KR20180077080A

KR20180077080A - 일원화된 센서 및 햅틱 액추에이터

Info

Publication number: KR20180077080A
Application number: KR1020170180814A
Authority: KR
Inventors: 바히드 코쉬카바; 압델와합 하맘; 후안 마누엘 크루즈-헤르난데즈
Original assignee: 임머숀 코퍼레이션
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-07-06
Also published as: US10416768B2; US20180181202A1; US20200097089A1; EP3343322A1; CN108255296A; JP2018109982A

Abstract

터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치. 상기 이중 기능 장치는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하고 상부 표면과 하부 표면을 갖는다. 유전 절연체가 상기 제1 전극의 상부 표면을 덮는다. 상기 제1 전극의 하부 표면과 상기 제2 전극 사이에 센서가 위치한다. 상기 센서는 적어도 임계 량의 압력이 상기 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공한다. 단일 디바이스로 터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하는 방법. 이 방법은 제1 전극 위에 층을 이룬 유전 절연체의 터치 표면에서 입력을 수신하는 단계; 상기 터치 표면에서 상기 입력을 수신하는 것에 응답하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 센서의 전기 전도율을 증가시키는 단계; 상기 센서의 전기 전도율을 증가시키는 것에 응답하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 전류를 전도하는 단계; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 전류를 전도하는 것에 응답하여, 상기 제1 전극에 햅틱 구동 신호를 인가하는 단계를 포함하고, 상기 햅틱 구동 신호는 상기 유전 절연체에서 정전기력을 생성한다.

Description

일원화된 센서 및 햅틱 액추에이터{UNITARY SENSOR AND HAPTIC ACTUATOR}

본원은 센서들 및 햅틱 액추에이터들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 일원화된(unitary) 센서들 및 햅틱 액추에이터들에 관한 것이다.

햅틱 효과들은 전자 디바이스와 개인의 상호작용을 증대시키기 위해 사용된다. 햅틱 효과들은 사용자가 터치 감각을 경험할 수 있게 하며, 터치 감각은 디바이스에 내장되는 액추에이터에 의해 전형적으로 발생된다. 최근의 혁신은 정전기력(electrostatic force)(ESF)을 발생시키는 햅틱 액추에이터들의 개발을 가능하게 하여, 대전된 전극과 사람의 전기 전도성 조직들 사이에 용량성 결합을 생성한다. 이런 용량성 결합은 피부를 자극하고 촉각 감각을 제공한다. 그러나 이러한 ESF 햅틱 액추에이터들은 사용자가 느끼기에 충분히 큰 정전기력을 발생시키기 위해 고전압 신호(예를 들어, 100-2000 볼트 이상)를 필요로 한다. 이러한 고전압 신호를 발생 및 전달하는 것은 고전압 증폭기들, 고전압 전기 컴포넌트들 및 상당한 배터리 리소스들을 필요로 한다. 이들 컴포넌트는 값이 비싸고 부피가 커서, 제조업자들이 컴포넌트들 및 디바이스들의 크기를 줄이려고 시도할 때 패키징 문제들을 초래한다.

또한, 햅틱 액추에이터들을 갖는 많은 디바이스는 햅틱 효과를 전달하기 위한 조건을 결정하기 위해 센서를 필요로 한다. 별도 센서의 요건은 햅틱 액추에이터를 포함하는 디바이스들 및 시스템들에 훨씬 더 많은 비용, 복잡성 및 부피(bulk)를 추가한다.

종래 기술의 햅틱 액추에이터들, 특히 정전기력들을 사용하여 햅틱 효과들을 전달하는 액추에이터들의 다른 문제점은 그들이 일반적으로 강성이고 압력 감지에 적합하지 않다는 점이다. 그들은 또한 유연하거나 불규칙적인 기판들에 적응하기 위한 유연성도 없다. 이러한 종래 기술의 디바이스는 제한된 애플리케이션들을 갖는다.

이 문서의 일 양태는 터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치에 관한 것이다. 이런 이중 기능 장치는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하며, 상부 표면 및 하부 표면을 갖는다. 유전 절연체는 제1 전극의 상부 표면을 덮는다. 센서는 제1 전극의 하부 표면과 제2 전극 사이에 위치한다. 센서는 적어도 임계 량의 압력이 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공한다.

다른 양태는 터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치이다. 이런 이중 기능 장치는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하며, 상부 표면 및 하부 표면을 갖는다. 유전 절연체는 제1 전극의 상부 표면을 덮는다. 센서는 제1 전극의 하부 표면과 제2 전극 사이에 위치한다. 센서는 적어도 임계 량의 압력이 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공한다. 센서는 양자 터널링 복합재(quantum tunneling composite)를 포함한다. 조합된 제1 전극 및 제2 전극, 유전 절연체, 및 센서는 유연성이 있고 약 0.1mm 내지 약 1mm 범위의 조합된 두께를 갖는다.

또 다른 양태는 터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치이다. 이 2 기능성 장치는 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극을 포함한다. 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하며, 상부 표면 및 하부 표면을 갖는다. 유전 절연체는 제1 전극의 상부 표면을 덮는다. 전기 절연체는 제1 전극의 하부 표면과 제2 전극 사이에 위치한다. 센서는 제2 전극과 제3 전극 사이에 위치한다. 센서는 적어도 임계 량의 압력이 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 제2 전극과 제3 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공한다.

또 다른 양태는 터치를 감지하고 단일 디바이스로 햅틱 신호를 전달하는 방법이다. 이 방법은 제1 전극 위에 층을 이룬 유전 절연체의 터치 표면에서 입력을 수신하는 단계; 터치 표면에서 입력을 수신하는 것에 응답하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치한 센서의 전기 전도율을 증가시키는 단계; 센서의 전기 전도율을 증가시키는 것에 응답하여, 제1 전극과 제2 전극 사이에서 전류를 전도하는 단계; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에서 전류를 전도하는 것에 응답하여, 제1 전극에 햅틱 구동 신호를 인가하는 단계 - 햅틱 구동 신호는 유전 절연체에서 정전기력을 생성함 - 를 포함한다.

도 1은 일원화된 햅틱 디바이스의 상부 등각투영도이다.
도 2는 선 2-2를 따라 절취된 도 1에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스의 단면도이다.
도 3은 정전기력을 전달하는 도 1 및 도 2에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스의 동작을 도시하는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 1 및 도 2에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스 내의 센서 요소의 실시예의 동작을 도시하는 단면도이다.
도 5a-5c는 도 1 및 도 2에 도시된 단일 햅틱 액추에이터의 동작을 도시하는 회로 및 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1 및 도 2에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스의 대안적인 동작을 도시하는 회로 및 단면도이다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스의 대안적인 실시예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 도 1 및 도 2 또는 도 7에 도시된 복수의 일원화된 햅틱 디바이스로 형성된 사용자 인터페이스를 도시하는 등각투영도이다.
도 9는 도 1-8에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스들을 제어하기 위한 제어 회로의 기능 블록도이다.

도면을 참조하여 다양한 실시예들이 상세히 설명될 것이며, 동일한 참조 부호는 여러 도면에 걸쳐서 동일한 부분들 및 어셈블리들을 나타낸다. 다양한 실시예들에 대한 참조는 본 명세서에 첨부되는 청구항들의 범위를 제한하지 않는다. 또한, 본 명세서에 제시된 어떠한 예도 한정하려는 의도가 아니며 단지 첨부된 청구항들에 대한 다수의 가능한 실시예 중 일부를 설명하기 위한 것이다.

적절하다면 언제나, 단수로 사용되는 용어들은 또한 복수를 포함할 것이고, 그 역도 성립한다. 본 명세서에서 "부정관사(a)"를 사용한다는 것은 달리 언급되거나 "하나 이상의"의 사용이 명백하게 부적절한 경우를 제외하고는 "하나 이상"을 의미한다. "또는"의 사용은 달리 언급되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다. "포함한다(comprise)", "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함한다(include)", "포함한다(includes)", "포함하는(including)", "가지고 있다(has)" 및 "가지고 있는(having)"의 사용은 상호 교환 가능하며 제한하려는 것은 아니다. "와 같은"이라는 용어는 또한 제한하려는 것은 아니다. 예를 들어, "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 이에 제한되지 않음"을 의미한다.

