브레인 저항)과 커패시턴스(C)에 직렬로 직렬 저항(RS)(전극 저항)을 연결한 것으로 정의한다. 이 커패시턴스(C)는 상대 유전율(ε)에 대한 지식으로부터의 DE의 전체 면적(A)과 두께(t)를 결정할 수 있게 한다.
유전체 엘라스토머 센서의 등가 커패시턴스는 센서의 전체 변형의 좋은 예측 인자(predictor)인 것으로 보였지만, 이 등가 커패시턴스는 센서를 단일 용량성 및 저항성 소자로 취급하기 때문에 국부적인 변형 또는 그 위치를 식별하는데는 실패한다.
국부적인 변형 또는 접촉 지점과 같은 위치 정보가 유용한 상황의 일례는 센서의 전극 상에 사람의 손가락이 접촉하고 움직이는 것을 검출하는 것에 의해 유전체 엘라스토머 센서를 사람 인터페이스 디바이스로 사용하는 것을 포함한다.
일반적으로, 저비용 유전체 엘라스토머 센서의 전극은 고 저항 탄소계 재료로 제조된다. 전극의 저항이 상대적으로 높으면 센서의 커패시턴스를 결정하기 어렵기 때문에 전극의 저항이 상대적으로 높은 것을 문제로 보았거나 적어도 비-이상적인 것으로 간주되었다. 그러나, 이러한 높은 저항은 본 발명에 의해 위치 또는 국부적 근접성, 터치 및/또는 압력 정보를 제공하는데 이용된다. 나아가, 이전에는 시간 영역보다는 주파수 영역에서 유전체 엘라스토머 디바이스를 분석하는 것을 만약 있다 하더라도 거의 고려하지 않았으므로, 유전체 엘라스토머 디바이스를 개발하고 구현하는 것은 DC 심적 경향(mind-set) 또는 저주파(예를 들어, 1Hz) 동작으로 제한되었다.
일 실시예에서, 이 시스템은 대체로 DE 센서 내의 커패시턴스가 측정 디바이스에 명백하지 않게 되는 지점을 변경하기 위해 상이한 감지 주파수들을 사용하는 것과 음(negative)의 전압 구배에 의존하는 위치 파악 방법으로 설명될 수 있다. 제1 실시예에서, DE는 원점으로부터 측정된 집중 커패시턴스 값을 구성하는 커패시터의 비율로 표현된다. 파라미터(예를 들어, 커패시턴스)가 주파수에 의존하기 때문에, 즉 감지 신호의 도달 거리는 그 주파수를 변경하는 것에 의해 조절될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 파라미터(또는 파라미터에 대한 센서의 응답)는 일부 다른 자극 성분(들) 특성(즉, 이 특성에 따라 응답이 변하는 것)에 의존할 수 있다. 예를 들어, 이 응답은 유전체 센서에 인가된 전압 또는 전류의 레벨; 대안적으로 응답의 시간 또는 지연, 위상 또는 다른 특성에 따라 달라질 수 있다. 센서에 신호를 공급하고, 유전체 센서의 응답을 감지하고, 유전체 센서에 대한 특성의 응답의 차이를 검출하는 것에 의해, 외부 결합의 위치가 검출될 수 있다. 여기서 주파수는 자극 성분 특성인 것으로 설명되지만, 다른 특성도 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
본 발명의 실시예에서, 리액턴스 또는 임피던스 또는 인덕턴스를 포함하는 파라미터가 커패시턴스 대신에 사용되거나 또는 조합으로 사용될 수 있다. 일 실시 예에서, 측정된 파라미터는 유전체 센서를 따른 위치에 따라 값이 변하는 임의의 전기적 변수일 수 있다. 커패시턴스는 센서의 기하학적 형상에 간단한 방식으로 상관되어 있을 수 있기 때문에 바람직한 선택사항일 수 있다. 이를 통해 감지 주파수를 감소시키는 것에 의해 점진적으로 DE의 더 많은 부분을 측정할 수 있고 이후 2개의 주파수들 간의 차이를 사용하여 이들 구획들 간의 커패시턴스를 추론할 수 있다.
큰 전극 저항이 있을 때에는 커패시턴스가 단일 소자로 집중될 수 없다는 가정이 이루어질 수 있으므로 큰 전극 저항이 있는 경우에는 분산 모델을 사용할 수 있다. DE는 그 전극 저항이 높을 때 이런 방식으로 거동할 수도 있다. 세부 레벨(granular level)에서 이것은 사다리 네트워크로 연결된 저항기 구획과 커패시터 구획의 체인에 의해 모델링될 수 있다. 이 모델은 센서를 많은 개수의 더 작은 센서들로 효과적으로 분리한다. DE의 상이한 구획들에서 용량성 변화를 측정하는 것에 의해 가압이 발생한 위치를 결정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 물리적 접촉이 없거나 물리적 접촉(압력)의 크기가 변할 수 있다. 그리하여, 종래 기술의 집중 파라미터 모델은 도 3에 도시된 바와 같이 이산 용량성 소자(C)(31)와 저항성 소자(R)(32)에 의해 다이어그램에 표현된 분산 저항과 커패시턴스의 분산형 전송 라인 모델로 분해될 수 있다. 감지 전압이 낮으면 멤브레인 저항(RP)은 무시될 수 있다.
이 전송 라인 모델은 유전체 엘라스토머 내 저항과 커패시턴스의 연속적인 분배를 나타낸다. 이상적인 경우 분배는 길이당 저항과 커패시턴스를 각각 나타내는 파라미터(R 및 C)에 의해 전체에 걸쳐 균일하다. 도 3의 전송 라인 모델은, 병렬 저항(R)(32)들이 도 4에 도시된 바와 같이 2R(43)의 단일 값으로 각각 결합되는, 일련의 RC 스테이지(40, 41, 42)로 더 단순화될 수 있다.
전기적으로, 각 스테이지(40, 41, 42)는 차단 주파수 미만의 주파수는 쉽게 통과하지만 이보다 더 높은 주파수는 적어도 어느 정도 감쇠되는 저역 통과 필터를 나타낸다. 저역 통과 필터의 차단 주파수는 수식 1에 의해 설명된다. 저역 통과 필터의 각 스테이지는 고주파 신호를 더 감쇠시킨다.
Figure pct00001
(1)
이 일련의 저역 통과 필터의 결과 고주파 신호는 센서 내로 멀리 전파되지 못하는 반면, 저주파 신호는 센서의 단부까지 편안하게 전파될 수 있다는 것이다. 자극 주파수가 높을수록 신호는 더 많이 감쇠되어 센서에 훨씬 더 적게 전파된다. 자극 신호는 그 도달 범위를 넘어서 측정될 수 없으므로, 이것은 센서 내로 상이한 양만큼 전달되는 상이한 자극 신호들을 사용하는 것에 의해 센서의 상이한 영역들을 선택적으로 '감지'할 수 있는 가능성을 제공한다. 즉, 전압 또는 다른 신호는 진폭이 매우 작아져서, 커패시턴스를 충분히 검출할 만큼 라인에서 나머지 커패시터(31)에 충분한 전하를 전송하지 못할 수 있다. 이 단계에서 DE에 대한 나머지 커패시터의 출현은 최소화되어, 더 작은 명백한 집중 커패시턴스 값을 형성한다.
도 3의 전송 라인(44)은 또한 DE의 내부 효과를 분석하기 위해 전송 라인 모델을 적용하는 것에 의해 고려될 수 있다. 특히 1 차원 스트립을 따른 전압 감쇠는 텔레그래퍼의 방정식의 쌍을 푸는 것에 의해 설명될 수 있다:
∂V∂z = - L'∂I∂t - R'I
∂V∂z = - C'∂V∂t - G'V
손실 전송 라인 모델을 적응시키면, 손실 전송 라인(100) 모델에서 DE(1)을 분산 계열로 나타낼 수 있고, 여기서, R'(102)과 C'(101)는 도 10에 도시된 바와 같이 단위 길이당 저항과 커패시턴스를 각각 나타낸다. 상대적으로 짧은 길이와 낮은 감지 전압(105)을 사용하는 것에 의해, 모델에서 인덕턴스(103)(L')와 컨덕턴스(104)(G')를 무시할 수 있다. 하나의 방법에서 미분 방정식의 쌍에 대한 해는 라플라스 변환을 사용하여 분석적으로 해결될 수 있다. 전압 해의 일반적인 형태는 다음과 같이 표현될 수 있다:
V(z, t) = V + e^(jωt-ζz) + V - e^(jωt + ζz)
여기서 ω는 입력 전압의 각도 주파수이고, ζ는 파의 전파 상수이다:
ζ = √(R' + jωL)(G' + jωC')
그리고 V+ 및 V-는 전송 라인을 따라 전방으로 그리고 후방으로 진행하는 전압 파의 크기를 나타낸다.
