KR20180020099A - 터치리스 햅틱 효과를 전달하는 전계의 선택적 제어 - Google Patents

터치리스 햅틱 효과를 전달하는 전계의 선택적 제어 Download PDF

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KR20180020099A
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임머숀 코퍼레이션
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Abstract

햅틱 시스템은 전도성 층 및 반응성 층을 갖는 구조체를 포함한다. 전도성 층은 전력 소스에 결합되고 반응성 층은 제1 상태와 제2 상태를 갖는 스위치에 결합된다. 전력 소스는 전도성 층이 전하를 발생시킬 수 있게 한다. 스위치의 제1 상태는 조직 자극 전계의 확립을 차단하도록 반응성 층을 동작시킨다. 스위치의 제2 상태는 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과를 발생시킬 수 있게 하도록 반응성 층을 동작시킨다.

Description

터치리스 햅틱 효과를 전달하는 전계의 선택적 제어{SELECTIVE CONTROL OF AN ELECTRIC FIELD TO DELIVER A TOUCHLESS HAPTIC EFFECT}
본 특허 문서는 햅틱 효과들에 관한 것으로, 특히, 터치리스 햅틱 효과를 전달하는 전계의 선택적 제어에 관한 것이다.
햅틱 효과들은 전자 디바이스와 개인의 상호작용을 증대시키기 위해 사용된다. 햅틱 효과들은 사용자가 디바이스를 통해 터치 감각을 경험할 수 있게 하며, 터치 감각은 디바이스에 내장되는 액추에이터에 의해 전형적으로 발생된다. 최근의 혁신들은 대전된 전극(charged electrode)과 인간의 전기 전도성 조직들(electrically conductive tissues) 사이에, 용량성 결합, 그리고 결과적인 조직 자극 전계(tissue-stimulating electric field)를 확립(establishing)함으로써 터치리스 햅틱 효과(touchless haptic effect)를 전달하는 능력을 예시했다. 제어 신호 및 고전압 증폭기는 터치리스 햅틱 효과가 요망되는 각각의 전극을 위해 전형적으로 요구된다. 그러나, 고전압, 예를 들어 100-2000 볼트 이상, 전자 구성요소들은 비싸고, 부피가 크고 어려운 소싱 장애물(expensive, bulky and difficult sourcing obstacle)을 햅틱 효과들의 광범위한 구현에 제공한다.
본 특허 문서는 터치리스 햅틱 효과를 전달하는 전계의 선택적 제어에 관한 것이다.
일 양태에서, 햅틱 시스템은 전도성 층 및 반응성 층을 갖는 구조체를 포함한다. 전도성 층은 전력 소스에 결합되고 반응성 층은 제1 상태와 제2 상태를 갖는 스위치에 결합된다. 전력 소스는 전도성 층이 전하를 발생시킬 수 있게 한다. 스위치의 제1 상태는 조직 자극 전계의 확립을 차단하도록 반응성 층을 동작시킨다. 스위치의 제2 상태는 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과를 발생시킬 수 있게 하도록 반응성 층을 동작시킨다.
다른 양태에서, 햅틱 시스템은 복수의 층상 구조체들을 포함하며 층상 구조체들 각각은 절연 층, 전도성 층 및 반응성 층을 포함한다. 전도성 층은 전력 소스에 결합되고 반응성 층은 제1 상태와 제2 상태를 갖는 스위치에 결합된다. 전력 소스는 전도성 층이 전하를 발생시킬 수 있게 한다. 스위치의 제1 상태는 조직 자극 전계의 확립을 차단하도록 반응성 층을 동작시킨다. 스위치의 제2 상태는 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과를 발생시킬 수 있게 하도록 반응성 층을 동작시킨다. 층상 구조체들 각각은 다른 층상 구조체들과 독립적으로 스위칭된다.
다른 양태에서, 햅틱 효과의 전달을 디스에이블하고 인에이블하는 방법은 (a) 전도체를 대전시키는 단계; 및 (b) 제1 상태와 제2 상태 사이에서 반응성 층의 동작을 스위칭하는 단계를 포함한다. 반응성 층의 제1 상태는 조직 자극 전계의 확립을 차단하기 위해 동작된다. 반응성 층의 제2 상태는 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과를 발생시킬 수 있게 하기 위해 동작된다.
도 1은 그리드를 포함하는 햅틱 효과 시스템의 개략도이다.
도 2는 라인 2-2를 따라 절취된 도 1의 그리드의 단면 개략도이다.
도 3은 햅틱 효과 시스템에서의 사용을 위해 구성되는 컨트롤러의 개략도이다.
도 4a는 활성화된 변형가능 층을 갖는 라인 2-2를 따라 절취된 도 1의 그리드의 대안 실시예의 단면 개략도이다.
도 4b는 비활성화된 변형가능 층을 갖는 도 4a의 단면 개략도이다.
도 5는 라인 2-2를 따라 절취된 도 1의 그리드의 대안 실시예의 단면 개략도이다.
도 6은 라인 2-2를 따라 절취된 도 1의 그리드의 대안 실시예의 단면 개략도이다.
도 7은 라인 2-2를 따라 절취된 도 1의 그리드의 대안 실시예의 단면 개략도이다.
다양한 실시예들은 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이며, 유사한 참조 번호들은 수개의 도면들 도처에서 유사한 부분들 및 어셈블리들을 표현한다. 다양한 실시예들에 대한 참조는 그것에 첨부되는 청구항들의 범위를 제한하지 않는다. 부가적으로, 본 명세서에 제시되는 임의의 예들은 제한적인 것으로 의도되지 않고 첨부된 청구항들에 대해 많은 가능한 실시예들의 일부만을 제시한다.