일반적인 용어로, 본 문헌은 햅틱 효과를 전달하기 위한 일원화된 햅틱 디바이스에 관한 것이다. 일원화된 햅틱 디바이스는 이중 기능을 가지며 터치 센서 및 햅틱 액추에이터 양자로서 동작한다. 햅틱 효과는 사람에게 전달되는 임의의 타입의 촉각 감각일 수 있다. 일부 실시예들에서, 햅틱 효과는 햅틱-인에이블 물품과의 사용자의 상호작용의 큐, 통지, 피드백 또는 확인과 같은 정보, 또는 더 복잡한 메시지 또는 다른 정보를 구체화한다. 대안적인 실시예들에서, 햅틱 효과는 물리적 속성 또는 효과, 예컨대 마찰, 흐름, 및 디텐트들(detents)을 시뮬레이션함으로써 디바이스와의 사용자의 상호작용을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.

이제 도 1 및 도 2를 참조하면, 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 가능한 실시예는 제1 전극 및 제2 전극(102 및 104)을 포함한다. 센서 요소(106)는 제1 전극 및 제2 전극(102 및 104) 사이에 위치한다. 보호 층(110)은 제1 전극(102) 위에 위치하고 터치 표면(112)을 제공한다. 본 명세서에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 제1 전극(102), 제2 전극(104) 및 센서 요소(106)는 사용자 또는 물체가 터치 표면(112)을 터치할 때, 또는 일부 실시예에서 터치 표면(112)에 근접하게 이동할 때를 감지하도록 협력한다. 또한, 본 명세서에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 제1 전극(102)은 정전기력(ESF) 또는 경피 전기 자극(transcutaneous electrical stimulation)(TES)을 사용하여 햅틱 효과를 전달하는 햅틱 액추에이터로서 동작한다. 그러나 다른 실시예들은 햅틱 액추에이터로서 동작하기 위해 제1 전극(102)에 추가로 또는 심지어 제1 전극(102) 대신에 구조체를 포함할 수 있다.

적어도 일부 실시예에서, 보호 층(110)은 유전 재료로 형성된 전기 절연체이다. 보호 층(110)을 형성하는데 사용될 수 있는 유전 재료들의 예들은 실리콘 산화물(SiO₂); 실리콘 질화물(SiO₃N₄); 파릴렌; 또는 유기 또는 무기 재료를 포함할 수 있는 복합 코팅들을 포함한다. 유전 재료는 퇴적 및 스퍼터링을 포함하는 임의의 적합한 기술을 사용하여 제1 전극(102)에 적용될 수 있다. 센서 요소(106)는 터치를 검출하거나 일부 실시예에서는 터치 표면(112)에 아주 근접한 센서이다. 터치를 검출하는 센서 요소들(106)의 예들은, 양자 터널링 복합재들, 압저항 셀들, 포토레지스터들, 및 압력 또는 광과 같은 외부 힘 또는 자극에 노출되거나 이것이 없어질 때 전도율, 저항, 인덕턴스 또는 커패시턴스와 같은 전기적 속성들을 변화시키는 다른 재료들을 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 제1 전극(102)은 센서 요소(106)의 전체 표면을 덮는다. 대안적인 실시예들에서, 서로 전기적으로 격리되는 복수의 제1 전극(102)은 평행한 리본들, 원들, 삼각형들, 정사각형들의 어레이, 다른 형상들의 어레이, 및 다른 기하학적 패턴들 및 형상들과 같은 패턴으로 센서 요소(106)의 표면에 적용될 수 있다.

또한, 일부 실시예에서, 보호 층(110) 및 제1 전극(102)은 유연성이므로, 이들은 압력하에서 구부러지고 센서 요소(106)에 대해 압력을 가할 수 있다. 다른 실시예들에서, 전체 일원화된 햅틱 디바이스(100)는 유연성이다. 유연성인 전체 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 이점은 평평하지 않은(non-flat) 또는 아니면 뷸규칙적인 표면을 갖는 기판들에 적용될 수 있고 그에 순응할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 일원화된 햅틱 디바이스는 보편적인 터치 패드들, 유연한 디스플레이들, 만곡된 유리를 갖는 디스플레이들, 버튼들 또는 심지어 손잡이들(hand grips)의 표면에 적용될 수 있다. 또한, 구부러질 수 있거나 유연한 일원화된 햅틱 디바이스(100)가 허용 오차를 벗어나거나 그들 표면에 다른 결함을 갖는 기판에 보다 용이하게 적용될 수 있기 때문에 제조가 보다 용이해진다.

일원화된 햅틱 디바이스(100)는 약 0.1mm 내지 약 1mm 범위의 전체 깊이를 갖지만, 다른 실시예들은 이 범위보다 작거나 큰 전체 깊이를 가질 수 있다. 이 깊이는 각종 상이한 목적을 가진 각종 상이한 디바이스에 적용될 수 있는 얇은, 이중 기능 센서 및 햅틱 액추에이터를 제공한다. 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 이런 얇은 깊이는 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 전체 구조 및 각 층에 사용되는 재료들의 타입과 같은 요인들에 의해 가능해진다. 보호 층(110)은 약 0.1 μ 내지 약 1.5 μ 범위의 두께를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 보호 층(110)은 약 0.5 μ 내지 약 1 μ 범위의 두께를 갖는다. 보호 층(110)의 두께는 층(110)을 형성하는데 사용되는 재료와 같은 요인들에 의존한다. 보호 층(110)이 유전 재료로 형성되면, 층(110)의 두께는 또한 층(110)에 대한 원하는 유전 상수에 의존하고; 층(110)이 두꺼울수록 햅틱 효과를 발생시키기 위해 전극에 인가될 전압이 높아질 것이다. 제1 전극 및 제2 전극(102 및 104)은 약 20nm 내지 약 0.5 μ 범위의 두께를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 약 0.1mm 내지 약 1mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 전극 및 제2 전극은 약 20nm 내지 약 1mm 범위의 두께를 갖는다. 센서 요소(106)는 약 0.1mm 이상의 범위의 두께를 갖는다. 대안적인 실시예에서, 센서는 약 0.1mm 내지 약 1mm 범위의 두께를 갖는다. 전극 요소의 두께는 전극들(102 및 104)을 형성하는데 사용되는 재료, 전극들(102 및 104)을 형성하는데 사용되는 제조 프로세스, 및 전극들(102 및 104)의 원하는 신뢰도 및 성능 특성들과 같은 다양한 요인들에 의존할 수 있다. 센서 요소(106)의 두께는 사용되는 센서의 타입, 전압 및 전류와 같은 일원화된 햅틱 디바이스(100)에 인가되는 전기 신호들의 특성들, 센서 요소(106)의 원하는 민감도, 센서 요소(106)의 분해능, 센서 요소(106)의 임계 값, 및 일원화된 햅틱 디바이스(100)에 대한 다른 성능 특성과 같은 다양한 요인들에 의존할 수 있다. 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 대안적인 실시예에서의 개별 층들(102, 104, 106 및 110) 각각은 위에 제공된 범위들보다 더 작은 또는 더 큰 두께를 가질 수 있다. 또한, 일원화된 햅틱 디바이스(100) 및 개별 층들(102, 104, 106, 110) 각각의 실제 깊이는 본 명세서에 언급된 요인들 및 다른 요인들에 의존할 수 있다. 깊이 및 두께는 또한 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 성능, 설계 기준, 제조 제약들 및 비용의 균형 성능에 의존할 수 있다.

본 명세서에 개시된 일원화된 햅틱 디바이스들 및 그 실시예는 상이한 방식으로 구현될 수 있는 유연성을 가지며 상이한 실시예들을 갖는다. 예를 들어, 일원화된 햅틱 디바이스들은 감지 모드와 햅틱 전달 모드 사이에서 동작을 스위칭하도록 제어될 수 있다. 대안적으로, 본 명세서에 개시된 일원화된 햅틱 디바이스들의 일부 실시예는 동시에 터치를 감지하고 햅틱 효과를 전달할 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 일원화된 햅틱 디바이스는 ESF 및 TES 이외의 기술을 사용하여 햅틱 효과를 전달하는 대안적인 액추에이터를 구체화할 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 일원화된 햅틱 디바이스에서 구체화될 수 있는 다른 타입들의 액추에이터들은 압전 셀들, 전기활성 폴리머들, 마이크로파이버 복합재들, 형상 기억 폴리머들 및 금속들과 같은 스마트 재료들, 및 외부 자극(예를 들어, 전위, 전류, 전기장, 자기장 또는 온도 변화)을 받을 때 진동하거나 형상을 변화시키는 임의의 다른 재료들를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 도시된 바와 같이 햅틱 효과를 전달하기 위해 ESF가 사용될 때, 액추에이터 구동 회로(132)는 제2 전극과 전기 통신한다. 액추에이터 구동 회로는 신호 발생기(133) 및 증폭기(135)를 갖는다. 신호 발생기(133)는 교류 파형을 갖는 신호를 발생하고, 증폭기(135)는 그 신호를 증폭하여, 제1 전극(102)에 인가하고 그 전극(102)과 사용자(116)의 손가락, 또는 터치 표면(112)에 접촉하는 다른 신체 부분 사이에 커패시턴스(134)를 생성하기 위한 햅틱 구동 신호를 발생한다. 사용자(116)의 피부는 제1 전극(102)에 대한 접지(114)를 제공한다.