전송 라인 모델은 DE 내 국부화된 압력 변화들을 구별할 수 있어서 다수 개의 개별 센서의 요구를 제거할 수 있다. 튜닝가능한 파라미터(주파수)는 감지 신호의 질의 길이를 변경하기 위한 제어 변수로 식별되었다. 그러나 수학적 계산에서는 일반적으로 시스템이 전체에 걸쳐 일정한 커패시턴스와 저항을 갖는 특성상 균일하다고 가정한다. 이 가정이 정확하지 않은 상황에서는 감지 신호의 감쇠에 날카로운 불연속이 나타날 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 물리적 파라미터의 변화는 이러한 불연속성을 예상하기 위해 모델에 내장될 수 있다. 대안적으로 길이에 따라 일관된 파라미터를 갖는 DE(1)는 이 문제를 줄이거나 피할 수 있다. 수직 강하(drop)를 갖는 덜 이상적인 필터와 유사하게, 감지 전압(105)의 감쇠는 점진적이고 비선형적이다. 이것은 인접한 키들을 가압할 때 상이한 주파수들에서 측정된 커패시턴스 사이의 작은 양의 크로스오버로 나타난다. 이를 극복하기 위한 한 가지 해결책은 임계 값을 적용하여 이 임계 값만큼 커패시턴스가 변경되면 가압한 것으로 명확히 등록하는 것이었다. DE 키보드 실험에서는 10pF의 임계 값이 사용되었지만 이것은 DE의 상대적인 커패시턴스에 따라 달라질 수 있다.
도 11은 DE(1)를 R'= 1MOhm/m(102)와 C'= 1nF/m(101)의 특성을 갖고 0.1m 길이로 시뮬레이션하는 일 예를 도시한다. 100Hz의 송신 주파수(도 11a)에서, 감지 전압은 DE의 전체 길이를 통해 균일하다. 사실상 센서는 시간적으로 동일한 감지 신호를 본다. 그러나 10㎑에서 커패시턴스는 더 많은 영향을 미치고 전압은 연결 지점으로부터 더 멀어질수록 진폭이 크게 감소한다(도 11b). 이 전압 감소 효과는 전극의 저항을 줄임으로써 상쇄될 수 있다(도 11c).
그리하여 높은 R은 감도를 제공하지만 전압은 더 빨리 감쇠하기 때문에 센서의 길이와 감도 사이에는 트레이드오프 관계가 있을 수 있다. 유사하게 높은 주파수가 사용될 수 있는 상황에서는 낮은 저항이 사용될 수 있다. 대안적인 파라미터가 사용되는 경우, 이 파라미터와 DE(1)의 대안적인 특성 또는 재료 특성 간에 트레이드오프 관계가 있을 수 있거나, 또는 또한 저항이 있을 수 있다. 이 시뮬레이션은 저항 파라미터(R')(102)가 감지 전압의 감쇠에 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다. 그러나 감지 신호의 주파수는 높은 저항에 대하여 카운터 밸런스 역할을 수행하여, 침투 레벨을 조정하는 방식으로 작용할 수 있다. 또한 최종적으로 감지 전압은 크기가 미미해져서 라인의 나머지 커패시터를 측정할 때 감지 전압이 쓸모 없게 하는 것이 명백하다. 일 실시예에서, 이러한 전압 감쇠는 감지 신호의 도달 범위를 변경하기 위해 상이한 감지 주파수들을 사용함으로써 이용된다. 전극의 길이를 따라 명백한 음의 전압은 감지 전압의 진폭이 연결 지점으로부터 더 멀어질수록 더 작아진다는 것을 의미한다. 일부 시점에서 전압은 진폭이 너무 작아져서, 커패시턴스를 충분히 검출하기 위해 라인의 나머지 커패시터에 충분한 전하를 전달하지 못할 수 있다. 이런 상태에서 이들 커패시턴스가 기여하는 바는 최소이어서 집중 커패시터 모델에서 과소 표현되므로, 전체 커패시턴스 측정이 더 작아지게 된다.
전극의 저항은 이전에는 '불량 전극'의 불리한 특성으로 간주되었다. 그러나 이 접근법에서는 높은 저항의 전송 라인은 주파수에 따라 측정되는 커패시턴스를 감소시키는 전압 구배를 생성한다. 충분히 '불량' 전극을 사용함으로써 주파수 대역폭을 더 낮은 주파수로 시프트시켜 고주파수에서 점점 더 커지는 유도성(및 RF) 효과를 회피하면서 샘플링 요구 사항을 완화시킬 수 있다. 즉, 더 높은 저항을 갖는 유전체는 위치가 가압되거나 근접성이 검출될 때 커패시턴스에 더 큰 변화를 나타낸다.
예를 들어, 센서(50)는 복수의 상이한 자극 주파수(f1 내지 f4)를 사용하여 상이한 세그먼트(segment)들을 측정할 수 있는 복수의 세그먼트(A-D)로 분할될 수 있다. 4개의 위치의 시스템이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이 디바이스는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 4개 또는 5개의 위치로 제한되지 않고 더 많거나 더 적은 개수의 위치를 가질 수도 있는 것으로 이해된다. 서로 다른 키 크기 또는 위치는 감지 신호(예를 들어, 주파수)가 연속 센서의 임의의 지점에서 민감하거나 수신가능할 만큼 민감하게 조절함으로써 달성될 수 있다. 감도의 실현은 센서의 불균질성 또는 근처 위치들을 분리시킬 수 있는 능력에 의해 제한될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서는 실질적으로 연속 측정이 획득될 수 있다(또는 키는 측정이 연속적으로 나타날 수 있는 크기일 수 있다). 그리하여, 일부 실시예들에서, 센서를 복수의 구역들로 이산화하거나 분할하는 것이 유리하다. 이 분할은 물리적인 것일 수도 있고 단순히 처리된 응답일 수도 있고 또는 이들을 혼합한 것으로 구현될 수도 있다. 이 예에서, 센서 장치는 세장형 스트립 센서로서 1 차원 유전체 엘라스토머 디바이스를 포함한다. 자극 신호를 공급하는 전력 소스(105)와 유전체 엘라스토머 디바이스의 전기적 파라미터를 측정하는 센서는 세장형 전극의 하나의 단부에서 단자(111)와 결합되는 것이 바람직하다.
도 6은 자극 주파수의 범위를 사용하여 측정값으로부터 계산된 공칭 250pF의 정적 유전체 엘라스토머 디바이스의 커패시턴스를 도시한다. 자극 주파수가 증가함에 따라 측정되는 커패시턴스(60)의 크기가 감소하는 것을 볼 수 있다. 전극 저항과 커패시턴스 분포의 초기 모델을 사용하여 자극 주파수를 적절히 선택할 수 있다. 최저 주파수 성분(f1)은 전체 센서의 전체 커패시턴스를 측정할 수 있어야 한다. 유전체 엘라스토머의 이 커패시턴스는 집중 커패시턴스 모델의 특성을 얻기 위해 참조 신호를 사용하여 결정될 수 있다. DE(1)는 정현파 신호로 여기되고, 전압과 전류 사이의 관계는 전기적 파라미터를 결정하는데 사용될 수 있다. 도 13은 다음 방정식에 요약된 전압과 전류 간의 관계를 도시한다:
I(jω)/V(jω) = 1/(R + 1/jωC)
이 표현의 복소 크기와 위상각을 같게 하면, DE의 집중 커패시턴스에 대한 방정식은 다음과 같이 된다:
C = B/(Aωsinφ)
각 구역을 측정하기 위한 감지 신호를 확인하기 위해 DE의 직렬 커패시턴스의 주파수 스위프(100Hz 내지 100㎑)는 조절가능한 LCR 계측기를 사용하여 수행될 수 있다. 도 6은 DE(1)의 공칭 커패시턴스를 나타내는 저주파수에서의 측정값이 안정된 후, 코너 또는 차단 주파수(61)를 초과시에 급격히 감소하는 것을 보여준다. 이러한 테스트는 DE의 기하학적 구조에 물리적 변화가 일어남이 없이 저전압에서 수행되었기 때문에, 측정된 커패시턴스의 강하는 집중 파라미터 가정에 따른 결함일 뿐, DE의 총 커패시턴스의 실제 변화로 인한 것이 아니라는 것을 이해하는 것이 중요하다. 즉, 커패시턴스는 센서의 기하학적 특성과 재료 특성에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 주파수 변화에 따른 커패시턴스의 측정된 변화는 DE의 커패시턴스의 실제 변화는 아니지만, 커패시턴스가 주파수에 따라 일정하다는 집중 커패시턴스 가정에 의해 생성된 것이다. 이 실시예에서, 상이한 주파수들에서의 명백한 커패시턴스의 변화는 예를 들어 센서와의 접촉에 의해 야기되는 커패시턴스의 국부적 변화를 추론하는데 사용된다.