적절할 때는 언제든지, 단수로 사용되는 용어들은 또한 복수를 포함할 것이고 그 역도 또한 같을 것이다. 본원에서 "하나(a)"의 사용은 달리 명시되지 않는 한 또는 "하나 이상"의 사용이 분명히 부적절한 경우에 "하나 이상"을 의미한다. "또는"의 사용은 달리 명시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. "구성된다", "구성되는", "포함한다", "포함하는", "갖는다", 및 "갖는"의 사용은 교환가능하고 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 용어 "~와 같은"은 또한 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 예를 들어, 용어 "포함하는"은 "포함하지만, 제한되지 않는"을 의미할 것이다.
일반적인 말로, 본 특허 문서는 터치리스 햅틱 효과를 전달하는 전계의 선택적 제어에 관한 것이다. 터치리스 햅틱 효과는 인간의 조직들이 또는 전도체를 포함하는 디바이스와 직접 접촉하거나 근접촉(near contact)하는지에 관계없이 전도체와 인간 또는 동물의 조직들 사이의 확립된 전계 때문에 전달되는 햅틱 효과이며, 예를 들어 햅틱 효과는 조직을 통해 전달되고 디바이스를 통해 전달되지 않는다.
도 1을 참조하면, 햅틱 효과 시스템(10)이 예시된다. 햅틱 효과 시스템(10)은 적어도 전도체 및 반응성 층을 포함하는 층상 구조체를 포함한다. 다양한 예시적 실시예들에서, 복수의 층상 구조체들은 예를 들어 3차원 어레이 또는 2차원 그리드, 예를 들어 그리드(20)에 제공된다. 햅틱 효과 시스템(10)은 그리드(20)에 전기적으로 결합되는 스위칭 회로(30) 및 컨트롤러(40)를 부가적으로 포함한다. 그리드(20)는 복수의 셀들(25)을 포함한다. 셀들(25)은 도시된 바와 같이 동일하게 치수화되고 등거리로 이격될 수 있거나, 가변 크기들이고 가변 거리들에 의해 분리될 수 있다. 게다가, 그리드(20)의 셀들(25)은 도시된 바와 같이, 선형으로, 또는 임의의 다른 바람직한 구성으로 배열될 수 있다. 셀 구성들의 예들은 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형 및 랜덤을 포함할 수 있다.
햅틱 효과 시스템(10)은 개인이 용량성 결합을 감지하거나 인지하며, 예를 들어 저림, 진동, 질감, 움직임, 또는 다른 타입의 햅틱 효과를 감지할 수 있도록 용량성 결합이 직접 접촉 또는 근접촉을 통해 동물 또는 인간의 조직들(예를 들어, 손가락, 손, 발, 다리, 가슴, 등, 머리 등 내의 조직들)과 그리드(20) 사이에 확립될 수 있는 임의의 타입의 디바이스로 포함될 수 있다. 햅틱 효과 시스템(10)이 포함될 수 있는 디바이스들의 예들은 전자 디바이스들 예컨대 데스크톱 컴퓨터들, 랩톱 컴퓨터들, 태블릿들, 스마트폰들, e-리더들, 키보드들, 트랙패드들, 의료 디바이스들, 펜들/스타일러스, 게임 시스템들, 및 가정용 기기들을 포함한다. 햅틱 효과 시스템(10)이 포함될 수 있는 디바이스들의 부가 예들은 웨어러블 디바이스들 예컨대 의류, 모자들, 재킷들, 장갑들, 보석, 안경들, 헤드폰들, 이어버드들, 신발들, 헬멧들, 및 체육복을 포함한다. 햅틱 효과 시스템(10)이 포함될 수 있는 추가 예시적 디바이스들은 그래스프가능(graspable) 디바이스들 예컨대 이동 디바이스들, 게임 시스템 컨트롤러들, 스티어링 휠들, 기어 시프터들, 및 조이스틱들을 포함한다.
도 2를 참조하면, 그리드(20)의 예시적 실시예는 도 1의 라인 2-2를 따라 절취된 단면도로 예시된다. 그리드(20)는 복수의 셀들(25)을 포함하며, 각각의 셀(25)은 전도체(210), 제1 절연체(212), 차폐 패드(214)의 형태인 반응성 층, 및 제2 절연체(216)를 포함한다. 전도체(210)는 그리드(20)의 모든 셀들(25)에 걸쳐 연장되는 연속 전도체를 포함할 수 있거나, 복수의 셀들(25)에 걸쳐 또는 단일 셀(25)에 걸쳐 연장되는 복수의 전도성 부분들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 각각의 셀(25)은 그 자체의 전도체(200)를 갖는다. 전도체(210)는 전도성 재료, 예를 들어 알루미늄, 구리, 주석, 철, 금, 은, 플라즈마, 전도성 폴리머들, 탄소 나노튜브들(carbon nanotubes)(CNT), 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide)(ITO)을 포함한다.
제1 절연체(212)는 전도체(210)에 대해 상기 설명된 바와 같이 전도체(210)를 커버하고 연속 또는 분할 구성에 이용될 수 있다. 제1 절연체(212)는 적절한 타입의 유전체, 예를 들어 유리, 자기, 플라스틱, 폴리머, 섬유유리, 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate)(PET)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 절연체는 박막 기술에 의해 도포되는 이산화 실리콘, 질화 실리콘, 파릴렌 또는 다른 절연체들과 같은 박막 절연체를 포함할 수 있다.