이러한 실시예들에서, 보호 층(110)은 유전 재료로 형성된 전기 절연체이고, 전위는 보호 층(110) 내의 전하들을 분리시키며, 하나의 극성(예를 들어, 양)의 전하들은 사용자(116)의 피부에 근접한 보호 층(110)의 상부 또는 터치 표면(112)을 따르고, 반대 극성(예를 들어, 음)의 전하들은 제1 전극(102)에 근접한 보호 층(110)의 하부 표면을 따라 이동한다. 결국, 보호 층(110)의 터치 표면(112)을 따르는 전하들과 반대 극성을 갖는 전하들은 제1 전극(102)에 인접하고 절연체(110)에 대한 사용자(116)의 피부 부분에 축적된다. 반대 극성은 유전 절연체(110)의 터치 표면(112)을 향해 피부를 압박하는 힘을 발생시킴으로써 피부(116)에 촉각 감각을 생성한다.

교류 신호(예를 들어, 양과 음 사이에서 교번하는 신호)가 제1 전극(102)에 인가될 때, 전극(102) 내의 전하들은 양과 음 사이에서 교번한다. 제1 전극(102) 내의 교류 전하들은 터치 표면(112) 및 절연체(110)의 하부 표면 근방의 전하들이 양과 음 사이에서 교번하게 하여, 결국 제1 전극(102)에 인접한 사용자(116)의 피부에 축적되는 전하들이 양과 음 사이에서 교번하게 한다. 이런 교번하는 극성은 사용자(116)의 피부가 제1 전극(102)을 향해 선택적으로 힘을 가하고 나서 해제되도록 할 것이다. 사용자(116)가 자신의 손가락 끝 또는 신체의 다른 부분을 터치 표면(112)에 대해 안정적으로 유지한다면, 이들 피부의 위아래로 이동하는 감각은 정적 햅틱 효과를 생성하는 피부(116)에서의 진동으로서 느껴진다. 사용자(116)가 터치 표면(112)을 따라 자신의 손가락 끝 또는 다른 신체 부분을 이동하는 경우, 피부는 여전히 진동하지만, 마찰, 흐름 또는 움직임의 감각과 같은 동적 햅틱 효과를 생성할 것이다. 예시적인 실시예들에서, 제1 전극(102)에 인가된 햅틱 구동 신호의 진폭은 약 50V 이상의 범위 내에 있다. 정적 ESF를 전달하기 위한 예시적인 실시예들에서, 햅틱 구동 신호의 진폭은 약 50V 내지 약 2,000V의 범위 내에 있다. 예시적인 실시예들에서, 동적 ESF를 전달할 때, 햅틱 구동 신호의 진폭은 약 500V 내지 약 2,000V의 범위 내에 있다. 또한, 햅틱 구동 신호가 강할수록 결과적인 ESF는 사용자가 자신 주변 환경의 산만함에도 불구하고 햅틱 효과를 느끼기에 충분히 강할 것이다. 대부분의 사용자, 환경 및 하드웨어 구성의 경우, 500V 이상의 진폭을 갖는 햅틱 구동 신호는 대부분의 상황 및 환경에서 느끼기에 충분히 강한 햅틱 효과를 제공할 것이다. 햅틱 구동 신호에 대한 특정 범위들이 제공될지라도, 다른 실시예들은 본 명세서에 제공된 범위들보다 높거나 낮은 신호들을 사용할 수 있다.

TES를 사용하여 햅틱 효과를 전달하는 실시예들에서, 작은 전류는 제1 전극(102)으로부터 보호 층(110)을 통해 사용자(116)의 피부로 흐른다. 이러한 실시예들에서, 보호 층(110)은 매우 낮은 레벨들의 전류가 그를 통해 흐르게 할 수 있도록 적어도 제한된 양의 전도도를 갖는 재료로 형성된다. 사용자(116)의 피부로 들어가는 전하들은 사용자(116)의 신경에서 수용체들을 자극하여 햅틱 효과를 전달하는 따끔거리는 느낌(tingling sensation)을 유발한다. 예시적인 실시예들에서, 제1 전극(102)으로부터 사용자(116)의 피부로 흐르는 전류의 레벨은 약 1mA 내지 약 4mA 범위 내에 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제1 전극(102)으로부터 사용자(116)의 피부로 흐르는 전류의 레벨은 약 2.5mA 내지 약 4mA의 범위 내에 있으며, 이는 사용자(116)가 햅틱 효과를 자신 주변 환경의 산만함에도 불구하고 느끼기에 충분히 강한 TES를 제공한다.

도 4a 및 도 4b는 양자 터널링 복합재로 형성된 일원화된 햅틱 디바이스(100) 내의 센서 요소(106)의 실시예의 동작을 도시하며, 양자 터널링 복합재는 그에 대해 인가되는 압축력의 양에 대한 변화에 기초하여 그 전기 전도율(또는 전기 저항)을 변화시키는 재료이다. 양자 터널링 복합재는 금속들과 같은 전도성 입자들(117) 및 엘라스토머 바인더들(elastomeric binders)과 같은 비-전도성 재료의 조합을 포함한다. 전도성 입자들(117)은 복합재 전체에 걸쳐 분산되어 있다. 양자 터널링 복합재가 압축되지 않을 때, 전도성 입자들은 상대적으로 멀리 떨어져 있으므로 전류에 대해 상대적으로 낮은 전도도 및 높은 저항을 갖는다. 그러나 양자 터널링 복합재의 압축이 증가함에 따라, 전도성 입자들은 서로 가까워지도록 힘을 받고, 양자 터널링 복합재의 전도율이 증가하여 전류가 흐를 수 있게 한다. 양자 터널링 복합재는 복합재의 저항이 이에 인가된 압력의 함수로서 변화하는 가변 저항기로서 기능한다. 압력이 클수록 재료의 전도도가 커지고 재료의 저항이 낮아진다.

양자 터널링 복합재는 폴리머 기반 잉크 또는 겔일 수 있으며 불투명하거나 투명할 수 있다. 양자 터널링 복합재가 제2 전극(104) 상에 인쇄될 수 있지만, 양자 터널링 복합재는 대안적인 제조 기술을 사용하여 제2 전극(104)에 적용될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 적어도 보호 층(110) 및 제1 전극(102)은 유연성이 있고 구부러질 수 있다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 터치 표면(112)에 대해 가해지는 압력이 없을 때, 제1 전극(102) 및 센서 요소(106)는 구부러지거나, 압축되거나, 달리 변형되지 않는다. 이 상태에서, 양자 터널링 복합재 내의 전도성 입자들(117)은 상대적으로 멀리 떨어져 있고 하나의 입자(117)로부터 다른 입자로의 전자의 흐름에 대해 낮은 전도도 및 높은 저항을 제공한다. 양자 터널링 복합재의 이러한 실시예에서, 상대적으로 낮은 레벨의 전류만이 센서 요소(106)의 깊이를 통해 흐를 수 있다. 그러나 대안적인 실시예들에서, 양자 터널링 복합재는 전기 절연체로서 동작하므로, 실질적으로 전류는 양자 터널링 복합재를 통해 완전히 흐를 수 없고 전자들이 제2 전극(104)으로부터 제1 전극(102)으로 흐르는 것이 방지된다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 사용자가 터치 표면(112)을 터치하여 그에 대해 힘을 가할 때, 보호 층(110) 및 제1 전극(102)은 센서 요소(106)를 변형시키고 압축시킨다. 충분한 힘으로 센서 요소(106)를 압축하면, 양자 터널링 복합재 내의 전도성 입자들(117)은 전자들이 전도성 입자(117)로부터 전도성 입자(117)로 이동할 수 있도록 충분히 상대적으로 가깝게 이동하게 된다. 센서 요소(106) 내의 양자 터널링 복합재의 전도율이 증가하여, 전자들과 결국은 전류(130)가 제2 전극(104)으로부터 제1 전극(102)으로 흐르게 한다.

도 5a-5c는 일원화된 햅틱 디바이스의 동작을 감지 모드와 햅틱 전달 모드 사이에서 자동으로 스위칭하는 제어 회로 내의 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 동작을 도시한다. 예시된 실시예에서, 센서 요소(106)는 양자 터널링 복합재로 형성된다.