일 실시예에서, 각 주파수에서 측정된 커패시턴스는 등가의 집중 커패시터로 표현된다. 이것은 전송 라인에서 커패시터의 개수의 비율을 나타내는 것으로 생각될 수 있다(여기서 센서/전송 라인은 병렬 커패시터의 스트링으로 생각된다, 도 4). 일 실시예에서, 이 검출은 감지 신호의 특성 또는 특성 범위(예를 들어, 다양한 주파수에서의 커패시턴스)에 대한 센서의 응답 특성을 생성하는 수단에 의한 것일 수 있다. 이것은 각 주파수에서 측정되는 전송 라인의 커패시터의 수로 해석될 수 있다. 프로세서는 소스와 수신기 전압 및 전류 간의 관계를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전압 및 전류 신호로부터 집중 값 커패시턴스를 계산하는 알고리즘. 가능한 방법은 초평면(Hyper-plane)을 사용한다. 다른 실시 예에서, 방법은 커패시터로 전달되는 전하량을 결정하기 위해 정현파 신호로부터의 이득/위상 시프트 또는 전류의 적분을 포함한다.
다수의 자극 신호 성분들은 함께 결합(71)되어, 유전체 엘라스토머 디바이스(1)의 입력 또는 전극에 동시에 인가되는, 도 7에 도시된 바와 같이 상이한 주파수(f1-f4)들의 성분들의 합으로 표현될 수 있는, 전기적 처프(chirp) 또는 임펄스(impulse)와 같은 자극 신호를 형성할 수 있다. 대안적으로, 구형파, 삼각형파 또는 톱니형파와 같은 다수의 주파수 성분들의 진동 또는 비진동 파형이 자극 신호로 사용될 수 있다.
자극 신호(152)는 유전체 엘라스토머 센서에 공급될 때 상이하게 반응하거나 스스로 구별되는 복수의 자극 성분(72)을 갖는다(이들 자극 성분은 시간 또는 주파수에서 분리될 수 있다). 자극 성분(72)은 자극 신호에 대한 센서의 응답을 유발하거나 야기하는 상이한 특성(예를 들어, 주파수)을 갖는다. 상이한 특성을 갖는 복수의 자극 성분을 가짐으로써, 이들 특성 각각에 대한 응답이 측정될 수 있고, 응답의 변화에 의해 또는 응답 변화를 비교하는 것에 의해 외부 결합과 외부 결합 위치를 검출할 수 있다.
유전체 엘라스토머 디바이스의 전극과 결합된 전압 또는 전류 센서에 의해 감지된 결과 출력 또는 감지 신호(74)는 상기 측정값을 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 변환하는 고속 푸리에 변환(FFT) 또는 필터(73)에 의해 상이한 자극 성분(72) 또는 주파수 성분으로 분리될 수 있다. 분리된 감지 신호는 프로세서(73)에 의해 바람직한 판독 포맷, 예를 들어, 커패시턴스로 처리될 수 있다.
바람직한 예에서, 다수의 자극 신호 성분(72)은 단일 감지 신호 또는 결합된 신호로 결합될 수 있고, 이후 여기에 고속 푸리에 변환(FFT)(153)을 적용하여 각 주파수의 진폭(A)과 위상(φ)을 분해하여 각 커패시턴스를 계산할 수 있다. FFT(153) 시스템이 바람직하지만, 주파수 영역과 시간 영역 사이를 변환하기 위한 임의의 시스템, 예를 들어, 이산 푸리에 변환이 가능하다. 유사하게, 비 주파수 자극 성분에 대해 각 성분을 분리하도록 적용된 다른 기술이 사용될 수 있다. 이 방법은 주파수를 스위프하는 것보다 훨씬 빠르며, 또한 전기 시스템이 모든 감지 주파수에 동시에 제공되는 것을 보장한다. 이는 LCR 계측기의 커패시턴스 스위프를 제한하는 것은 한번에 단 하나의 감지 신호(152)만을 측정할 수 있기 때문이다. 키 누름을 결정하려면 다수의 주파수들을 비교할 것을 요구하기 때문에 이전 파형이 종료하기 전에 센서가 변하면 시간 경과 오류가 발생할 수 있다. 순차 측정(150) 기술과 병렬 측정(151) 기술 간을 비교하는 것은 도 15에 도시된다. 도 15에는 특정 파형이 도시되어 있지만, 이것은 고정되어 있지 않고, 관심 주파수, 선택가능성 또는 요구되는 정확도에 따라 달라질 수 있다. 가능한 파형은 원하는 주파수 성분을 갖는 임의의 신호를 포함하고, 임펄스(디락 델타(Dirac Delta) 함수), 스텝 기능 또는 백색 잡음 신호와 같은 넓은 주파수 신호가 사용될 수 있다. FFT 방법의 추가적인 장점은 정확히 또는 실질적으로 동시에 모든 주파수를 측정함으로써 다수의 변형 지점을 결정할 수 있다는 것이다.
도 15에 도시된 시스템의 특정 예에서, 집중 커패시턴스에서 약 25% 증분의 4개의 주파수(72)(1㎑, 8㎑, 14㎑, 30㎑)가 도 14에 도시된 바와 같이 디바이스(1)의 각 키(141)에서 압력을 검출하도록 선택되었다. 예를 들어, 주파수 1은 센서의 첫 번째 1/4 길이를 측정하는 반면, 주파수 2는 추가적인 1/4 길이를 측정한 것이다. 이러한 주파수 신호는 합쳐질 수 있다(예를 들어, LABVIEW와 같은 컴퓨터 프로그램에서 합쳐질 수 있다, 그러나, 이것은 마이크로칩, FPGA, 논리 회로 또는 이와 유사한 디바이스에서 수행될 수 있다). 전류 드라이버(예를 들어, OPA2141)는 센서에 대한 신호를 증폭하고 데이터 취득 카드(예를 들어, NI USB 6351)는 감지 저항기를 통한 리턴 전류를 측정하였다. 다시 LABVIEW에서, FFT 루틴은 선택된 주파수 성분의 진폭과 위상각을 분석하고, 각 주파수에 대한 대응하는 집중 커패시턴스 값을 계산하였다. 4개의 주파수를 사용하여 측정된 커패시턴스의 매칭 알고리즘을 적용하여 스피커(160)를 통해 어느 건반이 가압되고 대응하는 사운드가 연주되는지를 결정하였다. 시스템 동작 흐름도는 도 16에 도시된다.
커패시턴스는 (예를 들어, WO 2010/095960 또는 WO 2012/053906에 개시된 것과 같은) 임의의 적합한 방법을 사용하여 계산되고, 외부 기계적 또는 전기적 결합 없이 선택된 주파수 각각에 대해 기록되어 참조 커패시턴스를 제공한다. WO 2010/095960과 WO 2012/053906은 그 전체 내용이 본 명세서에 병합된다.
특정한 예에서, DE(1) 키보드(140)는 도 14에 도시된 바와 같이 구성되었다. 100㎛ 두께의 실리콘 유전체 막(10)은 실리콘에 매립된 전도성 탄소 입자를 함유하는 2개의 순응 전극(11a, 11b) 사이에 샌드위치된다. 생성된 시트를 대략 0.1m x 0.14m의 면적으로 절단되고, 각 전극의 하나의 단부에 금속 단자가 만들어졌다. 센서의 공칭 커패시턴스와 전극 저항이 측정되었다. 4개의 구역(141(1 내지 4))이 재생 키에 대응하도록 중간에 표시되었다. 도 17은 프레임(142)이 특정 구역(141)에 대한 변형을 격리하는데 사용될 수 있는 것을 도시한다. 프레임은 특정 지점에서의 신장(stretch)이 공간적으로 제한되도록 리브(rib)(144)를 갖는 아크릴로 제조될 수 있다. 대안적인 프레임워크 또는 지지부(144)는 위치 영역 또는 키(141)를 분리하는데 사용될 수 있고, 여기서 프레임 또는 지지부는 그 다음 위치가 가압될 때 특정 구획이 신장되는 것을 제한하는 데 사용된다. 센서(140)는 국부 구역에 대한 변형을 격리하기 위해 플라스틱 프레임에 고정될 수 있다. 그러나 대안적인 시스템은 프레임을 갖지 않을 수 있고, 인접한 구역들에서 관련된 커패시턴스 변화를 사용하여 가압된 구역을 식별할 수 있다.