셀들(25) 각각은 제1 절연체(212) 위에 배치되는 선택적으로 제어가능한 전도성 차폐 패드(214)에 의해 정의된다. 차폐 패드들(214)은 개별 또는 그리드/어레이 구성으로 제공될 수 있다. 그러나, 구성에 상관없이, 차폐 패드들(214) 각각에는 전기 리드(218)가 제공된다. 리드(218)는 각각의 차폐 패드(214)가 스위칭 회로(30)(아래에 더 설명됨) 및 최종적으로 컨트롤러(40)에 개별적으로 결합될 수 있게 한다. 각각의 차폐 패드(214)는 햅틱 효과가 그것의 위치에서 생성되는지를 제어하는 전도성 재료를 포함한다. 다양한 예시적 실시예들에서, 그리드(20)에 사용되는 차폐 패드들(214)은 얇은 전도성 재료, 예컨대 알루미늄 필름을 포함한다. 다른 예시적 실시예들에서, 차폐 패드들(214)은 고밀도(dense) 투명 전도성 전극 그리드/어레이를 포함한다. 또 다른 예시적 실시예들에서, 차폐 패드들(214)은 대안 전도성 재료들 예컨대 구리, 주석, 철, 금, 은, 플라즈마, 전도성 폴리머들, 탄소 나노튜브들(CNT), 또는 인듐 주석 산화물(ITO)로 제조된다.
제2 절연체(216)는 차폐 패드들(214) 중 하나 이상 위에 제공된다. 제2 절연체(216)는 모든 또는 복수의 차폐 패드들(214)을 커버하는 공유 절연체일 수 있거나, 단일 차폐 패드(214)를 커버하도록 구성되는 절연체를 포함할 수 있다. 제2 절연체는 임의의 적절한 타입의 유전체, 예를 들어 유리, 자기, 플라스틱, 폴리머, 섬유유리, 질소, 육플루오르화 황 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함할 수 있다.
스위칭 회로(30)는 차폐 패드들(214) 각각으로부터 리드들(218)로 전기적으로 결합된다. 컨트롤러(40)의 지시 하에 동작되는 스위칭 회로(30)는 차폐 패드들(214) 각각이 접지에 연결되거나 접지에 대해 부동 상태(float)로 남겨지는지를 제어하도록 구성된다. 회로(30) 내의 실제 스위칭은 전기 연결들을 스위칭하는 릴레이들, 트랜지스터들, 또는 임의의 다른 공지된 방식에 의해 수행될 수 있으며, 그것은 스위치들(220)에 의해 표현된다. 스위칭 회로(30)는 컨트롤러(40) 주변, 또는 외부에 있을 수 있거나 컨트롤러(40)의 내부 구성요소일 수 있다.
도 3을 참조하면, 컨트롤러(40)는 일반적으로 버스(302), 프로세서(304), 입력/출력(input/output)(I/O) 컨트롤러(306) 및 메모리(308)를 포함한다. 버스(302)는 I/O 컨트롤러(306) 및 메모리(308)를 포함하는 컨트롤러(40)의 다양한 구성요소들을 프로세서(304)에 결합한다. 버스(302)는 전형적으로 제어 버스, 어드레스 버스, 및 데이터 버스를 포함한다. 그러나, 버스(302)는 컨트롤러(40) 내의 구성요소들 사이에서 데이터를 전송하는데 적절한 임의의 버스 또는 버스들의 조합일 수 있다.
프로세서(304)는 정보를 처리하도록 구성되는 임의의 회로를 포함할 수 있고 임의의 적절한 아날로그 또는 디지털 회로를 포함할 수 있다. 프로세서(304)는 또한 명령어들을 실행하는 프로그램가능 회로를 포함할 수 있다. 프로그램가능 회로들의 예들은 명령어들을 실행하는데 적절한 마이크로프로세서들, 마이크로컨트롤러들, 주문형 집적 회로들(application specific integrated circuits)(ASICs), 프로그램가능 게이트 어레이들(programmable gate arrays)(PGAs), 필드 프로그램가능 게이트 어레이들(field programmable gate arrays)(FPGAs), 또는 임의의 다른 프로세서 또는 하드웨어를 포함한다. 다양한 실시예들에서, 프로세서는 단일 유닛, 또는 2개 이상의 유닛들의 조합을 포함할 수 있으며, 유닛들은 단일 컨트롤러 또는 개별 디바이스들에 물리적으로 위치된다.
I/O 컨트롤러(306)는 회로(30)가 컨트롤러(40) 외부에 있으면 컨트롤러(40) 및 주변 또는 외부 디바이스들, 예를 들어 스위칭 회로(30)의 동작을 감시하는 회로를 포함한다. I/O 컨트롤러(306)는 또한 컨트롤러(40)와 주변 또는 외부 디바이스들(340) 사이에서 데이터 흐름을 관리한다. 외부 디바이스들(340)은 햅틱 효과 시스템(10)이 포함되는 동일한 디바이스에 상주할 수 있거나 ESF가 포함되는 디바이스 외부에 있을 수 있다. I/O 컨트롤러가 인터페이스할 수 있는 다른 주변 또는 외부 디바이스들(340)의 예들은 센서들, 외부 저장 디바이스들, 모니터들, 입력 디바이스들 예컨대 키보드들, 마우스들 또는 푸시버튼들, 외부 컴퓨팅 디바이스들, 이동 디바이스들, 및 송신기들/수신기들을 포함한다.
