KR20220080214A - 키보드 센서 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 능동 공진 회로, 수동 동조 공진 회로 및 검출기를 포함하는 센서를 갖는 키들을 각각 포함하는 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 센서 시스템 및 그 방법을 제공한다. 복수의 키 센서들 중 제1 키 센서에서 검출된 초기 출력 신호, Ot0 는 저장 장치로부터 검색된다. 검출된 초기 출력 신호, Ot0, 는 제1 시간, t0, 에서 검출된 제1 키 센서의 출력 신호에 대응하고, t0에서 제1 키 센서의 능동 공진 회로는 제1 키 센서의 상기 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 구동된다. 이후 주기적으로, 이후 출력 신호 Ot1가 검출되고, 조정된 값이 계산된다. 조정된 값은 초기 출력 신호 Ot0와 이후 출력 신호 Ot1 사이의 차이에 대응된다. 키보드의 응답은 이후 조정된 값을 사용하여 보상될 수 있다.

Description

키보드 센서 시스템 및 방법{Keyboard sensor systems and methods}
본 발명은 키보드 센서 시스템 및 그 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 악기 키보드와 같은 뮤지컬 키보드를 위한 키보드 센서 시스템 및 방법에 대한 것이다.
출원인은 GB2494230A에서 공진 회로 기반 센서를 이전에 설명했다. 전자 악기용 뮤지컬 키보드는 일반적으로 기계식 스위치 또는 그와 유사한 접촉 장치를 사용하여 키의 단일 타격의 위치를 감지한다. 이때, 스위치의 닫힘은 노트-온 이벤트(note-on event)를 검출하는데 사용되고, 스위치의 열림은 노트-오프 이벤트(note-off event)를 검출하는데 사용된다. 좀 더 복잡한 버전의 기기는 복수 개의 스위치를 사용할 수도 있다.
전자 악기용 뮤지컬 키보드에서 키의 위치를 감지하기 위해 스위치와 같은 기계식 센서를 사용하는 경우 많은 단점이 있을 수 있다. 대부분의 전자 악기용 뮤지컬 키보드는 21 내지 88개의 키들을 가질 수 있다. 이렇게 많은 키들을 지원하기 위해 스위치는 일반적으로 멀티 플렉싱(multiplexing) 방법을 사용한다. 스위치 바운스라고도 하는, 스위치의 연결 지터(jitter)와 결합된 멀티 플렉싱(multiplexing) 방법은 스위치의 연결 및 분리 지점을 감지할 수 있는 속도를 제한한다. 이 경우, 위와 같은 스위치의 연결 및 분리 지점이 음악가에 의해 느껴질 수 있으므로 바람직하지 않다. 또 다른 경우에, 상기 스위치는 기계적인 마모가 올 수 있고, 이에 따라 스위치 성능에 신뢰성이 저하될 수 있다. 스위치 성능에 대한 신뢰성이 높은 제품일수록 단가가 비싸진다.
또한, 키가 반복적으로 작동됨에 따라 스위치들 각각에 기계적인 변형이 올 수 있다. 이러한 기계적인 변형은 응답의 변화를 유발하며, 보정(calibration) 절차로도 제거하기가 매우 어렵다. 또한 스위치의 기계적인 변형 없이 스위치가 연결 및 단절되는 키 이동은 불가능하다.
보다 진보된 뮤지컬 키보드는 노트-온 이벤트(note-on event)가 발생된 후에 키에 가해지는 압력이 사운드를 제어하는데 사용된다. 상기 압력은 단일 압력 센서(예를 들어, 힘 감지 저항)에 의해 감지될 수 있고, 키보드 상의 모든 키의 압력들은 상기 압력 센서로 압력을 전달하기 위해 기계식 커플링 방식으로 결합된다. 이러한 방식을 일반적으로 모노포틱 애프터 터치(monophonic aftertouch) 방식이 라고 한다. 보다 바람직한 시스템으로서, 각각의 개별 키에 가해지는 압력이 독립적으로 검출되는 방식인 다성 애프터 터치(polyphonic aftertouch)방식이 있다. 다성 애프터 터치 방식은 각각의 키에 대해 별도의 압력 센서가 사용되므로 모노포틱 애프터 터치 방식보다 비싸다는 단점이 있다.