유전체 엘라스토머 디바이스의 커패시턴스는 디바이스(140)와의 외부 결합(143)에 의해 변형될 수 있고, 커패시턴스의 변화 위치는 본 발명의 장치 및 방법에 의해 결정될 수 있다. 외부 결합은 유전체 층의 구역을 압축하는 격리된 압력과 같은 유전체 막(1)의 변형을 야기하는 기계적 결합을 포함할 수 있고, 이 압력은 이 구역 내 전극들 사이의 커패시턴스를 증가시킨다. 일부 실시예에서, 근접성과 물리적 접촉에 대한 센서의 감도를 고려하는 것이 중요하다. 즉, 손이나 기구(143)의 근접성은 물리적 접촉이 이루어지기 전에 센서의 커패시턴스에 영향을 미칠 수 있다. 이것은 전하가 인체의 커패시턴스로 전달되는 결합 효과 때문이다. 일부 실시예에서, 센서의 커패시턴스의 이러한 증가는 물리적 접촉으로서 등록될 수 있다. 물리적 변형이 일어나면 커패시턴스가 더 증가한다. 센서 활성제(activator)가 근접한 효과는 가변적일 수 있는데; 예를 들어, 인체의 커패시턴스는 신발류와 의류 등으로 인해 가변될 수 있다. 센서 활성제로부터 센서를 차폐함으로써 근접 효과를 줄이거나 격리하여 센서의 판독 값에 미치는 영향을 제한하거나 완화할 수 있다. 도 22는 외부 한 쌍의 접지 전극(221, 223)을 사용하여 센서 전극(222)을 외부 잡음으로부터 격리하는 것을 도와주는 차폐물(220)의 일 실시예를 도시한다. DE(1)의 자체 커패시턴스가 증가하면 환경적 영향을 덜 받을 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 외부 결합은, 사람의 손가락이 전극과 가까이 근접하거나 이 전극과 접촉하는 것과 같은, 디바이스와 외부 커패시턴스의 전기적 결합을 포함할 수 있다. 인체는 전하를 저장하고 방전 경로를 제공하는 능력이 있는 절연된 전도체로 고려될 수 있고, 1.5kΩ 저항기와 직렬로 100pF 커패시터로 모델링될 수 있다. 사람이 유전체 엘라스토머 센서와 같은 대전된 표면과 접촉하면, 이는 회로에 외부 커패시턴스를 연결한다. 인간의 손가락이 유전체 엘라스토머 센서의 표면과 접촉할 때, 인체의 커패시턴스는 시스템에 연결되어 접지에 대한 대안적인 경로를 제공한다. 이런 경로는 소스로 복귀하는 전류를 우회시켜 전류 강하와 전압 상승을 유발한다. 이 문서에서 접촉 압력 또는 접촉 위치가 설명된 경우, 이것은 물리적 접촉에 의한 센서의 변형, 및 센서와 결합하지만 이 센서를 물리적으로 변형시키지는 않을 수 있는 근접한 상태 또는 약간 접촉한 상태를 모두 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어 인체는 효과적으로 전류가 접지로 흘러가는 대안적인 경로로 작용하여 센서로부터 전하를 '무단 사용할(stealing)' 수 있다. 전극 저항과 멤브레인 커패시턴스가 센서를 따라 분포되는 방식을 알고, 전류 또는 전압의 변화를 측정하는 것에 의해, 접촉 위치를 예측할 수 있다.
본 발명의 장치 및 방법은 기계적 결합 또는 전기적 결합 중 하나를 감지하도록 적응되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전기적 결합은 유전체 엘라스토머 디바이스를 절연함으로써 방지되거나 최소화될 수 있거나, 또는 추가적인 커패시턴스는 기계적 결합의 위치를 결정할 때 상대적으로 중요하지 않아서 무시되거나 고려될 수도 있다. 대안적으로, 장치는 기계적 결합과 전기적 결합을 알고리즘적으로 또는 추가적인 센서를 사용하여 구별하여, 외부의 기계적 결합과 전기적 결합의 위치를 모두 결정할 수 있도록 구성될 수 있다.
유전체 엘라스토머 디바이스(140)에의 근접성, 접촉 상태 및/또는 이에 가해진 압력의 위치는 도 8의 흐름도에 도시된 바와 같이 대응하는 참조 커패시턴스에 대해 5개의 자극 주파수(f1 내지 f5) 각각에 의해 측정된 계산된 커패시턴스(C1 내지 C5)의 변화를 순차적으로 비교함으로써 결정될 수 있다. 도 8은 이전에 고려된 4개 대신 5개의 위치와 주파수를 가진 DED를 고려하는 것으로 이해된다. 대안적으로 제1 및 제2 구획 또는 위치와 연관된 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 차이가 위치 또는 구획들 사이의 커패시턴스를 계산하는데 사용될 수 있다.
도 12는 차동 참조(121)로 표시된 2개의 구획들 사이의 주파수 차이를 계산하는 방법을 도시한다. 차동 참조(121)를 사용함으로써, 측정된 커패시턴스가 DE(124)의 시작으로부터 커패시턴스를 포함하는 것이 아니라 구역 경계(122, 123)들 사이에 있을 때 신호의 잡음이 감소될 수 있다. 즉, 나머지 센서에 대한 잡음은 적어도 부분적으로 두 측정값에 포함되어서 상쇄된다. 두 방법에서, 상당한 변화가 등록되었는지 여부를 확인하기 위해 임계값을 각 구획의 차동 커패시턴스에 적용할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 도 8의 흐름도에 도시된 단계는, 감지 속도를 향상시키기 위해 실질적으로 동시에 적용될 수 있다. 이들 방법은 또한 두 주파수 사이의 커패시턴스 차이를 사용하여 구획 사이의 커패시턴스의 크기를 추론하고(즉, 주파수는 센서를 따라 특정 거리를 측정하고 측정된 커패시턴스들 사이의 차이는 이 구획의 커패시턴스에 대응함); 알려진 위치와 연관된 단일 주파수에서 측정된 커패시턴스(즉, 주파수는 특정 접촉 지점에 대한 커패시턴스를 측정함)를 사용하는 것으로 이해될 수 있다.
제1 단계(80)에서, 자극 신호의 최저 주파수 성분(f1)으로부터 계산된 커패시턴스가, 유전체 엘라스토머 디바이스와 외부 결합이 없다면 예상되는 커패시턴스를 나타내는 대응하는 참조 커패시턴스에 대해 변하였는지 여부에 대한 결정이 이루어진다. 잡음, 이산 오차 등의 영향을 최소화하기 위해, 그러한 변동을 결정하기로 고려하기 전에 참조에 대한 마진 또는 임계값이 있을 수 있다. 변동이 검출되지 않으면, 최저 주파수의 자극 신호가 바람직하게는 유전체 엘라스토머 디바이스를 통해 완전히 전파되기 때문에, 디바이스 내의 어디에도 외부 결합이 없다. 따라서 알고리즘은 이 시점에서 멈추거나, 또는 보다 바람직하게는 외부 결합이 검출될 때까지 이 단계를 반복할 수 있다. 변동이 감지되면 외부 결합이 있지만 그 위치는 아직 알려지지 않았다.
제2 단계(81)에서, 제2 최저 주파수(f2)로부터 계산된 커패시턴스가, 대응하는 참조 커패시턴스에 대해 변하였는지의 여부에 대한 결정이 이루어진다. 이 주파수는 대략 구역(D)과 구역(E) 사이의 유전체 엘라스토머 디바이스에 의해 감쇠되기 때문에, 계산된 커패시턴스는 구역(A 내지 D)에 대응하는 영역 유전체 엘라스토머 액추에이터의 부분을 나타낸다. 참조 커패시턴스로부터의 변화 또는 변동이 외부 결합이 구역(E)에서 발생하였어야 한다는 것을 나타내는 것은 아니다. 따라서 알고리즘은 이 시점에서 멈추거나, 처음부터 반복하거나, 또는 이상이 없는지 계속 확인한다. 변동이 검출되면, 구역(A 내지 D) 내 어딘 가에 외부 결합이 있고, 그 위치는 제3 단계(82)로 진행함으로써 더 개선될 수 있다.