메모리(308)는 휘발성 메모리 예컨대 랜덤 액세스 메모리(random access memory)(RAM), 판독 전용 메모리(read only memory)(ROM), 전기적 소거가능 프로그램가능 판독 전용 메모리(electrically erasable programmable read only memory)(EEPROM), 플래시 메모리, 자기 메모리, 광 메모리 또는 임의의 다른 적절한 메모리 기술을 포함할 수 있다. 메모리(308)는 또한 휘발성 및 비휘발성 메모리의 조합을 포함할 수 있다.
메모리(308)는 이벤트 검출 모듈(312), 효과 결정 모듈(314), 및 효과 제어 모듈(316)을 포함하는, 프로세서(304)에 의한 실행을 위한 다수의 프로그램 모듈들을 저장하도록 구성된다. 각각의 프로그램 모듈은 하나 이상의 특정 작업을 수행하는 데이터, 루틴들, 객체들, 호출들 및 다른 명령어들의 집합이다. 특정 프로그램 모듈들이 본원에 개시되지만, 각각의 모듈에 대해 설명되는 다양한 명령어들 및 작업들은 다양한 실시예들에서, 단일 프로그램 모듈, 모듈들의 상이한 조합, 본원에 개시된 것들과 다른 모듈들, 또는 컨트롤러(40)와 통신하는 원격 디바이스들에 의해 실행되는 모듈들에 의해 수행될 수 있다.
이벤트 검출 모듈(312)은 이벤트 데이터가 햅틱 효과와 연관되는지를 판단하기 위해 수신된 이벤트 데이터를 평가하도록 프로그래밍된다. 이벤트 데이터는 햅틱 효과 시스템(10)이 포함되는 디바이스에서 발생되는 이벤트에 의해 발생되는 데이터를 포함할 수 있으며; 그러한 디바이스들의 예들은 본원에 제공된다. 대안적으로, 이벤트 데이터는 디바이스 또는 햅틱 효과 시스템(10)을 포함하는 디바이스로부터 분리되는 시스템에 의해 발생되는 데이터를 포함할 수 있다. 이벤트는 예를 들어 개별 입력(예를 들어, 버튼 프레스, 조이스틱의 조작, 터치 감지 표면과의 사용자 상호작용, 사용자 인터페이스 디바이스를 경사지게 하거나 배향하는 것)을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 이벤트는 시스템 상태(예를 들어, 낮은 배터리, 낮은 메모리, 착신 호출), 데이터의 송신, 데이터의 수신, 또는 프로그램 이벤트(예를 들어, 게임 프로그램이 폭발들, 발사들, 충돌들, 인물들 사이의 상호작용들, 울퉁불퉁한 지형들을 생성하는 것)를 포함할 수 있다.
일부 예시적 실시예들에서, 이벤트의 발생은 하나 이상의 센서들, 예를 들어 외부 디바이스(들)(340)에 의해 검출된다. 센서들의 예들은 음향 또는 사운드 센서들 예컨대 마이크로폰들; 진동 센서들; 화학 및 입자 센서들 예컨대 음주 측정기들, 일산화탄소 및 이산화탄소 센서들, 및 가이거 계수기들; 전기 및 자기 센서들 예컨대 전압 검출기들 또는 홀 효과 센서들; 흐름 센서들; 내비게이션 센서들 또는 기기들 예컨대 GPS 수신기들, 고도계들, 자이로스코프들, 또는 가속도계들; 위치, 근접, 및 이동 관련 센서들 예컨대 압전 재료들, 거리계들, 주행 기록계들, 속도계들, 충격 검출기들; 이미징 및 다른 광 센서들 예컨대 전하 결합 디바이스들(charge-coupled devices)(CCD), CMOS 센서들, 적외선 센서들, 및 광검출기들; 압력 센서들 예컨대 기압계들, 피에조미터들(piezometers), 및 촉각 센서들; 힘 센서들 예컨대 압전 센서들 및 스트레인 게이지들; 온도 및 열 센서들 예컨대 온도계들, 열량계들, 서미스터들, 열전쌍들, 및 고온계들; 근접 및 프레즌스 센서들 예컨대 움직임 검출기들, 삼각 측량 센서들, 레이더들, 포토 셀들, 소나들, 및 홀 효과 센서들; 바이오칩들; 생체 인증 센서들 예컨대 혈압 센서들, 펄스/산소(ox) 센서들, 혈당 센서들, 및 심장 모니터들을 포함한다. 부가적으로, 센서들은, 일부 실시예들에서 센서와 액추에이터 둘 다의 기능을 하는, 압전 폴리머들과 같은, 스마트 재료(smart material)들로 형성될 수 있다.
이벤트 검출 모듈(312)은 이벤트 데이터가 햅틱 효과와 연관되는 것을 결정할 시에, 효과 결정 모듈(314)은 햅틱 효과가 햅틱 효과 시스템(10)의 그리드(20)를 통해 전달되는지를 판단한다. 결정 모듈(314)이 햅틱 효과를 결정하기 위해 사용할 수 있는 예시적 기술은 햅틱 효과를 선택하는 것을 결정하기 위해 프로그래밍되는 규칙들을 포함한다. 햅틱 효과를 선택하기 위해 결정 모듈(314)에 의해 사용될 수 있는 다른 예시적 기술은 햅틱 효과를 이벤트 데이터에 관련시키는 룩업 테이블들 또는 데이터베이스들을 포함한다.