이 실시예에서, 전압 분할기(118)는 직렬로 접속된 제1 및 제2 저항들 또는 임피던스들을 갖는다. 제1 저항(120)은 전원(V_in)과 노드(124) 사이에서 전기적으로 직렬이다. 제2 저항은 센서 요소(106)에 의해 제공되고, 제1 전극 및 제2 전극(102 및 104)을 통해 노드(124)와 접지(122) 사이에서 전기적으로 직렬이다. 노드(124)는 노드(124)에서 출력 전압(V_out)을 모니터링하는 제어기(162)(본 명세서에서 더 상세하게 설명됨)에 전기적으로 접속된다. 센서 스위치(126)는 제1 전극(102)에 전기적으로 접속된 공통 단자, 액추에이터 구동 회로(132)에 전기적으로 접속된 제1 스위칭 단자, 및 전압 분할기(118)에 전기적으로 접속된 제2 스위칭 단자를 갖는 SPDT(single pole, double throw) 스위치이다. 센서 스위치(126)는 액추에이터 구동 회로(132)와 전압 분할기(118)에 대한 입력 전압(V_in) 사이의 제1 전극(102)에 대한 전기적 연속성을 스위칭한다. 센서 스위치(126)가 제2 단자로 스위칭될 때, 제1 전극(102)은 전압 분할기(118)의 일부를 형성하고 전압 분할기를 완성한다.

전압 분할기(118)는 센서 회로를 형성한다. 대안적인 실시예는 센서 요소(106)가 저항 또는 일부 다른 특성과 같은 특성을 변화시킴으로써 물리적 자극에 반응한 때를 결정하기 위해 전압 분할기 이외의 회로들을 사용할 수 있다. 액추에이터 구동 회로(132)는 제1 전극과 전기적으로 통신하며, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 제어기(162)는 액추에이터 구동 회로(132)가 햅틱 구동 신호를 전극(102)에 인가할 때를 제어한다.

이제 도 5a를 참조하면, 일원화된 햅틱 디바이스(100)가 감지 모드에서 동작할 때, 센서 스위치(126)는 제1 전극(102)과 입력 전압(V_in) 사이의 연속성을 제공하도록 스위칭된다. 센서 스위치(126)가 이 위치에 있을 때, 제1 전극은 전압 분할기(118)에 접속되어 전압 분할기를 완성한다. 센서 요소(106)는 압축되지 않거나, 또는 약하게 압축되어, 양자 터널링 복합재가 상대적으로 높은 전기 저항을 가지며 작은 전류만이 제1 전극(102)과 제2 전극(104)(예를 들어, 도 4a) 사이에서 접지(122)로 흐를 수 있다. 이 압축되지 않은 상태에서, 제어기(162)는 전압 분할기가 입력 전압(V_in)을 제1 전극에 전기적으로 접속하는 것과 동시에 햅틱 구동 신호를 제1 전극(102)에 전달하지 않도록 액추에이터 구동 회로(132)를 제어한다. 이 상태에서, 노드(124)에서의 출력 전압(V_out)은 입력 전압(V_in)보다 약간 낮다. 압축되지 않을 때 양자 터널링 복합재가 개방 회로인 실시예들에서, V_out은 V_in과 동일할 것이다.

이제 도 5b를 참조하면, 사람이 터치 표면(112)을 누르고 센서 요소(106)가 제1 전극(102)과 제2 전극(104) 사이의 양자 터널링 복합재의 전기 저항을 감소시키기 시작하도록 충분히 압축할 때(도 4b에 도시된 바와 같이), 노드(124)에서의 출력 전압(V_out)의 값은 센서 요소(106) 및 양자 터널링 복합재가 도 5a에 도시된 바와 같이 압축되지 않은 상태에 있을 때의 값에 비해 떨어질 것이다. 이 전이 상태에서, 제어기(162)는 제1 전극(102)에 햅틱 구동 신호를 전달하지 않도록 액추에이터 구동 회로(132)를 계속 제어한다.

이제 도 5c를 참조하면, 노드(124)에서의 출력 전압(V_out)이 임계 레벨 아래로 떨어지도록 양자 터널링 복합재의 저항을 감소시키도록 충분히 센서 요소(106)가 압축될 때, 제어기(162)는 센서 스위치(126)를 스위칭하여 제1 전극(102)을 입력 전압(V_in)으로부터 분리하고 제1 전극(102)을 액추에이터 구동 회로(132)에 접속할 것이다. 센서 스위치(126)가 이 위치에 있을 때, 제1 전극(102)은 전압 분할기(118)에 접속되지 않고 그의 일부를 형성하지 않는다. 그 다음에, 일원화된 햅틱 디바이스(100)는 감지 모드로부터 햅틱-전달 모드로 스위칭된다. 그 다음에, 제어기(162)는 햅틱 구동 신호를 생성하고 그것을 제1 전극(102)에 인가하도록 액추에이터 구동 회로(132)를 제어한다. 햅틱 구동 신호는 일부 실시예들에서 매우 높은 전압을 가질 수 있기 때문에, 센서 스위치(126)를 제어하여 제1 전극(102)을 전압 분할기(118)로부터 분리하는 것은 또한 제어기(162)를 액추에이터 구동 회로(132)의 출력으로부터 격리시켜 햅틱 구동 신호가 제어기(162) 내의 컴포넌트들을 손상시킬 수 없게 한다. 이러한 방식으로 센서 스위치(126)를 동작시키는 것은 또한 전압 분할기(118)에 대한 입력 전압(V_in)이 햅틱 구동 신호에 전압 오프셋을 제공하는 것을 방지한다. 이러한 오프셋은 유체 흐름의 특정 레벨의 마찰의 감각과 같은 제어기(162)가 생성하려고 하는 햅틱 효과에 악영향을 미칠 수 있다.

적어도 일부 예시적인 실시예들에서, 제어기(162)는 액추에이터 구동 회로(132)로 하여금 햅틱 구동 신호의 전달을 멈추게 한 다음 결정된 기간 후에 센서 스위치(126)를 스위칭하여, 일원화된 햅틱 디바이스(100)를 햅틱-전달 모드에서 감지 모드로 되돌릴 것이다. 다른 실시예들은 일정 기간의 경과 이외의 이벤트들이 발생하면 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 동작을 햅틱-전달 모드에서 감지 모드로 스위칭할 수 있다.

대안적인 실시예들에서, 센서 스위치(126)는 기계적 스위치, 반도체 디바이스, 또는 임의의 다른 적합한 스위칭 메커니즘일 수 있다. 다른 대안적인 실시예들에서, 센서 스위치(126)는 2개의 SPST(single pole, single throw) 스위치로 대체되는데, 여기서 하나의 스위치는 액추에이터 구동 회로(132)와 제1 전극(102) 사이에 직렬로 연결되고 다른 하나의 스위치는 출력 전압(V_out)과 제1 전극(102) 사이에 직렬로 연결된다. 다른 실시예들은 제1 전극(102)으로의 연속성을 제공하기 위해 대안적인 타입 및 배열의 스위치들을 가질 수 있다. 또한, 센서 스위치(126) 또는 임의의 다른 스위치들 대신에, 제어기(162)는 입력 전압(V_in) 및 액추에이터 구동 회로(132)로부터의 출력들을 인에이블 또는 디스에이블함으로써; 전압 분할기(118)를 통해 수신될 수도 있는 액추에이터 구동 회로(132)로부터의 높은 전압들로부터 제어기(162)를 차폐함으로써; 그리고 집성 전압 신호들 내의 전압들을 처리하고 격리하도록 제어기(162)를 프로그래밍함으로써 제1 전극(102)으로의 연속성을 제어하는 회로 및 프로그래밍을 포함할 수 있다.