뮤지컬 키보드에서, 기계식 스위치 및 압력 센서의 한계를 극복하는 대안들이 많이 공지되어 있지만 여전히 단점들이 존재한다.
US 2009/0282962에서 광학 위치 감지 방식을 사용하는 뮤지컬 키보드를 개시한다. 하지만 상기 방식의 성능은 오염에 의한 열화에 취약한 단점이 있으며, 최적의 성능을 유지하기 위해 청소 또는 재보정(recalibration) 과정이 반복되어야 한다. 또한, 투명성 또는 반사율이 우수한 가림막 또는 필름과 같은 예민한 광학적 구성요소를 포함할 수 있어, 충격 및 진동에 민감하고 장기적 신뢰성을 확보하기 어렵다. 또한 각각의 키마다 광학 센서 및 연산 증폭기(op-amp)를 포함하여 비싸다는 단점이 있다.
뮤지컬 키보드의 키의 위치를 감지하는 방법으로 홀 프로브를 이용하는 자기 센서 방식이 있을 수 있다. 하지만, 자기 센서는 외부 자기장과의 간섭, 인첩하는 철 금속의 움직임으로 인한 간섭 및 온도 변화에 민감하며, 이력현상(hysteresis)에 의해 위치 감지가 반복될수록 정확성이 저하될 수 있다. 또한, 각각의 키마다 영구 자석과 자기 센서가 필요하기 때문에 비싸다는 단점이 있다.
뮤지컬 키보드의 키의 위치를 감지하는 방법으로 용량성 위치 센서(Capacitive position sensor) 방식이 있을 수 있다. 하지만, 용량성 위치 센서는 전자기 간섭에 예민하고, 뮤지션의 손의 위치 및 온도에 예민하여 뮤지컬 키보드에 적용하는 것이 비실용적이다.
US 4,838,139에서 유도 코일 센서를 포함하는 뮤지컬 키보드를 개시한다. 유도 코일 센서를 포함하는 뮤지컬 키보드에서, 각각의 키는 금속 스포일러를 센서 인덕턴스 코일 쪽으로 가까워지게 하거나 멀어지게 하며 동작한다. 그러나 상기 시스템은 88 노트 키보드(88-note keyboard)에 비해 동작이 매우 느리며, 금속 장신구, 제품 및 구조물 등에 영향을 받는다는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 성능이 향상된 키보드 센서 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따르면, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법이 제공된다. 키보드의 각 키는 능동 공진 회로, 수동 공진 회로 및 검출기를 포함하는 센서를 가질 수 있다.
상기 방법은 제1 시간 t0에서 센서의 검출된 초기 출력 신호 Ot0을 저장 장치로부터 검색하는 단계를 포함 할 수 있고, t0에서 능동 공진 회로는 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 구동된다. 상기 방법은 t0 이후 시간에 센서들 중 적어도 하나에 대해 주기적으로 센서 Ot1의 출력 신호를 검출하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 그 후, 방법은 조정 값, 예를 들어 센서의 초기 출력 신호와 센서의 이후 출력 신호 사이의 차이를 계산할 수 있다. 상기 방법은 조정값을 사용하여 센서의 동작 출력을 조정함으로써 키보드의 응답을 보상하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 상기 동작 출력은 능동 공진 회로가 능동 공진 회로의 공진 주파수에서 구동 될 때 센서로부터의 출력일 수 있다. 이 방법은 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식에 따라 센서를 동작시키는 단계를 더 포함 할 수 있다. 