효과 결정 모듈(314)은 햅틱 효과가 전달되는지를 판단할 시에, 효과 제어 모듈(316)은 그리드(20)의 하나 이상의 셀들(25)의 활성화를 명령한다. 셀들(25)의 활성화는 조직들, 예컨대 동물 또는 인간의 것들에서 셀들(25)의 용량성 결합 능력을 인에이블한다. 선택적으로 개별적으로 활성화되는 그러한 셀들(25)은 원하는 터치리스 햅틱 효과를 전달하기 위해 이제 인에이블된다. 효과 제어 모듈(316)은 셀들(25)의 활성화의 지속, 셀들(25)의 활성화의 순서, 및 셀들(25)의 활성화의 타입(예를 들어, 펄스 또는 정상 상태)을 부가적으로 제어할 수 있다.
더 구체적으로, 동작에서, 도 2를 참조하여, 컨트롤러(40)는 교류가 전도체(210) 상에 전하를 확립하기 위해 전도체(210)에 인가되는 것을 명령한다. 개인의 조직, 예를 들어 도 2에서의 손가락(222)의 조직이 제2 절연체(216)에 접근하거나 이 절연체와 접촉함에 따라, 용량성 결합 및 조직 자극 전계는 전도체(210)와 조직 사이에 확립되어 터치리스 햅틱 효과로서 개인에 의해 검출가능한 감각을 야기한다. 용량성 결합은 스위칭 회로(30)가 차폐 패드(214)를 분리했고 차폐 패드(214)가 정전 유도에 의해 대전될 수 있게 했던 각각의 셀(25)에서 조직에 확립될 수 있다. 셀들(25) 각각이 개별적으로 제어가능하기 때문에, 원하는 터치리스 햅틱 효과를 발생시키기 위해 다양한 패턴으로 그리드(20) 내의 단일 셀(25)이 활성화될 수 있거나, 복수의 셀들(25)이 동시에 또는 상이한 시간들에 활성화될 수 있다.
부가적으로, 셀(25)의 용량성 결합 능력 및 그것의 연관된 전계는 셀(25)의 차폐 패드(214)를 접지에 연결하기 위해, 컨트롤러(40)의 지시 하에, 스위칭 회로(30)를 이용함으로써 중단될 수 있다. 이러한 구성에서, 용량성 결합은 전도체(210)와 동물 또는 인간 조직들 사이 대신에 전도체(210)와 차폐 패드(214) 사이에 발생되며; 셀(25)의 용량성 결합 능력은 터치리스 햅틱 효과의 전달 및 비전달이 제어되는 것을 허용한다. 다양한 실시예들에서, 그리드(20)는 전달되는 효과의 타입, 그리드(20) 및 그리드/어레이에 사용되는 절연체의 표면으로부터의 사용자의 거리, 예를 들어 동적 효과들을 위한 저전압들 또는 정적 효과들을 위한 고전압들에 따라 다양한 전압 레벨들에서 동작하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전도체를 대전시키기 위해 사용되거나 차폐 패드들에 이용되는 전압 범위들은 어디든지 70 V 내지 2kV의 범위일 수 있다. 게다가, 전도체에 전달되는 전류의 주파수는 예를 들어 요망되는 효과의 타입에 따라 1 Hz 내지 500Hz의 범위일 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 그리드(20')의 대안 실시예의 단면도가 예시된다. 이러한 실시예에서, 그리드(20')는 복수의 셀들(25')을 포함하며 그 각각은 변형가능 층(408)의 형태인 반응성 층, 전도체(410) 및 절연체(412)를 포함한다. 도 4a는 활성화된 변형가능 층(408)을 갖는 그리드(20')를 예시하는 반면에 도 4b는 비활성화된 변형가능 층(408)을 갖는 그리드(20')를 예시한다.
더 구체적으로, 변형가능 층(408)은 그것의 형상 또는 위치를 국부적으로 변경하는 능력을 가지고 구성되고, 변형성의 각각의 위치에 의해 셀(25')을 정의한다. 다양한 예시적 실시예들에서, 변형가능 층(408)은 스마트 재료를 포함할 수 있으며 각각의 셀(25') 내의 스마트 재료는 스위칭 회로(30)를 통해 컨트롤러(40)에 의해 선택적으로 제어가능하다. 예를 들어, 도 4a를 참조하며, 컨트롤러(40)는 각각의 셀(25') 내의 스마트 재료가 스마트 재료의 상부 표면에서 딤플(409)을 생성하기 위해 변형되는지를 선택적으로 제어할 수 있다. 다양한 예시적 실시예들에서, 각각의 셀(25')의 변형가능 층(408)에는 리드(418), 대안적 전기 결합 메커니즘(예를 들어, 전극), 또는 다른 비전기 결합 메커니즘(예를 들어, 액추에이터)이 제공되며, 그것은 각각의 셀(25')의 변형가능 층(408)이 스위칭 회로(30)에 결합될 수 있게 한다. 스위칭 회로(30)는 변형가능 층(408)에 외부 자극의 제공이 변형을 야기할 수 있게 한다. 변형 층(408)의 변형을 야기하기 위해 스위칭 회로(30)를 통해 선택적으로 제공될 수 있는 외부 자극들의 예들은 전기 전류, 응력, 온도, 습기, pH, 전계 및 자계를 포함한다.