단계(82 및 83)에서, 동일한 결정이 주파수(f3 및 f4) 각각에 대해 반복된다.
최종 단계(84)에서, 최고 주파수(f5)에서의 자극 성분에 대응하는 커패시턴스(C5)에 어떠한 변화도 검출되지 않으면, 구역(B)에 외부 결합이 있다고 결정된다. 변동이 있다면, 구역(A)에 외부 결합이 있는 것으로 결정된다.
가해지는 압력의 크기와 외부 결합의 정도는 각 참조 커패시턴스로부터 계산된 커패시턴스의 변화 정도로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서 이것은 외부 결합의 검출 시간 이력, 예를 들어, 커패시턴스를 기록함으로써 가능할 수 있다. 예를 들어, 초기 증가 이후에 또 다른 증가가 있으면 제일 먼저 결합이 있음을 나타내고 이후에 추가적으로 기계적 변형이 있음을 나타낼 수 있다.
전술한 공정으로부터, 위치 정보의 해상도는 유전체 엘라스토머 디바이스의 크기와 분석되는 상이한 주파수들의 개수에 모두 의존하는 것으로 이해된다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 임의의 개수의 주파수가 특정 요구 사항에 따라 사용될 수 있다.
전술한 공정은 본 발명에 따른 외부 결합의 위치를 결정하는데 사용될 수 있는 알고리즘의 단지 일 예이다. 추가적인 실시예에 따른 대안적인 실시예에서, 주파수(f1 내지 f5)에 대한 모든 커패시턴스가 계산되어 대응하는 참조 커패시턴스와 비교될 수 있고, 외부 결합(만약 존재한다면)의 위치는 각 참조값으로부터 변하는 계산된 커패시턴스의 개수에만 기초하여 결정된다.
도 18은 도 14에 도시된 바와 같이 디바이스 상의 단일 터치 위치와 다중 터치 위치의 커패시턴스 주파수 응답을 도시한다. 동일한 센서 내의 다수의 구역을 감지하기 위해 4개의 감지 주파수가 혼합되어 DE에 적용된다. FFT 알고리즘을 사용하여 각 주파수 성분의 진폭과 위상을 동시에 추출하고 대응하는 커패시턴스를 계산하였다. 곡선은 상이한 키의 가압이 고유한 특성 프로파일 또는 곡선을 제공하는 것을 보여준다; 이 예에서 곡선은 커패시턴스 주파수 응답이다. 즉, 센서에 복수의 압력이 있는 경우 특성 곡선이 생성된다. 센서에서 2개의 상이한 위치를 가압하면 상이한 주파수 응답을 제공한다. 즉, 다중 터치 센서의 경우와 같이, 유전체 엘라스토머 상에 동시 다중 변형이 감지되면, 고유한 커패시턴스 주파수 응답 프로파일을 사용하여 어느 구역이 변형되었는지를 식별할 수 있다. 다수의 주파수 데이터 점을 수집하고 이들을 미리 결정된 교정 곡선과 매칭시킴으로써, 변형된 구역의 조합이 식별될 수 있다. 이 정보는 룩업 테이블에 공급되어 외부 결합의 위치를 검출할 수 있다. 일 실시예에서, 전기적 특성(R')(예를 들어, 4-지점 탐침 테스트에 의한 것)의 근사 및 전기적 특성(C')(유전체 층의 두께에 의한 것)의 근사는 제한된 측정으로 또는 제한된 측정 없이 획득될 수 있다. 이들 측정값 모두는 길이당 각 단위로 기록되기 때문에, 이들 측정은 디바이스 또는 유전체(1)의 길이에 외삽될 수 있다.
제일 먼저, 다수의 키를 동시에 가압한 효과를 도시하는 도 18a를 참조하면, 최저 주파수 신호(예를 들어, 100Hz)(도면의 좌측(LHS))는 모두 4개의 가압 위치에 의해 영향을 받았지만, RHS(우측)에서 더 높은 주파수(DE의 임피던스에 의해 감쇠된)는 더 멀수록 덜 민감하였다. 그리하여, 낮은 주파수는 가압된 키의 총 개수에 대해 우수한 지시를 제공할 수 있다. 도 18b는 센서 상의 다른 키 또는 위치를 가압하는 효과를 도시한다. 여기서 더 높은 주파수, 예를 들어, 10KHz는 위치들 사이의 차이가 더 큰 것을 나타낸다; 위치 4를 눌렀을 때 단 5pF에 비해, 위치 1에서 센서를 가압하면 커패시턴스가 약 15pF 변동된다. 도 18c는 2개의 위치 조합이 가압되었을 때 더 높은 주파수에서 관찰할 수 있는 차이를 도시하고, 도 18d는 3개의 키 조합이 가압되었을 때의 차이를 도시한다. 일 실시예에서, 낮은 주파수를 사용하여 감지된 위치의 개수와 높은 주파수를 결정해서 적절한 곡선을 좁힐 수 있다. 추가적인 실시예에서, 주파수 곡선은 미리 결정된 곡선들과 최상의 매칭을 제공하기 위해 전체적으로 검토될 수 있다.
실제로 특성 자국(footprint)은 디지털 바코드와 비슷하고, 여기서 각 주파수는 센서가 가압된 곳에 대한 일부 추가적인 정보를 나타낸다. 그리하여, 복수의 주파수를 사용하면, 예를 들어, 고주파수와 저주파수 또는 일부 세트, 주파수 범위 또는 주파수 조합을 사용함으로써 키의 가압에 관한 추가적인 정보를 제공할 수 있다. 대안적으로, 주파수 측정값은 곡선(60)을 생성하는데 사용될 수 있고, 곡선의 특성 또는 복수의 특성은 압력을 구별하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 맵핑 기술을 사용하여, 가압된 DE 센서 상의 위치들이 결정될 수 있고, 대응하는 사운드는 스피커를 통해 재생될 수 있다. 맵핑 기술은 측정된 결과를 미리 교정된 값과 상관시킬 수 있다. 최소 제곱 회귀와 같은 통계적 또는 회귀적 분석의 일부 형태는 맵핑 기법을 개선하는 데 사용될 수 있다. 키보드(140)가 설명되었지만, 키 가압 또는 위치는 광범위한 잠재적 용도를 가지고 마이크로프로세서 또는 이와 유사한 것에 공급될 수 있다.
도 19는 일련의 키(141)가 4개의 상이한 주파수들에서 가압되고 측정될 때 시간에 따라 변화하는 커패시턴스의 플롯을 도시한다. 이 예에서 위치 4는 센서 측정 위치로부터 가장 멀리 위치된다. 위치 4가 가압되면, 커패시턴스의 변화는 최저 주파수(191)에서 발생하고, 더 작은 변화는 두 번째 최저 주파수(192)로 나타난다. 위치 1이 가압될 때에 비해, 세 번째 더 높은 주파수(193)와 네 번째 최고 주파수 (194)를 포함하는 모든 주파수가 답응한다. 이것은, 30KHz에서의 플롯이 3 또는 4 중 어느 하나가 가압되면 약간의 변화가 나타나고 1 또는 2가 가압되면 훨씬 큰 변화가 나타나기 때문에 도 18b에 도시된 곡선과 일치한다. 이것은 각 가압이 최저 주파수에서 비슷한 효과를 나타내기 때문에 또한 일치한다. 신호의 진동 특성은 스위치의 주기적인 가압을 나타낸다. 더 빠른 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 사용하면 측정 간격을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 센서 장치(90)의 성분들을 개략적으로 도시하는 시스템 다이어그램이 도 9에 도시되어 있다. 넓게 말하면, 이 장치는 유전체 엘라스토머 디바이스(91), 이 유전체 엘라스토머 디바이스의 전극과 결합되어 전극들 사이에 자극 신호를 인가하는 전력 소스(92), 이 전극과 결합되어 유전체 엘라스토머 디바이스의 주파수 응답을 나타내는 감지 신호를 획득하는 센서(93); 및 이 센서와 결합되어 감지 신호를 수신하고 처리하는 프로세서(94)를 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 프로세서는 또한 전력 소스와 결합되어 자극 신호의 인가를 제어할 수 있다.
유전체 엘라스토머 디바이스(1)는 바람직하게는 저항성 전극(11a, 11b)들 사이에 샌드위치된 체적-압축가능한 연질 유전체 멤브레인(10)을 포함한다. 이 전극은 불완전한 전도체의 저항이 일반적으로 대부분의 적용에 바람직하지 않다는 점에서 이상적이지 않은 것으로 간주되지만, 이러한 이상적이지 않은 특성이 전술한 바와 같이 본 발명에 이용된다.