그 후, 방법은 검출을 위해 센서가 동작하지 않는 시분할 멀티플렉싱 된 어드레싱 방식의 "예비"시간 슬롯을 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 센서 시스템이 제공된다. 센서 시스템은 메모리 장치, 키보드 및 프로세서를 포함할 수 있다. 키보드는 각각 키 센서를 가지는 복수의 키들을 포함할 수 있고, 키 센서 각각은 능동 공진 회로, 수동 튜닝된 공진 회로 및 검출기를 포함할 수 있다. 프로세서는 저장 장치로부터 복수의 키 센서들의 제1 키 센서로부터 검출된 초기 출력 신호 Ot0를 검색하도록 구성될 수 있고, 검출된 초기 출력 신호 Ot0는 제1 시간 t0, 에서 검출된 제1 키 센서의 출력 신호에 대응한다. t0에서 제1 키 센서의 능동 공진 회로는 제1 키 센서의 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 구동될 수 있다. 프로세서는 주기적으로, 복수의 키 센서들 중 적어도 하나의 키 센서에 대해:
시간 t0 이후에 적어도 하나의 키 센서들의 이후 출력 신호, Ot1를 검출하고;
초기 출력 신호 Ot0와 이후 출력 신호 Ot1 사이의 차이인 조정된 값을 계산하고; 및
조정된 값을 사용하여 적어도 하나의 키 센서의 동작 출력을 조정함으로써키보드의 응답을 보상하도록 구성될 수 있다. 동작 출력은 적어도 하나의 키 센서의 능동 공진 회로가 적어도 하나의 키 센서의 능동 공진 주파수에서 구동될 때 적어도 하나의 키 센서로부터의 출력일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 키보드, 예를 들어 피아노 스타일 키보드와 같은 악기 키보드를 위한 센서 시스템이 제공된다. 센서 시스템은 복수의 키 센서를 포함할 수 있다. 각각의 키 센서는 예를 들어 키의 이동 부분에 장착하기 위한 수동 공진 회로 및 예를 들어 기준 위치에 장착하기 위한 능동 공진 회로를 포함 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 수동 공진 회로는 공진 주파수를 가지며 능동 공진 회로는 공진 주파수에서 수동 공진 회로를 여기 시키도록 구성될 수 있다. 센서 시스템은 RF 구동 신호로 능동 공진 회로를 구동하기 위한 적어도 하나의 센서 드라이버를 더 포함 할 수 있고, 이는 다수의 센서 사이에서 공유 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 센서 시스템은 하나 이상의 멀티플렉서 및/또는 디멀티플렉서와 같은 멀티플렉싱 시스템을 더 포함하여, 동시에 구동되는 키 센서가 적어도 (k-1) 키에 의해 (물리적으로) 분리되도록 구동 신호를 멀티플렉싱할 수 있다. (k-1)은 1 이상의 정수이다. 따라서 하나의 키는 인접한 키와 동시에 (또는 적어도 k 개의 키만큼 떨어진 키와 동시에) 구동되지 않을 수 있다. 센서 시스템은 구동 키 센서로부터 RF 신호의 레벨을 검출하기 위해 적어도 하나의 검출기, 예를 들어 판독 회로 및/또는 마이크로 프로세서를 더 포함 할 수 있다. 이것은 키 센서와 관련된 키의 위치 및/또는 속도를 감지하는데 사용될 수 있다. 적어도 하나의 검출기는 능동 및 수동 공진 회로의 상대 위치에 따른 능동 공진 회로에서 공진 RF 신호의 변화를 검출 할 수 있고, RF 신호 레벨을 피크 감지 할 수 있다.