대안적인 실시예들은 양자 터널링 복합재 대신 센서 요소(106)로서 압저항 셀(piezoresistive cell)을 사용한다. 압저항 셀은 결정들이 응력 하에 형상과 방향을 변화시키는 결정 격자 구조를 갖는 금속 또는 반도체 재료이다. 이러한 실시예는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 기술된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 동작하고, 압저항 셀은 구부러지거나 압축되어 결정 격자 구조가 응력을 받을 때 저항을 변화시킨다. 그러나, 전압 분할기(118)의 응답은 감지 요소(106)가 양자 터널링 복합재일 때와 반대이다. 압저항 셀의 저항은 도 5a에 도시된 바와 같이 응력을 받지 않을 때 낮으며, 따라서 노드(124)에서의 출력 전압(V_out)은 처음에는 입력 전압(V_in)에 비해 매우 낮다. 센서 요소(106)가 도 5b에 도시된 바와 같이 응력 하에 놓임에 따라, 압저항 셀의 저항은 증가하고 사용자(116)가 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 터치 표면(112)을 터치하는 것에 응답하여 노드(124)에서의 출력 전압(V_out)은 증가한다. 제어기(162)는 V_out의 새로운 값을 판독하고 그것이 제어기(162)로 하여금 도 5c에 도시된 바와 같이 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 동작을 센서 모드에서 햅틱-전달 모드로 스위칭하게 하는 임계 레벨 위로 상승했는지를 결정한다. 센서 요소(106)로서 압저항 셀을 사용하는 실시예들에서, 적어도 보호 층(110) 및 제1 전극(102)은 터치 표면(112)에 대해 힘이 가해짐에 따라 구부러진다. 그 후 힘은 압저항 셀이 구부러지거나 압축되게 한다. 적어도 일부 실시예들에서, 보호 층(110), 제1 전극(102), 센서 요소(106), 및 제2 전극(104)을 포함하는, 전체 일원화된 햅틱 디바이스(100)는 유연성 또는 압축성이 있다.

다른 대안적인 실시예들은 센서 요소(106)로서 포토레지스터를 사용한다. 포토레지스터는 광에 노출될 때 낮은 전기 저항을 갖는 반도체이지만, 저항은 가변적이고 포토레지스터에 도달하는 광의 양이 감소함에 따라 증가한다. 따라서, 전압 분할기(118)의 노드(124)에서의 출력 전압(V_out)은 센서 요소(106)로서 압저항 셀을 사용하는 실시예들과 실질적으로 동일한 방식으로 응답한다. 그러나, 이러한 실시예들에서, 사용자(116)의 손가락이 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 터치 표면(112)에 접근하고 광이 센서 요소(106)에 도달하는 것을 차단함에 따라, 포토레지스터의 저항이 증가하고, 따라서 노드(124)에서의 출력 전압이 증가한다. 출력 전압(V_out)이 사용자(116)가 터치 표면(112)을 터치했다는 것을 나타내는 임계 레벨 위로 상승할 때, 제어기(162)는 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 동작을 감지 모드에서 햅틱-전달 모드로 스위칭할 것이다. 대안적인 실시예는 사용자(116)의 손가락이 터치 표면(116)에 근접하지만, 반드시 터치 표면(112)을 터치하지는 않음을 나타내는 레벨에서, 출력 전압(V_out)에 대한 임계 값을 설정할 수 있다. 포토레지스터는 전형적으로 실리콘, 게르마늄, 또는 갈륨의 화합물들과 같은 반도체 재료로 형성된다. 반도체 재료는 증착 또는 스퍼터링과 같은 전통적인 제조 기법들을 사용하여 제2 전극(104)에 적용될 수 있다. 대안적인 실시예들은 포토레지스터를 형성하기 위해 다른 재료들을 사용할 수 있다.

센서 요소(106)로서 포토레지스터를 사용하는 실시예들에서, 제어기(162)는 일원화된 햅틱 디바이스가 동작하는 환경에서 주변 광을 측정하는 추가 센서로부터 입력을 수신하도록 프로그래밍될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 그 다음에, 제어기(162)는 측정된 주변 광의 레벨에 따라, 주변 광이 더 낮으면 출력 전압의 임계 값이 더 낮아지고 주변 광이 더 밝으면 출력 전압의 임계 값이 더 높아지도록, 출력 전압(V_out)의 임계 값을 조정할 수 있다. 대안적으로, 제어기(162)는 일원화된 햅틱 디바이스(100)가 동작하는 환경에서 주변 광의 양에 대응하는 출력 전압(V_out)의 값을 연속적으로 모니터링하고 그에 대한 이동 평균(running average)을 계산할 수 있다. 출력 전압의 더 높은 평균값은 더 밝은 주변 광에 대응할 것이고 출력 전압의 더 낮은 평균값은 더 낮은 레벨의 주변 광에 대응할 것이다. 그 후 제어기(162)는 이 출력 전압의 이동 평균을 사용하여 제어기(162)가 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 동작을 감지 모드에서 햅틱-전달 모드로 스위칭하는 출력 값에 대한 임계 값을 조정할 수 있다. 또한, 포토레지스터를 사용하는 실시예들은 광 감지에 의존하고 센서 요소(106)를 구부리거나 압축하는 것에 반응하지 않기 때문에, 제1 전극(102) 및 감지 요소(106)는 강성이고 비압축성일 수 있다. 하지만 대안적인 실시예들에서, 일원화된 햅틱 디바이스(100)는 유연성 또는 압축성이 있을 수 있거나, 일원화된 햅틱 디바이스 내의 개별 층들이 유연성 또는 압축성이 있을 수 있다. 또한, 이러한 실시예들에서, 적어도 보호 층(110) 및 제1 전극(102)은 주변 광이 센서 요소(106)로 통과할 수 있도록 충분한 투명성을 갖는다. 이러한 실시예의 이점은 사용자(116)의 손가락 또는 또 다른 포인터가 터치 표면(112)에 근접하지만, 터치하지 않을 때 햅틱 효과들을 전달하도록 시스템이 프로그램될 수 있다는 것이다.

도 6a 및 도 6b는 ESF 또는 TES를 사용하여 동시에 터치를 감지하고 햅틱 효과를 전달하도록 구성된 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 액추에이터 구동 회로(132)는 제2 전극(104)과 전기 통신한다. 도시된 바와 같이, 이 실시예는 본 명세서에 개시된 바와 같은 양자 터널링 복합재 또는 유사한 재료와 같이 압축됨에 따라 전도도가 증가하고 저항이 감소하는 재료를 갖는 센서 요소(106)를 사용한다. 센서 요소(106)가 특정 레벨의 압축에 도달할 때 그것은 제2 전극(104)에 인가되는 신호의 감쇠가 최소가 되는 충분히 높은 전도도를 실현한다.

동작 중에, 도 6a를 참조하여, 사용자가 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 터치 표면(112)에 대해 터치하거나 힘을 가하고 있지 않을 때, 센서 요소(106)는 자극을 받지 않고 높은 전기 저항을 제공하여 작은 전류만이 제2 전극(104) 및 제1 전극(102)으로부터 흐른다. 센서 요소(106)를 통해 제1 전극(102)으로 흐르는 햅틱 구동 신호의 진폭은 너무 낮아서 사용자는 어떠한 자극도 감지할 수 없고 햅틱 효과가 사용자(116)에게 전달될 수 없다. 대안적인 실시예에서, 센서 요소(106) 내의 양자 터널링 복합재는 개방 회로를 제공하고 제1 전극(102)을 제2 전극(104) 및 액추에이터 구동 회로(132)로부터 전기적으로 격리시킨다.

그러나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 사용자(116)가 터치 표면(112)에 대해 압력을 가함에 따라, 센서 요소(106)는 압축되고 전도도가 증가하고 제2 전극(104)으로부터 제1 전극(102)으로 흐르는 햅틱 구동 신호의 진폭이 증가한다. 양자 터널링 복합재의 전도율이 충분히 높은 레벨에 도달할 때, 제1 전극(102)에 도달하는 액추에이터 구동 신호의 진폭은 ESF를 생성하고 햅틱 효과를 전달하기에 충분한 전위를 제1 전극(102)과 사용자(116)의 피부 사이에 발생시킬 정도로 높아지고, 또는 TES를 전달하고 햅틱 효과를 전달하기에 충분한 전류를 제1 전극(102) 및 보호 층(110)을 통해 전도할 정도로 높아진다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예의 이점은 일원화된 햅틱 디바이스(100)에 가해지는 압력을 연속적으로 모니터링한다는 것이다. 적어도 일부 실시예들에서, 압력이 변화함에 따라 제2 전극(104)으로부터 제1 전극(102)으로 전도되는 햅틱 구동 신호의 진폭이 변화하여, 햅틱 효과의 강도를 변화시킬 수 있다.