"프로세서"(94)라는 용어는 넓은 의미에서 감지 신호를 처리하여 외부 결합의 상태, 정도 및/또는 위치를 결정하는 임의의 및 모든 소프트웨어 성분 및/또는 하드웨어 부품을 포함하는 것으로 사용된다. 이 프로세서는 도 8의 흐름도의 방법을 수행하기 위해 하드웨어 기반 필터와 일련의 전압 비교기를 포함하여, 예를 들어, 프로그래밍 가능한 하드웨어 및 소프트웨어 필터에 대한 필요성을 완전히 제거할 수 있다. 대안적으로, 프로세서(94)는, 일반적으로, 적어도 부분적으로, 프로그래밍 가능한 로직 디바이스(PLD) 또는 전계 프로그래밍가능한 게이트 어레이(FPGA)와 같은 임베디드 재구성 가능한 또는 프로그램 가능한 하드웨어 부품을 사용하거나, 또는 보다 바람직하게는 시스템을 구현하고 본 명세서에 기술된 본 발명의 방법을 수행하도록 프로그래밍된 내장형 소프트웨어를 실행하는 디지털 신호 프로세서(DSP) 및/또는 마이크로 제어기를 포함할 수 있는 디지털 프로세서를 사용하는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 그러나, 가장 일반적으로, 프로세서(94)는 소프트웨어 성분과 이산 하드웨어 부품의 조합을 사용하는 임베디드 시스템으로 구현될 수 있는 것으로 예상된다.
일단 이들이 본 발명의 방법을 구현하는 프로그램 소프트웨어로부터의 명령에 따라 특정 기능을 수행하도록 프로그래밍되면, 이러한 디지털 로직 및/또는 디지털 프로세서 디바이스는 사실상 본 발명의 방법에 특정한 특수 목적 컴퓨터가 된다. 이를 위해 필요한 기술은 임베디드 시스템 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 잘 알려져 있다.
본 발명은 예로서 그리고 가능한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 수정 또는 개선이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 다수의 자극 신호(204)와 삼각 측량 기술을 사용하여 2 차원 또는 3 차원 센서 장치를 형성하는 것이 가능할 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 유전체 엘라스토머 디바이스는 예를 들어 햅틱 피드백을 제공하기 위해 센서와 액추에이터 모두로 동시에 사용될 수 있다.
도 20은 유전체 엘라스토머의 폭이 그 길이에 비해 작지 않은 경우 일어나는 2 차원 감지 시스템을 도시한다. 유전체 엘라스토머 센서 시트(200)와 같은 2 차원의 경우, 변형의 X-Y 위치(201)는 제2 복귀 전극(202, 203)을 추가하여 각 커패시턴스를 비교함으로써 추론될 수 있다. 일 실시예에서, 복귀 전극(202, 203)은 제1 및 제2 분리 위치에 위치되어 감지 신호, 예를 들어, 전류(전류, Y 및 전류, X)를 측정한다. 바람직하게는 이들 위치는 시트(200)의 대향 코너들에 있지만, 다른 위치들도 가능하다. 이들 지점에서 커패시턴스를 계산함으로써 변형이 일어난 지점의 2 차원 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 대칭선(205)을 따라, 임의의 변형은 출력 X 및 Y(202, 203)에서 커패시턴스에 동일한 변화를 일으킬 것이다. 이 커패시턴스 변화의 크기는 변형이 일어난 원점으로부터의 방사상 거리의 척도를 제공한다. 도 21에 도시된 것과 유사한 룩업 테이블 (210)은 X와 Y 사이의 상대적인 변화를 사용하여 변형이 대칭선(205)의 좌측에서 일어났는지 또는 우측에서 일어났는지를 결정할 수 있는 방식을 도시한다. 일 실시예에서, 이것은 일련의 2 차원 시스템을 병렬로 결합함으로써 (예를 들어, 입방체의 변을 형성하거나 제3 축을 따라 제3 센서를 장착함으로써) 3D 시스템으로 확장될 수 있다.
도 23은 1 차원 센서들이 다중 층으로 적층된 2 차원 감지 유전체 디바이스 (220)의 대안적인 실시예를 도시한다. 즉, 3개의 전극(221, 222, 223)이 있다. 도 23a는 연속적으로 적층된 2개의 독립적인 센서의 대안적인 배열을 도시한다. 각 센서는 감지 신호 입력(230, 231)(및 복귀 전극 또는 출력)을 가지고, 이들은 도 23b에 도시된 바와 같이 서로 실질적으로 직각으로 또는 90도로 배열된다. 각 방향 또는 이들 방향을 따라 위치를 검출함으로써 각 축을 따라 위치를 결정할 수 있다. 다른 실시예에서, 스위치의 기하학적 구조를 보다 잘 반영하는 대안적인 축들이 사용될 수 있다. 독립적인 센서들이 (변형을 연결하기 위해) 기계적으로 결합될 수 있고 서로 약 90도로 구성될 수 있다. 각 센서는 1 차원을 따라 위치를 효과적으로 측정한다. 이것은 3개의 전극 층과 그 사이에 2개의 유전체 층으로 구성된 5 층 센서를 사용하여 달성될 수 있다. 도 23c는 중간 전극을 공통 접지(232)로 하고 외부 2개의 전극(230, 231)에 감지 신호를 인가한 것을 도시한다. 1D에서 설명된 전송 라인 이론이 각 층에 적용된다. 이 시스템은 또한 예를 들어 10개 또는 20개 이상의 층을 갖는 전극 스택을 구축함으로써 3D 감지 시스템을 제공할 수 있다. 대안적으로 차폐를 위해 추가적인 층이 포함될 수 있다.
본 발명에 의해 수신되고 처리되는 사용자 입력은 발광 다이오드(LED)를 턴온 또는 턴오프하거나 이 발광 다이오드의 밝기를 조절하는 것과 같은 간단한 기능을 위하여, 또는 예를 들어 컴퓨터 디스플레이 상의 커서의 위치를 제어하는 것과 같은 보다 복잡한 응용을 위하여 사용될 수 있다. 2D 시스템은 터치 패드, 키보드, 전화 버튼 및 기타 입력 시스템과 같은 응용을 제공할 수 있다. 유전체 엘라스토머는 굴곡가능하거나 가요성 센서로 제조될 수 있기 때문에 외부 결합은 곡면 또는 원추형 표면을 포함하는 고르지 않은 표면 주위에 결정될 수 있다. 특정 실시예에서, 2D 시트는 물체 또는 몸체 둘레에 감겨져 움직임을 결정할 수 있다. 일 예에서, 센서는 인체 무릎 관절과 같은 인간 또는 동물의 신체의 일부분 주위에 감겨질 수 있다. 이 센서는 인간 무릎 관절의 움직임을 감지하고 움직임이 일어난 곳을 감지할 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예는 전극과 유전체 멤브레인이 전체 면적에 걸쳐 실질적으로 균일한 두께를 각각 갖는 실질적으로 평면 유전체 엘라스토머 디바이스를 이용한다. 그러나, 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어남이 없이 디바이스의 많은 변형이 가능하다. 예를 들어, 저항 특성 및/또는 용량성 특성은 다음 경우에 의해 변경될 수 있다:
1. 기하학적 형상을 변경하는 것에 의해 커패시턴스를 변경하는 경우. 이것은, 유전체 층의 두께를 점차적으로 변화시키거나 또는 전극의 중첩 영역을 변화시켜서 유전체 엘라스토머 디바이스의 활성 영역을 각각 감소시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 이것은 센서의 국부 커패시턴스 프로파일을 변경시킨다. 두께(또는 센서의 다른 기하학적 구조)가 변경되면, 주어진 신장으로부터 감지된 변화를 증폭시킬 수 있고 감도를 높이는 데 유용할 수 있다.
2. 디바이스 내 유전 상수를 변경하는 것에 의해 커패시턴스를 변경하는 경우. 이것은 상이한 유전체 재료를 사용하는 것을 통해 이루어질 수 있다.
3. 디바이스의 기하학적 구조를 변경하는 것에 의해 전극의 저항을 변경하는 경우. 이것은 전극의 단면적 또는 길이의 변화 또는 변동일 수 있다.
4. 센서를 따라 전극의 저항 구배를 변경하는 경우. 이것은 도 13에 도시된 것과 같이 동일한 재료의 상이한 농도를 사용하거나 또는 전극을 위한 상이한 재료를 사용하는 것에 의해 획득될 수 있다; 및/또는
5. 외부 임피던스를 직렬 또는 병렬로 추가하여 센서의 입력 임피던스를 변경하는 경우. 예를 들어, 전도성 메쉬를 센서의 상부에 올려놓는 것에 의해 전극의 유효 저항을 감소시킬 수 있다.