변형가능 스마트 재료들의 예들은 스마트겔들, 압전 재료들, 형상 기억 합금들, 형상 기억 폴리머들, 자왜 재료들, 자기 형상 기억 합금들, pH 감지 폴리머들, 온도 반응 폴리머들, 페로플루이드들, 광기계 재료들, 유전체 엘라스토머들, 자기열량 재료들, 및 열전 재료들을 포함할 수 있다. 다른 타입들의 스마트 재료들이 또한 사용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 다시 참조하면, 전도체(410)는 그리드(420)의 모든 셀들(25')에 걸쳐 연장되는 연속 전도체를 포함할 수 있거나, 복수의 셀들(25')에 걸쳐 또는 단일 셀(25')에 걸쳐 연장되는 복수의 전도성 부분들을 포함할 수 있으며, 예를 들어 각각의 셀(25')은 그 자체의 전도체(410)를 갖는다. 전도체(410)는 전도체(410)가 변형가능 층(408)의 선택적 변형들을 따르도록 변형가능 층(408)에 접착되는 가요성 전도성 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 도 4a를 참조한다. 전도체(410)가 제조될 수 있는 전도성 재료들의 예들은 구리, 주석, 철, 금, 은, 플라즈마, 전도성 폴리머들, 탄소 나노튜브들(CNT), 또는 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함한다.
절연체(412)는 전도체(410)에 대해 상기 설명된 바와 같이, 전도체(410)를 커버하고 연속 또는 분할 구성, 예를 들어 복수의 셀들(25') 또는 단일 셀(25')에 이용될 수 있다. 절연체(412)는 공기 또는 다른 타입의 유전체, 예를 들어, 유리, 자기, 플라스틱, 폴리머, 섬유유리, 질소, 육플루오르화 황 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함할 수 있다.
스위칭 회로(30)는 각각의 셀(25')의 변형가능 층(408)으로부터 리드들(418)로 전기적으로 결합된다. 본 실시예에서, 컨트롤러(40)의 지시 하에 동작하는 스위칭 회로(30)는 셀(25') 내의 변형가능 층(408)이 변형되는지를 제어하도록 구성되거나(도 4a 참조), 그것의 비변형된 상태를 유지한다(도 4b 참조). 전과 같이, 회로(30) 내의 실제 스위칭은 전기 연결들을 스위칭하는 릴레이들, 트랜지스터들, 또는 임의의 다른 공지된 방식에 의해 수행될 수 있다. 스위칭 회로(30)는 컨트롤러(40) 주변, 또는 외부에 있을 수 있거나 컨트롤러(40)의 내부 구성요소일 수 있다. 컨트롤러(40)는 도 3을 참조하여 상기 설명된 바와 같다.
동작에서, 도 4b를 참조하여, 변형가능 층(408)의 임의의 변형은 비활성화되고 교류는 전도체(410)에 인가되어 전도체(410) 상에 전하를 확립한다. 개인의 조직, 예를 들어 조직 손가락(222)의 조직이 절연체(412)에 접근하거나 절연체와 접촉함에 따라, 용량성 결합은 전도체(410)와 조직 사이에 확립되어 터치리스 햅틱 효과로서 개인에 의해 검출가능한 감각을 제공하는 조직 자극 전계를 야기한다. 용량성 결합은 스위칭 회로(30)가 변형가능 층(408)이 (변형가능 층에 접착되는 전도체(410)와 함께) 그것의 비변형된 상태를 유지할 수 있게 했던 각각의 셀(25')에서 개인의 조직에 확립될 수 있다.
동작에서, 도 4a에 관해, 스위칭 회로(30)는 갭(411)이 전도체(410)와 절연체(412) 사이에 생성되도록 변형가능 층(408)이 변형되는 것을 활성화하며, 예를 들어 딤플을 변형가능 층(408) 표면 다음의 전도체(410)에 제공한다. 갭(411)은 개인에 의해 전도체(410)의 용량성 결합 능력을 감소시키기 위해 조작되고, 따라서 전도체(410)와 개인의 조직 사이의 용량성 결합이 중단된다. 각각의 셀(25')의 변형가능 층(408)이 스위칭 회로(30)에 개별적으로 연결됨에 따라, 각각의 셀(25')이 터치리스 햅틱 효과를 전달하는 능력은 스위칭 회로(30)에 의해 선택적으로 제어가능하여, 컨트롤러(40)의 제어 하에 조작된다.
그리드(20)의 다른 예시적 실시예에서, 도 5를 참조하며, 변형가능 층(408)은 전도체(410)를 각각 포함하는 소형 액추에이터들(420)(예를 들어, 소형 DC 모터들)의 층을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 소형 액추에이터(420)는 각각의 셀(25)을 정의한다. 각각의 셀(25)로부터의 햅틱 효과는 절연체(412)를 향해 또는 이 전도체에서 멀리, 소형 액추에이터(420) 및 대응하는 전도체(410)의 위치를 변형시킴으로써, 예를 들어 이동시킴으로써, 컨트롤러(40)의 지시 하에 동작하는 스위칭 회로(30)에 의해 선택적으로 제어가능하다. 전도체(들)(410)에 인가되는 교류의 경우, 용량성 결합 및 조직 자극 전계는 소형 액추에이터(420)가 전도체(410)를 절연체(412)에 근접하게 배치하도록 스위칭 회로(30)에 의해 인에이블될 때 개인의 조직, 예를 들어 손가락(222)의 조직과, 전도체(410) 사이에 확립될 수 있다. 개인과 전도체 사이에 확립되는 용량성 결합의 경우, 터치리스 햅틱 효과는 이때 개인에 의해 검출가능하다. 갭(411)을 남기도록 절연체(412)에서 멀리, 소형 액추에이터(420), 및 대응하는 전도체(410)를 이동시키는 것은 전도체(410)의 용량성 결합 능력의 중단 및 개인이 터치리스 햅틱 효과를 검출할 시의 중단을 야기한다. 다양한 예시적 실시예들에서, 전도체(410)와 절연체(412) 사이의 약 1mm의 갭(411)은 터치리스 햅틱 효과를 제거하기에 충분할 수 있다.