동시에 터치를 감지하고 햅틱 효과를 전달하는 일원화된 햅틱 디바이스(100)의 대안적인 실시예들이 가능하다. 예를 들어, 일원화된 햅틱 디바이스(100)는 햅틱 구동 신호를 제2 전극(104)으로부터 제1 전극(102)으로 최소 감쇠로 전달하는 양자 터널링 복합재 이외의 임의의 적합한 센서 요소들을 사용할 수 있어, 신호는 ESF 또는 TES를 각각 전달하기에 충분한 진폭 또는 전류를 갖는다. 또한, 대안적인 실시예들은 ESF 또는 TES를 전달하기 위해 단일 전극(예를 들어, 제1 전극(102)) 이외의 햅틱 액추에이터들을 사용할 수 있다. 대안적인 액추에이터들의 예로는 압전 셀, 전기활성 폴리머, 마이크로파이버 복합재들, 형상 기억 폴리머 및 금속과 같은 스마트 재료, 및 전위, 전류, 전기장, 자기장, 또는 온도 변화와 같은 외부 자극을 받으면 진동하거나 형상을 변화시키는 임의의 다른 재료가 포함된다.

도 7은 일원화된 햅틱 디바이스의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 대안적인 실시예에서, 일원화된 햅틱 디바이스(136)는 제1 전극(138), 제2 전극(140), 및 제3 전극(142)을 포함한다. 보호 층(144)은 보호 층(110)과 실질적으로 유사하고 제1 전극(138)을 덮는다. 보호 층(144)은 터치 표면(148)을 갖는다. 전기 절연체(146)는 제1 전극(138)과 제2 전극(140) 사이에 위치하고 이들을 격리시킨다. 센서 요소(150)는 제2 전극(140)과 제3 전극(142) 사이에 위치한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, ESF를 사용하여 햅틱 효과들을 전달하는 일원화된 햅틱 디바이스(136)에서, 보호 층(144)은 유전 재료로 형성된 절연체이다. 센서 요소(150)는 본 명세서에서 논의된 센서 요소(106)와 실질적으로 유사하고 터치 표면(148)에 대한 터치, 또는 일부 실시예들에서, 그에 대한 근접도를 검출한다. 터치를 검출하는 센서 요소들(150)의 예로는 양자 터널링 복합재, 압저항 셀, 포토레지스터, 및 압력 또는 광과 같은 외부 자극 또는 힘에 노출되거나 그것을 빼앗긴 경우 전도성 또는 커패시턴스와 같은 전기적 특성을 변화시키는 다른 재료들이 포함된다. 포토레지스터는 또한 근접도를 검출할 수 있다. 센서 요소(150)가 포토레지스터인 경우, 적어도 보호 층(144), 제1 전극 및 제2 전극(138,140), 및 전기 절연체(146)는 실질적으로 투명하여 주변 광이 센서 요소(150)에 도달하여 포토레지스터를 자극하여 그것이 최소 전기 저항을 갖게 할 수 있다. 일원화된 햅틱 디바이스(136)는 일원화된 햅틱 디바이스(100)와 유사한 유연성 및 투명성 특성을 가질 수 있다.

구현될 때, 도 7에 도시된 일원화된 햅틱 디바이스(136)는 도 5a 내지 도 5c에 도시된 실시예들과 유사하게 동작한다. 전압 분할기(152)는 노드(156)와 직렬인 제1 저항 또는 임피던스(154)로 형성된다. 제3 전극(142) 및 제2 전극(140)을 통해 저항기(154)와 접지(158) 사이에 전기적으로 직렬인 센서 요소(150)에 의해 제2 저항 또는 임피던스가 제공된다. 출력 전압(V_out)은 노드(156)에서 출력된다. 전압 분할기(152)는 센서 회로를 형성한다. 또한, 제1 전극(138)은 액추에이터 구동 회로(132)에 전기적으로 접속되어 있다. 전압 분할기로부터의 출력 전압(V_out)이 변화하여 임계 값을 지나 이동함에 따라, 제어기(162)는 햅틱 효과가 사용자(116)에게 전달되어야 한다고 결정하고 햅틱 신호를 제1 전극(138)에 전달하도록 액추에이터 구동 회로를 제어할 것이다.

이 실시예의 이점은 동시에 일원화된 햅틱 디바이스(136)와의 사용자(116)의 상호 작용을 동시에 모니터링하고 햅틱 효과를 전달한다는 것이다. 제어기(162)는 출력 전압(V_out)을 연속적으로 모니터링하도록 프로그램될 수 있다. 사용자(116)가 일원화된 햅틱 디바이스(136)에 대해 가하는 힘이 변화함에 따라, 노드(156)에서의 출력 전압(V_out)도 변화한다. 제어기(162)는 출력 전압(V_out)을 감지한 다음, 출력 전압을 계속 모니터링하면서 출력 전압의 변화를 감지하는 것과 관련하여 햅틱 구동 신호의 하나 이상의 전기적 특성을 실시간으로 수정하도록 프로그램될 수 있지만, 센서들의 성능의 레이턴시, 프로세서들의 처리 속도, 및 다른 요인으로 인해 출력 전압의 변화를 감지하는 것과 햅틱 구동 신호의 특성을 변경하는 것 사이에 적어도 약간의 지연이 있을 수 있다. 이 실시예의 또 다른 이점은 일원화된 햅틱 디바이스(136)를 제어기(162)와 인터페이싱하는 전자 부품들이 스위칭을 필요로하지 않고 덜 복잡하고, 고장의 경향이 적고, 더 적은 전력을 필요로 하고, 패키징 요건이 더 작다는 것이다. 또한, 적어도 제어기(162)가 감지 모드와 햅틱 모드 사이에 일원화된 햅틱 디바이스(136)를 스위칭할 필요가 없고, 감지 및 햅틱 전달 회로들을 인에이블 및 디스에이블할 필요가 없기 때문에, 제어기(162)를 프로그래밍하는 것이 더 간단하다.

도 8은 복수의 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)를 사용하는 세그먼트화된 사용자 인터페이스(160)의 실시예를 도시한다. 일원화된 햅틱 디바이스들(100 또는 136)은 무작위로 또는 임의의 패턴으로 배열될 수 있다. 도시된 실시예는 일원화된 햅틱 디바이스들(100 또는 136)의 3×3 어레이이지만, 대안적인 실시예들은 더 많거나 적은 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)를 사용할 수 있다. 다른 실시예들은 일원화된 햅틱 디바이스들(100 또는 136)을 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 삼각형, 또는 임의의 다른 형상 또는 기하학적 배열과 같은 상이한 패턴들로 배열할 수 있다. 또한, 실시예는 일원화된 햅틱 디바이스들(100 또는 136)의 2개의 별개의 그룹을 포함할 수도 있는데, 여기서 각 그룹은 사용자 인터페이스의 별개의 부분에 위치한다. 사용자 인터페이스는 디스플레이, 터치 패드, 또는 사용자가 상호 작용하는 임의의 다른 표면일 수 있다. 이러한 실시예들에서, 세그먼트화된 사용자 인터페이스(160) 내의 일원화된 햅틱 디바이스들(100 또는 136) 각각은 별개의 개별 감지 회로들 및 햅틱 전달 회로들에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 각 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)는 개별적으로 제어될 수 있고, 상이한 햅틱 효과를 전달하고 상이한 압력들에 응답하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나의 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)는 제1 압력을 감지하면 햅틱 효과를 전달하도록 제어될 수 있고 상이한 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)는 제2의 상이한 압력을 감지하면 햅틱 효과를 전달하도록 제어될 수 있다.

이제 도 9를 참조하면, 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)에 대한 제어기(162)는 버스(168), 프로세서(170), 입출력(I/O) 제어기(172) 및 메모리(174)를 포함한다. 버스(168)는 I/O 제어기(172) 및 메모리(174)를 포함하는, 제어기(162)의 다양한 컴포넌트들을 프로세서(170)에 접속한다. 버스(168)는 전형적으로 제어 버스, 어드레스 버스, 및 데이터 버스를 포함한다. 그러나, 버스(168)는 제어기(162) 내의 컴포넌트들 사이에 데이터를 전송하기에 적합한 임의의 버스 또는 버스들의 조합일 수 있다. 제어기(162)는 또한 센서 스위치(126)를 제어하기 위해 스위칭 회로(166)와 인터페이스할 수 있다.

프로세서(170)는 정보를 처리하도록 구성되는 임의의 회로를 포함할 수 있고 임의의 적합한 아날로그 또는 디지털 회로를 포함할 수 있다. 프로세서(170)는 또한 명령어들을 실행하는 프로그래밍 가능한 회로를 포함할 수 있다. 프로그래밍 가능한 회로들의 예로는 마이크로프로세서들, 마이크로컨트롤러들, 주문형 집적 회로(ASIC)들, 프로그래머블 게이트 어레이(PGA)들, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)들, 또는 명령어들을 실행하기에 적합한 임의의 다른 프로세서 또는 하드웨어가 포함된다. 다양한 실시예들에서, 프로세서(170)는 단일 유닛, 또는 둘 이상의 유닛의 조합을 포함할 수 있고, 여기서 유닛들은 물리적으로 단일 제어기 내에 또는 별개의 디바이스들 내에 위치한다.