추가적인 추상화와 속도 향상을 가능하게 하는 대안적인 실시예에서, FFT 절차는 전용 이득 및 AD8302와 같은 위상 검출기 IC와 유사한 기능을 달성하는 FPGA를 사용하여 하드웨어로 구현될 수 있다. FFT를 수행하는 추가적인 장점은 이 FFT가 본질적으로 계산된 타깃 신호 주파수만을 취해하는 대역 통과 필터라는 것이다. 이렇게 하면 스펙트럼 잡음이 관심 신호에 들어가는 것을 회피할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 촉각 감지 애플리케이션은 임의의 부유 용량과 같은 전기적 잡음을 제거함으로써 개선될 수 있다. 인체 커패시턴스(HBC)는 100pF 커패시터와 등가이고, 신발과 바닥 절연재에 따라 400pF까지 커질 수 있다. 상대적으로 큰 커패시턴스(예를 들어, 사람의 손가락)를 직접 연결하는 것은 커패시턴스 맵핑 공정의 효능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 큰 커패시턴스는 DE의 자체 커패시턴스와 감도를 증가시켜 환경적 교란을 덜 받을 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 한 쌍의 외부 접지 전극의 형태인 차폐물은 도 22에 도시된 바와 같이 센서를 환경 잡음으로부터 격리시키는 것을 도와줄 수 있다.
본 발명은 본 출원 명세서에 언급되거나 지시된 부품, 요소 및 특징으로 개별적으로 구성되거나 또는 집합적으로 부품, 요소 또는 특징의 2개 이상의 임의의 또는 모든 조합으로 폭넓게 구성되는 것으로 언급될 수 있다. 나아가, 알려진 등가물을 갖는 본 발명의 특정 성분 또는 정수를 언급하는 경우, 이러한 등가물은 개별적으로 설명된 것처럼 본 명세서에 포함된다.
전술한 내용으로부터, 유전체 엘라스토머 디바이스를 사용하여 인간-컴퓨터 상호 작용 및/또는 다른 전자 디바이스를 제어할 수 있는 터치 감지 유전체 엘라스토머 디바이스 및 방법이 제공되는 것을 알 수 있다. 유전체 엘라스토머 터치 센서는 특히 가볍고, 연질(즉, 가요성 또는 유연성)이고 및/또는 신장가능하다는 여러 장점을 제공한다.
문맥상 명확히 달리 요구하지 않는 한, 상세한 설명 전체에 걸쳐, "포함하는", "구비하는" 등의 단어는 배타적인 의미 또는 전부 다 개시하는 의미가 아니라 포함하는 의미로 해석되어야 하는데, 즉 "포함하지만 이에 국한되지 않는" 것을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전반에 걸쳐 종래 기술에 대한 임의의 설명은 이러한 종래 기술이 널리 알려져 있거나 이 기술 분야에서 일반적인 지식의 일부를 구성한다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 센서 장치에 있어서,
    유전체 엘라스토머 디바이스;
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 결합되어 자극 신호를 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 인가하는 소스로서, 상기 자극 신호는 상이한 특성들의 복수의 자극 성분을 포함하는, 상기 소스;
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스와 결합되어 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답을 나타내는 감지 신호를 획득하는 센서; 및
    상기 센서와 결합되어 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 복수의 자극 성분들에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답의 변화에 기초하여 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 검출하도록 구성된 프로세서를 포함하는, 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자극 신호는 2개 이상의 상기 자극 성분을 동시에 공급하는, 센서 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외부 결합은,
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 변형을 야기하는 기계적 결합; 및/또는
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스와 외부 커패시턴스의 전기적 결합
    중 적어도 하나를 포함하는, 센서 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 상기 자극 성분 중 적어도 하나는 상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 의해 적어도 부분적으로 감쇠되는, 센서 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 감지 신호를 처리하여 상기 감지 신호의 2개 이상의 감지 성분을 식별하도록 구성되고, 각 감지 성분은 상기 자극 신호의 2개 이상의 상이한 자극 성분들 중 하나의 자극 성분에 기인하는, 센서 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 감지 신호에 변환을 수행하여 상기 2개 이상의 자극 성분에 대응하는 2개 이상의 감지 성분을 식별하도록 구성되는, 센서 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 2개 이상의 감지 성분 각각에 대해, 상기 각 감지 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 커패시턴스를 계산하도록 구성되는, 센서 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 프로세서는, 상이한 상기 감지 성분들 각각에 대해, 상기 계산된 커패시턴스를 대응하는 참조 커패시턴스와 비교하거나 또는 상기 계산된 커패시턴스들 사이의 차이를 생성하도록 더 구성되고, 상기 계산된 커패시턴스와 상기 참조 커패시턴스 사이의 변화는 상기 외부 결합을 나타내는, 센서 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 계산된 커패시턴스들 각각은 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 부분에 대응하고, 상기 부분들 각각은 상기 각 자극 성분 및/또는 감지 성분의 주파수에 대해 역관계를 갖는 영역에 걸쳐 원위 방향으로 연장되는, 센서 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 프로세서는, 상기 계산된 커패시턴스들 중에서, 각 참조 커패시턴스 또는 상기 각 참조 커패시턴스로 구성된 곡선으로부터 변화된 상기 계산된 커패시턴스에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 외부 결합의 위치를 검출하도록 구성되는, 센서 장치.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 각 계산된 커패시턴스와 참조 커패시턴스를 대응하는 자극 성분/감지 성분의 주파수의 오름차순으로 순차적으로 비교하도록 구성되고,
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 나타내지 않는 출력 신호는 상기 처음 계산된 커패시턴스가 변하지 않는 경우 제공되고;
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합을 나타내는 출력 신호는 상기 처음 계산된 커패시턴스가 변하는 경우 제공되고; 그리고/또는
    상기 계산된 커패시턴스들 중 적어도 하나의 커패시턴스가 변하는 경우 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 나타내는 출력 신호가 제공되고, 상기 위치는 변하지 않는 순서로 계산된 커패시턴스의 제1 발생을 식별하는 것에 의해 결정되는, 센서 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 계산된 커패시턴스와 상기 참조 커패시턴스 사이의 비교 또는 상기 계산된 커패시턴스들 사이의 차이는 외부 결합을 나타내는 최소 차이 마진을 포함하는, 센서 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 1 차원 센서를 포함하고, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스는 실질적으로 세장형(elongate) 평면 형상을 갖는, 센서 장치.
  14. 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법으로서,
    상기 유전체 엘라스토머 디바이스에 자극 신호를 인가하는 단계로서, 상기 자극은 복수의 자극 성분을 포함하고, 각 자극 성분은 상이한 특성을 갖는, 상기 인가하는 단계;
    상기 복수의 자극 성분 각각에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답을 측정하는 단계; 및
    상기 복수의 자극 성분에 대한 상기 유전체 엘라스토머 디바이스의 응답의 변화에 적어도 부분적으로 기초하여 외부 결합을 결정하는 단계를 포함하는, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 응답에 변환을 수행하여 상기 자극 성분의 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
  16. 제14항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극 성분 각각에 대한 상기 응답에 기초하여 커패시턴스를 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 응답의 변화를 검출하는 단계는 대응하는 참조 커패시턴스에 대해 상기 계산된 커패시턴스의 변화 또는 계산된 커패시턴스들 사이의 변화를 검출하는 단계를 포함하는, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
  17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극 신호는 변화하는 전류 및/또는 전압을 갖는 전기 신호인, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
  18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 특성은 주파수인, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
  19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극 성분은 실질적으로 동시에 인가되거나 및/또는 측정되는 것인, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 엘라스토머 디바이스와의 복수의 외부 결합 및/또는 그 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 유전체 엘라스토머 디바이스와의 외부 결합의 위치를 결정하는 방법.