그리드(20)의 또 다른 예시적 실시예에서, 도 6을 참조하며, 변형가능 층(408)은 용량성 결합 능력, 및 최종 햅틱 효과들이, 개인과 전도체(410) 사이에 중단되도록 충분한 두께(T)의 층에 초기에 제공된다. 개인에 의해 전도체(410)의 용량성 결합 능력을 인에이블하기 위해, 변형가능 층(408)은 비변형된 상태에서, 전도체(410)에 근접한 변형가능 층(408)의 상단 표면(409)을 남기는 아래로부터, 이러한 예에서 압축의 형태인 힘을 받는다. 화살표들(413)에 의해 표현되는 압축은 변형가능 층(408)의 속성들을 통해 발생될 수 있으며, 예를 들어 변형가능 층(408)은 외부 자극의 인가 시에 그 자체의 압축을 실행하는 스마트 재료를 포함한다. 외부 자극은 컨트롤러(40)의 지시 하에, 스위칭 회로(30)를 사용하여 그리드의 셀들(25)에 선택적으로 인가된다. 대안적으로, 변형가능 층(408)은 소형 액추에이터들에 의해 또는 변형가능 층(408) 아래에 위치되는 부가 층에 의해 압축될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 부가 층은 전도체(410)와 변형가능 층(408) 사이에 위치되며, 부가 층은 상단 표면(409)을 화살표들(413)에 의해 표시되는 압축과 반대의 방향으로 힘에 종속시키도록 구성된다.
그리드(20)의 또 다른 예시적 실시예에서, 도 7을 참조하며, 그리드(20)의 각각의 셀(25)은 전도체(410) 및 절연체(412)를 반응성 층으로서 포함한다. 본 실시예에서, 절연체(412)의 유전 특성은 컨트롤러(40)의 지시 하에, 스위칭 회로(30)에 의해 선택적으로 제어되는 각각의 셀(25)의 요소이다. 더 구체적으로, 각각의 셀(25)의 절연체(412)는 그것의 현재 온도를 유지하거나 그것의 온도를 변경하기 위해, 예를 들어 온도를 올리거나 낮추기 위해 선택적으로 제어되어, 셀(25) 내에서 절연체(412)의 유전 특성들 및 유전체 상수의 변경을 야기한다. 유전 특성들의 변경은 개인의 조직에서 셀(25)의 용량성 결합 능력을 인에이블하거나 디스에이블하고, 따라서 터치리스 햅틱 효과를 인에이블하거나 디스에이블하는 기능을 할 수 있다.
상기 설명된 햅틱 효과 시스템들(10), 그리드들(20) 및 셀들(25)의 다양한 실시예들은 동물 또는 인간의 조직들에 의해 각각의 셀(25)의 용량성 결합 능력의 개별 제어를 가능하게 한다. 하나의 예시적 사용에서, 전자 멀티 터치 패드는 햅틱 효과 시스템(10)을 구비하고 한 손가락 패드에 터치리스 햅틱 효과를 제공하지만, 다른 것에 제공할 수 없다. 다른 예시적 사용에서, 햅틱 효과 시스템(10)이 구비되는 손목밴드는 그리드(20) 내에서 수개의 셀들(25)을 순차적으로 활성화함으로써 방향성 흐름의 감각을 생성할 수 있다. 또 다른 예시적 사용에서, 개인은 새로운 클라이언트의 사무소를 내비게이션하기 위해 스마트 워치를 사용한다. 개인이 오른쪽으로 돌 필요가 있을 때, 터치리스 햅틱 효과들의 시퀀스는 개인의 손목밴드를 따라 시계 방향으로 이동하고; 손목밴드는 셀들(25)의 그리드(20)를 포함하며 그 각각은 개별적으로 턴 온 또는 오프될 수 있다. 또 다른 예시적 사용에서, 개인은 그리드(20)가 구비되는 태블릿을 사용하고 있다. 개인은 오른쪽 집게 손가락으로 테이블에 그리고 왼쪽 집게 손가락으로 도면을 번지게 한다. 개인이 각각의 손가락으로 느끼는 감각은 매우 상이하고 각각의 손가락이 제어하고 있는 도구의 타입을 반영한다. 상이한 감각들은 각각의 손가락이 그리드(20) 내의 상이한 셀(25)에 근접하기 때문에 가능하고 그러한 셀들(25) 각각은 상이한 터치리스 햅틱 효과를 제공하기 위해 제어된다. 다수의 다른 사용들은 또한 햅틱 효과 시스템들(10), 그리드들(20) 및 셀들(25)에 의해 가능하다.
게다가, 햅틱 효과 시스템들(10), 그리드들(20) 및 셀들(25)은 제어 신호를 필요로 하거나 셀들(25) 각각에 대한 고전압 증폭기를 필요로 하는 것 없이 동물의 또는 인간의 조직들에서 각각의 셀(25)의 용량성 결합 능력을 인에이블하도록 구성되며, 그것에 의해 시스템들(10), 그리드들(20) 및 셀들(25)의 비용 및 복잡성이 감소되게 한다. 더욱이, 셀(들)이 신호를 수신하는지를 멀티플렉서들/스위치들이 판단하는 것을 필요로 하는 단일 신호를 사용하는 것보다는 오히려, 각각의 셀(25)의 선택적 활성화를 개별 연결을 통해 각각의 셀(25)에 제공하는 능력은 비싸고, 부피가 크고 소싱하기 어려운 고전압 전자 구성요소들(예를 들어, 100 내지 2000 V를 처리할 수 있음)을 사용하는 요구를 실질적으로 제거한다.