I/O 제어기(172)는 제어기(162) 및 주변 또는 외부 디바이스들의 동작을 모니터링하는 회로를 포함한다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 노드들(124 또는 156)로부터의 출력 전압(V_out)은 I/O 제어기(172)에 입력되고, 그 후 I/O 제어기는 이 값을 처리를 위해 프로세서(170)에 전달한다. I/O 제어기(172)는 또한 제어기(162)와 주변 또는 외부 디바이스들(도시되지 않음) 사이의 데이터 흐름을 관리한다. 외부 디바이스들은 제어기(162) 및 일원화된 햅틱 디바이스들(100 또는 136)가 통합되는 동일한 디바이스에 상주할 수 있거나 시스템 외부에 있을 수 있다. I/O 제어기(172)와 인터페이스할 수 있는 다른 주변 또는 외부 디바이스들의 예로는 센서들, 외부 저장 디바이스들, 모니터들, 키보드들, 마우스들 또는 푸시버튼들과 같은 입력 디바이스들, 외부 컴퓨팅 디바이스들, 모바일 디바이스들, 송신기들/수신기들, 및 안테나들이 포함될 수 있다.

메모리(174)는 휘발성 메모리 예컨대 랜덤 액세스 메모리(RAM), 판독 전용 메모리(ROM), 전기적으로 소거 가능한 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 자기 메모리, 광 메모리 또는 임의의 다른 적합한 메모리 기술을 포함할 수 있다. 메모리(308)는 또한 휘발성 및 비휘발성 메모리의 조합을 포함할 수 있다.

메모리(174)는 센서 모니터 모듈(176), 햅틱 효과 결정 모듈(178), 및 햅틱 효과 제어 모듈(180)을 포함하는, 프로세서(170)에 의한 실행을 위한 다수의 프로그램 모듈을 저장하도록 구성된다. 각각의 프로그램 모듈은 하나 이상의 특정 작업을 수행하는 데이터, 루틴들, 오브젝트들, 호출들 및 다른 명령어들의 컬렉션이다. 특정 프로그램 모듈들이 본 명세서에 개시되지만, 각각의 모듈에 대해 설명되는 다양한 명령어들 및 작업들은 다양한 실시예들에서, 단일 프로그램 모듈, 모듈들의 상이한 조합, 본 명세서에 개시된 것들과 다른 모듈들, 또는 제어기(162)와 통신하는 원격 디바이스들에 의해 실행되는 모듈들에 의해 수행될 수 있다.

예시적인 실시예들에서, 센서 모니터 모듈(176)은 노드(124 또는 156)에서의 출력 전압(V_out)을 모니터링하고 햅틱 효과가 사용자(116)에 전달되어야 하는 때를 결정한다. 센서 모니터 모듈(176)이 햅틱 효과를 전달할지를 결정하는 데 사용할 수 있는 예시적인 기법은 비교기 또는 포인터를 포함한다. 센서 모니터 모듈(176)은 노드(124 또는 156)에서의 출력 전압(V_out)을 모니터링하고 그것을 결정된 값과 비교하고, 출력 전압이 결정된 또는 임계 값보다 작을 때(센서 요소가 양자 터널링 복합재인 경우) 또는 결정된 또는 임계 값보다 클 때(센서 요소가 압저항기 또는 포토레지스터인 경우) 햅틱 효과가 전달되어야 하는 것으로 결정한다. 또 다른 실시예에서, 센서 모니터 모듈(176)은 대안적인 계산들을 이용하여 출력 전압(V_out)을 처리하여 햅틱 효과를 전달할지를 결정할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 센서 모니터 모듈(176)은 출력 전압(V_out)을 룩업 테이블에 참조하여 햅틱 효과를 전달할지를 결정한다.

일 예에서, 햅틱 효과 결정 모듈(178)은 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)를 통해 어떤 햅틱 효과를 전달할지를 결정한다. 결정 모듈(178)이 어떤 햅틱 효과를 전달할지를 결정하는 데 사용할 수 있는 예시적인 기법은 햅틱 효과를 선택하는 결정을 하도록 프로그래밍된 규칙들을 포함한다. 예를 들어, 제어기(162)는 GPS 수신기 또는 다른 위치 추적 디바이스와 인터페이스하여 사용자의 위치 및 그들의 이동 여부에 기초하여 전달되어야 하는 상이한 햅틱 효과들을 결정할 수 있다. 또 다른 예에서, 제어기(162)는 전자 디바이스에 의해 실행되는 애플리케이션, 애플리케이션을 실행할 때 발생한 특정 이벤트, 또는 외부 센서 또는 제3자 디바이스로부터 수신된 데이터에 기초하여 전달되어야 하는 햅틱 효과를 결정할 수 있다.

대안적인 실시예에서, 룩업 테이블은 출력 전압(V_out)에 대한 값들을 상이한 햅틱 효과들에 참조한다. 햅틱 효과 결정 모듈(178)은 출력 전압(V_out)을 룩업 테이블에 참조하여 어떤 햅틱 효과를 전달할지를 결정한다. 도 7에 도시된 바와 같이 동시에 접촉을 모니터링하고 햅틱 효과들을 전달하는 구현들 및 일원화된 햅틱 디바이스(136)를 이용하는 실시예들에서, 햅틱 효과 결정 모듈(178)은 출력 전압(V_out)을 룩업 테이블과 연속적으로 비교하고 일원화된 햅틱 디바이스(136)에 대해 가해지는 압력 또는 접촉이 변화함에 따라 사용자(116)에게 전달되는 햅틱 효과를 수정할 수 있다.

햅틱 효과 결정 모듈(178)은, 어떤 햅틱 신호를 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)에 전달할지를 결정하면, 그 결정을 햅틱 효과 제어 모듈(180)에 전달한다. 일원화된 햅틱 디바이스(100)를 이용하는 실시예들에서, 그 후 햅틱 효과 제어 모듈(180)은 센서 스위치(126)를 개방되도록 제어하는 커맨드를 스위치 회로(166)에 전달함으로써 일원화된 햅틱 디바이스(100)를 감지 모드에서 햅틱-전달 모드로 변경한다. 동시에 터치를 감지하고 햅틱 효과들을 전달하는 일원화된 햅틱 디바이스(136)를 이용하는 실시예들에서,햅틱 효과 제어 모듈(180)은 스위칭 커맨드를 생성하지 않을 수 있다.

또한, 햅틱 효과 제어 모듈(180)은 결정된 햅틱 효과에 대응하는 전기적 파라미터들 또는 특성들을 획득한다. 햅틱 효과 제어 모듈(180)은 전기적 파라미터들을 I/O 제어기(172)에 전달하고, 그 후 I/O 제어기는 햅틱 효과 제어 모듈(180)에 의해 제공된 전기적 파라미터들을 구현하는 햅틱 신호를 생성한다. I/O 제어기(172)는 햅틱 신호를 액추에이터 구동 회로(132)에 전달하고, 액추에이터 구동 회로는 교류 파형을 생성하고 그 파형을 증폭하여 햅틱 구동 신호를 생성한다. 액추에이터 구동 회로(132)는 햅틱 구동 신호를 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136) 각각의 제1 전극(102 또는 138)에 인가한다. I/O 제어기(172) 및 액추에이터 구동 회로(132)는 햅틱 신호 및 햅틱 구동 신호에 대한 추가적인 처리를 수행할 수 있다.

햅틱 신호를 생성하는 데 사용될 수 있는 신호 파라미터들의 예로는 이벤트에 관련된 주파수, 진폭, 위상, 반전, 지속 시간(duration), 파형, 어택 시간(attack time), 상승 시간, 페이드(fade) 시간, 및 래그(lag) 또는 리드(lead) 시간을 포함한다. 또한, 액추에이터 구동 회로(132)는 신호 발생기를 갖는 것으로 개시되었지만, 대안적인 실시예들은 교류가 아닌 신호를 출력할 수 있다. 햅틱 신호 및 햅틱 구동 신호에 대한 신호들 및 파형들의 예로는 직류 전류 신호, 교류 전류 신호, 교류 전압 신호, 구형파, 정현파, 스텝 신호, 삼각파, 톱니파, 및 펄스가 포함된다.

대안적인 실시예에서는, 햅틱 구동 신호를 생성하기 위해 사용하기 위한 전기적 파라미터들 또는 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)를 통해 전달되는 햅틱 효과의 결정이 없다. 그러한 실시예에서, 제어기(162)는 결정된 햅틱 구동 신호를 일원화된 햅틱 디바이스(100 또는 136)에 전달하도록 단순히 프로그래밍되거나, 심지어 배선된다.