KR1020177000408A 2014-07-03 2015-07-03 외부 결합 센서 KR20170023937A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NZ62704814 2014-07-03
NZ627048 2014-07-03
PCT/NZ2015/050082 WO2016003293A1 (en) 2014-07-03 2015-07-03 External coupling sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170023937A true KR20170023937A (ko) 2017-03-06

Family

ID=55019694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177000408A KR20170023937A (ko) 2014-07-03 2015-07-03 외부 결합 센서

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20170199022A1 (ko)
EP (1) EP3164685A4 (ko)
JP (1) JP2017521656A (ko)
KR (1) KR20170023937A (ko)
CN (1) CN107076623A (ko)
WO (1) WO2016003293A1 (ko)

Families Citing this family (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10969897B2 (en) * 2014-07-08 2021-04-06 Miraenanotech Co., Ltd. Method and device for operating capacitive touch panel
JP6746347B2 (ja) * 2016-03-30 2020-08-26 住友理工株式会社 心肺蘇生術補助装置
DE102016107533A1 (de) 2016-04-22 2017-10-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elastomerbasiertes kapazitives Steuer- und Bedienelement
WO2018065142A1 (en) * 2016-10-05 2018-04-12 Logicdata Electronic & Software Entwicklungs Gmbh Presence detection system for an electrically adjustable furniture assembly and method of presence detection with an electrically adjustable furniture assembly
CN109906558A (zh) * 2016-11-03 2019-06-18 维德鸿兴科技发展有限公司 活体检测方法和设备
JP6781648B2 (ja) 2017-03-09 2020-11-04 正毅 千葉 誘電エラストマーセンサシステムおよび誘電エラストマーセンサ要素
WO2018174730A1 (en) * 2017-03-23 2018-09-27 Stretchsense Limited Sensing over a shared physical channel
LU100490B1 (en) * 2017-10-19 2019-04-25 Iee Sa Capacitive Sensor System
US11213133B2 (en) * 2017-11-28 2022-01-04 Seiki Chiba Dielectric elastomer drive sensor system and sheet
US11972078B2 (en) * 2017-12-13 2024-04-30 Cypress Semiconductor Corporation Hover sensing with multi-phase self-capacitance method
US11537242B2 (en) 2018-03-29 2022-12-27 Cirrus Logic, Inc. Q-factor enhancement in resonant phase sensing of resistive-inductive-capacitive sensors
DE102018206665A1 (de) * 2018-04-30 2019-10-31 Airbus Operations Gmbh Strukturbauteil sowie System und Verfahren zur Detektion von Beschädigungen
CN109855525B (zh) * 2018-12-12 2020-10-27 西安近代化学研究所 基于介电弹性体的效应靶变形测量装置及测量方法
CN109977465A (zh) * 2019-02-19 2019-07-05 出门问问信息科技有限公司 建模方法、装置、计算机设备及计算机可读存储介质
US10948313B2 (en) 2019-02-26 2021-03-16 Cirrus Logic, Inc. Spread spectrum sensor scanning using resistive-inductive-capacitive sensors
US11536758B2 (en) 2019-02-26 2022-12-27 Cirrus Logic, Inc. Single-capacitor inductive sense systems
JPWO2020175257A1 (ko) * 2019-02-28 2020-09-03
US10936119B2 (en) * 2019-03-05 2021-03-02 Stmicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd Self capacitance sensing based on tangent of phase shift of drive signal
US11555687B2 (en) * 2019-08-08 2023-01-17 Sigmasense, Llc. Capacitive imaging glove
GB2599192A (en) * 2020-05-07 2022-03-30 Zedsen Ltd Examining objects using electric fields
US11579030B2 (en) 2020-06-18 2023-02-14 Cirrus Logic, Inc. Baseline estimation for sensor system
US11868540B2 (en) 2020-06-25 2024-01-09 Cirrus Logic Inc. Determination of resonant frequency and quality factor for a sensor system
US11835410B2 (en) 2020-06-25 2023-12-05 Cirrus Logic Inc. Determination of resonant frequency and quality factor for a sensor system
US11960691B2 (en) 2020-12-17 2024-04-16 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Method and apparatus for interfacing with a touch sensor
US11619519B2 (en) 2021-02-08 2023-04-04 Cirrus Logic, Inc. Predictive sensor tracking optimization in multi-sensor sensing applications
CN113031770B (zh) * 2021-03-22 2024-02-27 联想(北京)有限公司 一种处理方法及电子设备
US11808669B2 (en) 2021-03-29 2023-11-07 Cirrus Logic Inc. Gain and mismatch calibration for a phase detector used in an inductive sensor
US11821761B2 (en) 2021-03-29 2023-11-21 Cirrus Logic Inc. Maximizing dynamic range in resonant sensing
US11507199B2 (en) * 2021-03-30 2022-11-22 Cirrus Logic, Inc. Pseudo-differential phase measurement and quality factor compensation
EP4359729A1 (en) * 2021-06-22 2024-05-01 King Abdullah University of Science and Technology Distributed strain sensing using capacitor with variable-resistance electrodes and method
WO2023030612A1 (en) * 2021-08-31 2023-03-09 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Method and apparatus for interfacing with a touch sensor
US11979115B2 (en) 2021-11-30 2024-05-07 Cirrus Logic Inc. Modulator feedforward compensation
US11854738B2 (en) 2021-12-02 2023-12-26 Cirrus Logic Inc. Slew control for variable load pulse-width modulation driver and load sensing

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PT1602135E (pt) * 2003-03-03 2011-02-15 Stanford Res Inst Int Polímeros electroactivos enrolados
US8232970B2 (en) * 2007-01-03 2012-07-31 Apple Inc. Scan sequence generator
US7643011B2 (en) * 2007-01-03 2010-01-05 Apple Inc. Noise detection in multi-touch sensors
EP2399304B1 (en) * 2009-02-19 2015-06-03 Auckland UniServices Limited System and method for dynamic self-sensing of dielectric elastomer actuators
US8893561B2 (en) * 2009-05-06 2014-11-25 Xsensor Technology Corporation Dielectric textured elastomer in a pressure mapping system
EP2630672B1 (en) * 2010-10-18 2016-04-20 Auckland UniServices Limited Dielectric elastomer self-sensing using plane approximation
EP2812783A4 (en) * 2012-02-06 2015-10-14 Canatu Oy CONTACT DETECTION DEVICE AND DETECTION METHOD
JP2015519870A (ja) * 2012-06-14 2015-07-09 オークランド ユニサービシズ リミテッド 自己検出型誘電エラストマーデバイス
US10073550B2 (en) * 2012-09-20 2018-09-11 Synaptics Incorporated Concurrent input sensing and display updating
MX351000B (es) * 2013-03-15 2017-09-27 Tactual Labs Co Lápiz óptico y sensor de multi-toques rápidos.
JP6177026B2 (ja) * 2013-06-28 2017-08-09 キヤノン株式会社 タッチパネルの制御装置、タッチパネルの制御方法、及びプログラム
JP2015099462A (ja) * 2013-11-19 2015-05-28 ルネサスエレクトロニクス株式会社 座標入力装置及び携帯端末

Also Published As

Publication number Publication date
EP3164685A1 (en) 2017-05-10
CN107076623A (zh) 2017-08-18
EP3164685A4 (en) 2017-08-23
WO2016003293A1 (en) 2016-01-07
US20170199022A1 (en) 2017-07-13
JP2017521656A (ja) 2017-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20170023937A (ko) 외부 결합 센서
KR101864560B1 (ko) 감지용 장치
JP4333428B2 (ja) 近接位置入力装置
CN107278285B (zh) 压力检测方法及其装置以及电子终端
CN101517522B (zh) 触摸传感器
CN106449966B (zh) 一种压电传感装置及应用
JP2015522197A5 (ko)
KR20170103758A (ko) 이온 전도성 물질로 된 플렉서블 투명 센서
KR20110086864A (ko) 수동적으로 유도되는 위치-의존적 전기 전하에 기초하여 터치 위치를 결정하기 위한 시스템 및 방법
WO2011141854A1 (en) Detecting touch input and generating perceptible touch stimulus
CN105144049B (zh) 包括柔性基板和由柔性基板支撑的部件的设备
CN104215363A (zh) 基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列
CN108432138A (zh) 具有根据电容式测量的操作力进行的功能触发或控制和通过电容式触摸检测进行的适配的输入装置
US10817106B2 (en) Matrix sensor with receive isolation
WO2016194358A1 (ja) 皮膚抵抗測定装置
US9035894B2 (en) Touch sensing and feedback apparatuses and methods
CN110134281A (zh) 电容检测系统及方法
CN204154423U (zh) 一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列
CA2892615A1 (en) Capacitive matrix sensor for measuring permittivity of an object
US20180374329A1 (en) Flexible transmission line pressure sensor
TWI432744B (zh) 利用共振頻移之電容式觸控螢幕之電氣特性檢查裝置
JP7076728B2 (ja) 静電容量型センサ
US20190250753A1 (en) Apparatus and method for sensing pressure
EP4359729A1 (en) Distributed strain sensing using capacitor with variable-resistance electrodes and method