상기 설명된 다양한 실시예들은 예시로서만 제공되고 그것에 첨부되는 청구항들을 제한하도록 해석되지 않아야 한다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본원에 예시되고 설명되는 예시적 실시예들 및 응용들을 따르는 것 없이, 그리고 이하의 청구항들의 진정한 사상 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 이루어질 수 있는 다양한 수정들 및 변경들을 즉시 인식할 것이다.

Claims (21)

  1. 햅틱 시스템으로서,
    전력 소스(power source)에 결합되는 전도성 층 및 제1 상태와 제2 상태를 갖는 스위치에 결합되는 반응성 층을 갖는 구조체
    를 포함하고,
    상기 전력 소스는 상기 전도성 층이 상기 전도성 층에서 전하(charge)를 발생시킬 수 있게 하고;
    상기 스위치의 상기 제1 상태는 조직 자극 전계(tissue-stimulating electric field)의 확립(establishment)을 차단하도록 상기 반응성 층을 동작시키고,
    상기 스위치의 상기 제2 상태는 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과(touchless haptic effect)를 발생시킬 수 있게 하도록 상기 반응성 층을 동작시키는 햅틱 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응성 층은 제2 전도성 층을 포함하는 햅틱 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위치의 상기 제1 상태는 접지로부터 상기 제2 전도성 층을 분리함으로써 대전된 전도성 층(charged conductive layer)의 상기 조직 자극 전계를 차단하고, 상기 스위치의 상기 제2 상태는 상기 제2 전도성 층을 접지에 연결함으로써 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 인에이블(enable)하는 햅틱 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반응성 층은 상기 전도성 층에 결합되는 변형가능 층(deformable layer)을 포함하는 햅틱 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 구조체는 절연 층을 더 포함하고, 상기 스위치의 상기 제1 상태는 상기 대전된 전도성 층을 상기 절연 층에서 멀리 떨어지도록 상기 변형가능 층을 자극함으로써 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 차단하고, 상기 스위치의 상기 제2 상태는 상기 대전된 전도성 층을 상기 절연 층에 근접하게 배치하도록 상기 변형가능 층의 비자극에 의해 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 인에이블하는 햅틱 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 변형가능 층의 자극은 전기 전류, 응력, 온도, 습기, pH, 전계 또는 자계에 의해 발생되는 햅틱 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 변형가능 층은 상기 전도성 층에 결합되는 액추에이터를 포함하는 햅틱 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 구조체는 절연 층을 더 포함하고, 상기 스위치의 상기 제1 상태는 상기 대전된 전도성 층을 상기 절연 층에서 멀리 이동시킴으로써 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 차단하고, 상기 스위치의 상기 제2 상태는 상기 전도성 층을 상기 절연 층에 근접하게 이동시킴으로써 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 인에이블하는 햅틱 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 스위치의 상기 제1 상태는 상기 변형가능 층 상에 힘의 부재(absence of a force)를 통해 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 차단하고, 상기 스위치의 상기 제2 상태는 상기 변형가능 층에서 힘의 인가를 통해 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 인에이블하는 햅틱 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 변형가능 층에서 힘의 인가는 상기 변형가능 층에 외부 자극의 인가를 통해 또는 상기 변형가능 층의 액추에이터 압축을 통해 발생되는 햅틱 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 반응성 층은 절연 층을 포함하고 상기 스위치의 상기 제1 상태는 상기 절연 층의 유전 특성(dielectric property)을 제1 값으로 조정함으로써 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 차단하고, 상기 스위치의 상기 제2 상태는 상기 절연 층의 유전 특성을 상기 제1 값과 상이한 제2 값으로 조정함으로써 상기 대전된 전도성 층의 상기 조직 자극 전계를 인에이블하는 햅틱 시스템.
  12. 햅틱 시스템으로서,
    복수의 층상 구조체(layered structure)들을 포함하고, 상기 층상 구조체들 각각은 절연 층, 전력 소스에 결합되는 전도성 층 및 제1 상태와 제2 상태를 갖는 스위치에 결합되는 반응성 층을 포함하고,
    상기 전력 소스는 상기 전도성 층이 상기 전도성 층 상에서 전하를 발생시킬 수 있게 하고;
    상기 스위치의 상기 제1 상태는 조직 자극 전계의 확립을 차단하도록 상기 반응성 층을 동작시키고,
    상기 스위치의 상기 제2 상태는 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과를 발생시킬 수 있게 하도록 상기 반응성 층을 동작시키고,
    상기 복수의 층상 구조체들 각각은 다른 층상 구조체들과 독립적으로 스위칭되는 햅틱 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 반응성 층은 제2 전도성 층을 포함하는 햅틱 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 반응성 층은 변형가능 층을 포함하는 햅틱 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 변형가능 층은 자극 반응 변형가능 층(stimulation-reactive deformable layer)을 포함하는 햅틱 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 변형가능 층은 액추에이터를 포함하는 햅틱 시스템.
  17. 햅틱 효과의 전달을 디스에이블(disable)하고 인에이블하는 방법으로서,
    전도체를 대전시키는 단계;
    제1 상태와 제2 상태 사이에서 반응성 층의 동작을 스위칭하는 단계
    를 포함하고,
    상기 반응성 층의 상기 제1 상태는 조직 자극 전계의 확립을 차단하도록 동작하고,
    상기 제2 상태는 상기 조직 자극 전계의 확립이 터치리스 햅틱 효과를 발생시킬 수 있게 하도록 동작하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 반응성 층은 제2 전도성 층을 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 반응성 층은 변형가능 층을 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 변형가능 층은 자극 반응 변형가능 층을 포함하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 변형가능 층은 액추에이터를 포함하는 방법.
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