일원화된 햅틱 디바이스들(100, 136) 및 그 대안적인 실시예들은 다양한 응용들에서 사용될 수 있다. 예로는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱, 태블릿, 스마트폰 및 다른 셀룰러 전화와 같은 컴퓨팅 디바이스들; 스마트폰과 같은 웨어러블 디바이스들; 콘솔 및 제어기와 같은 게임 디바이스들; 차량들; 기계; 수술 장비, 카테터, 모니터, 정시 디바이스(orthoscopic devices), 수술 시뮬레이터, 수술 로봇과 같은 의료 디바이스들; 기기(instrumentation); 키패드들; 로봇 제어기들, 및 전자 부품들 및 사용자 인터페이스를 갖는 임의의 다른 것이 포함된다. 또한, 일원화된 햅틱 디바이스(100, 136) 및 그의 대안적인 실시예들은 터치 패드들; 용량성 터치 디스플레이들을 포함하는 터치 디스플레이들, 및 다른 사용자 인터페이스들과 함께 사용될 수 있다. 또한, 디스플레이들 및 유사한 인터페이스들 상에서 사용될 때, 일원화된 햅틱 디바이스(100 및 136)는 실질적으로 투명하고 디스플레이 또는 다른 인터페이스의 층을 형성한다.

전술한 다양한 실시예들은 단지 예시로서 제공되며 본 명세서에 첨부된 청구항들을 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 명세서에 예시되고 기술된 예시적인 실시예들 및 응용예들을 따르지 않고, 그리고 후속하는 청구항들의 진의 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있는 다양한 수정들 및 변경들을 용이하게 인지할 것이다.

Claims

터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치(bi-functional apparatus)로서,
제1 전극 및 제2 전극 - 상기 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하고, 상기 제1 전극은 상부 표면과 하부 표면을 가짐 -;
상기 제1 전극의 상부 표면을 덮는 유전 절연체; 및
상기 제1 전극의 하부 표면과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 센서
를 포함하고, 상기 센서는 적어도 임계 량의 압력이 상기 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공하는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서, 상기 센서는 양자 터널링 복합재(quantum tunneling composite)를 포함하는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서, 상기 센서는 포토레지스터를 포함하는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서, 상기 센서는 압저항기(piezoresistor)를 포함하는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극, 유전 절연체, 및 센서는 실질적으로 투명한, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서, 상기 센서는 약 1 mm 이하 범위의 두께를 갖는, 이중 기능 장치.
제6항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극, 유전 절연체, 및 센서는 약 1 mm 이하의 조합된 두께를 갖는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 패턴으로 배열된 복수의 전극을 포함하고;
상기 센서는 상기 복수의 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서, 상기 유전 절연체 및 상기 제1 전극은 유연성이 있는, 이중 기능 장치.
제9항에 있어서, 상기 유전 절연체, 상기 제1 전극 및 제2 전극, 및 상기 센서는 유연성이 있는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서,
기판을 추가로 포함하고, 상기 기판은 표면을 포함하고, 상기 표면의 적어도 일부는 평평하지 않고;
상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 표면의 평평하지 않은 부분 상에 장착되는, 이중 기능 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 전기 통신하는 전원을 추가로 포함하고, 상기 전원은 약 500V 내지 약 2,000V의 전위를 제공하는, 이중 기능 장치.
제12항에 있어서,
센서 회로 - 상기 센서 회로는 상기 센서가 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도율을 제공하면 출력 전압을 생성하도록 구성됨 -; 및
상기 센서 회로 및 상기 전원과 통신하는 프로그래밍 가능한 회로를 추가로 포함하고, 상기 프로그래밍 가능한 회로는 상기 센서 회로로부터 상기 출력 전압을 수신하고 상기 출력 전압이 임계 값에 도달하면 상기 전원을 제어하여 상기 제1 전극에 상기 전위를 제공하도록 프로그래밍되는, 이중 기능 장치.
제13항에 있어서, 상기 센서 회로는 전압 분할기를 포함하는, 이중 기능 장치.
터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치(bi-functional apparatus)로서,
제1 전극 및 제2 전극 - 상기 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하고, 상기 제1 전극은 상부 표면과 하부 표면을 가짐 -;
상기 제1 전극의 상부 표면을 덮는 유전 절연체; 및
상기 제1 전극의 하부 표면과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 센서
를 포함하고, 상기 센서는 적어도 임계 량의 압력이 상기 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공하고, 상기 센서는 양자 터널링 복합재를 포함하며;
조합된 상기 제1 전극 및 제2 전극, 유전 절연체, 및 센서는 유연성이 있고 약 1 mm 이하의 조합된 두께를 갖는, 이중 기능 장치.
터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하기 위한 이중 기능 장치(bi-functional apparatus)로서,
제1 전극, 제2 전극, 및 제3 전극 - 상기 제1 전극은 정전기력을 전달하기 위한 햅틱 인터페이스를 제공하고, 상기 제1 전극은 상부 표면과 하부 표면을 가짐 -;
상기 제1 전극의 상부 표면을 덮는 유전 절연체;
상기 제1 전극의 하부 표면과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 전기 절연체; 및
상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치하는 센서
를 포함하고, 상기 센서는 적어도 임계 량의 압력이 상기 유전 절연체에 대해 가해지는 것에 응답하여 상기 제2 전극과 제3 전극 사이에 전기 전도율을 선택적으로 제공하는, 이중 기능 장치.
제16항에 있어서, 상기 제2 전극은 접지되고, 상기 이중 기능 장치는:
상기 제1 전극과 전기 통신하는 전원;
상기 제3 전극과 전기 통신하는 센서 회로 - 상기 센서 회로는 상기 센서가 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전기 전도율을 제공하면 출력 전압을 생성하도록 구성됨 -; 및
상기 전원 및 상기 센서 회로와 통신하는 프로그래밍 가능한 회로를 추가로 포함하고, 상기 프로그래밍 가능한 회로는 상기 센서 회로로부터 상기 출력 전압을 수신하고 상기 출력 전압이 임계 값에 도달하면 상기 전원을 제어하여 상기 제1 전극에 상기 전위를 제공하도록 프로그래밍되는, 이중 기능 장치.
제16항에 있어서, 상기 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극, 상기 유전 절연체, 상기 전기 절연체, 및 상기 센서의 조합된 두께는 약 1 mm 이하인, 이중 기능 장치.
단일 디바이스로 터치를 감지하고 햅틱 신호를 전달하는 방법으로서,
제1 전극 위에 층을 이룬 유전 절연체의 터치 표면에서 입력을 수신하는 단계;
상기 터치 표면에서 상기 입력을 수신하는 것에 응답하여, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 센서의 전기 전도율을 증가시키는 단계;
상기 센서의 전기 전도율을 증가시키는 것에 응답하여, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 전류를 전도하는 단계; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에서 전류를 전도하는 것에 응답하여, 상기 제1 전극에 햅틱 구동 신호를 인가하는 단계
를 포함하고, 상기 햅틱 구동 신호는 상기 유전 절연체에서 정전기력을 생성하는, 방법.
제19항에 있어서,
터치 표면에서 입력을 수신하는 단계는 상기 터치 표면에 대해 가해진 힘을 수신하는 단계를 포함하고;
상기 센서의 전기 전도율을 증가시키는 단계는 상기 터치 표면에 대해 가해진 힘을 수신하는 것에 응답하여 양자 터널링 복합재를 압축하는 단계를 포함하는, 방법.
제19항에 있어서,
터치 표면에서 입력을 수신하는 단계는 상기 터치 표면에 대해 가해진 힘을 수신하는 단계를 포함하고;
상기 센서의 전기 전도율을 증가시키는 단계는 상기 터치 표면에 대해 가해진 힘을 수신하는 것에 응답하여 압저항기에 응력을 가하는 단계를 포함하는, 방법.
제19항에 있어서,
터치 표면에서 입력을 수신하는 단계는 적어도 일부 광이 상기 터치 표면을 그리고 상기 제1 전극을 통과하는 것을 차단하는 단계를 포함하고;
상기 센서의 전기 전도율을 증가시키는 단계는 적어도 일부 광이 포토레지스터에 도달하는 것을 차단하는 단계를 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 상기 유전 절연체의 터치 표면에 대해 가해진 상기 힘에 응답하여 상기 유전 절연체 및 상기 제1 전극을 변형시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 상기 햅틱 구동 신호는 약 500V 내지 약 2,000V 범위의 전압을 갖는, 방법.