능동 공진 회로 및 수동 공진 회로 중 적어도 하나는 특히 반대로 권선된 하나 또는 둘 이상의 코일을 포함 할 수 있다. 따라서, 일 예로, 상기 코일은 반대의 자기장을 생성할 수 있고, 특히 센서로부터 먼 거리에서 서로 상쇄되도록 균형 잡히거나 정합되는 자기장을 생성 할 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 반대로 감긴 코일들(따라서 반대의 전류/자기장울 가짐) 및 멀티플렉싱 된 센서의 조합은 근접한 다중 센서의 사용을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 반대로 감긴 코일들은 센서로부터 큰 거리에서도, 예를 들어 최대 코일 치수의 10 배 이상의 거리(즉, 센서로부터의 RF 필드가 상기 거리에서 감지되지 않는다는 것은 말할 것도 없다.), 반대의 균형 잡힌 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 능동 공진 회로는 한 쌍 또는 3개 이상의 측 방향으로 인접한 팬케이크 코일을 포함한다.(본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 둘 이상의 코일에 대한 언급은, 예를 들어 권선이 반대 의미 인 경우, 둘 이상의 권선을 갖는 하나의 코일을 포함하도록 취해질 수 있다). 코일은 키에 의해 정의 된 종방향을 따라 종방향으로 서로 나란히 위치 될 수 있다. 팬케이크 코일은 제조의 용이성을 위해 가요성 PCB 일 수 있는 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 형성 될 수 있다. 코일은 반대로 감긴 권선을 가질 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 이러한 코일 구성을 사용하면 상호 간섭을 약간 줄일 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 멀티플렉싱 시스템은 능동 공진 회로의 구동되지 않는 키 센서들을 코일/센서를 단락시키거나 DC 신호나 저주파와 같은 오프-공명 신호로 구동하는 것에 의해 감쇠시키도록 구성될 수 있다. 또한 센서들 간의 간섭을 줄임으로써 공진 회로 기반 센서를 쉽게 사용할 수 있다.
상기 기술들 중 하나 이상이 근처 센서들 사이의 간섭을 제한하기 위해 이용 될 수 있다. 어느 기술이 얼마나 많이 사용되는지는, 키가 올라 왔을 때 능동 및 수동 공진 회로 사이의 거리 및/또는 키 업 위치와 키 다운 위치 사이의 이동 거리에 부분적으로 의존할 수 있다. 예를 들어 피아노 스타일의 키보드에서 이동 거리는 디자인에 따라 대략 5mm에서 15mm 사이일 수 있다. 더 긴 거리에서 하나의 키를 누르면 다른 키가 가까이 이동하는 것을 볼 수 있으므로, 상기 효과 중 하나 이상을 이용하여 이 효과를 개선 할 수있다. 따라서, 일반적으로, 센서 시스템의 일부 구현은 본 명세서에 기술 된 바와 같은 멀티플렉싱 구성 및 인근 센서 사이의 간섭을 감소시키기 위한 일부 추가 수단을 이용할 수 있다.
센서 시스템은 검출 된 RF 신호 레벨을 온도 보상하기 위한 온도 보상 시스템을 더 포함 할 수 있다. 온도 보상 시스템은 오프 공진 구동 신호를 하나 이상의 능동 공진 회로에 적용하도록 구성 될 수 있다. 그 후, 적어도 하나의 검출기로부터의 공명 외 구동 신호의 레벨을 측정 할 수 있고, 그 후 공명 외 구동 신호의 레벨에 응답하여 검출 된 RF 신호의 레벨을 보상 (예를 들어 오프셋) 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 멀티플렉싱 시스템은 키 센서들 중 하나가 시간 슬롯들의 각각에서 구동되도록 구동 신호를 멀티플렉싱하도록 구성된다. 그 후, 온도 보상 시스템은 추가 타임 슬롯, 특히 키 질문에 사용되지 않는 타임 슬롯 동안 공명 오프 구동 신호를 인가하도록 구성 될 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 키 센서는 예를 들어 공진 회로들 중 하나의 아래, 예를 들어 변형 가능한 엔드 스톱, 또는 공진 회로들 사이에서 탄성 변형 가능한 요소를 더 포함 할 수 있고, 상기 탄성 변형 가능한 요소는 특히 압력 감지를 위한, 특히 탄성 변형 가능한 요소에 대한 움직임을 검출함으로써 수동 공진 회로 및 능동 공진 회로 중 하나 또는 둘 다의 움직임을 제한하기 위해 사용될 수 있다.
실시예들에 따르면, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법이 제공된다. 키보드의 각 키는 능동 공진 회로, 수동 공진 회로 및 검출기를 포함하는 센서를 가질 수 있다.
상기 방법은 제1 시간 t0에서 센서의 검출된 초기 출력 신호 Ot0을 저장 장치로부터 검색하는 단계를 포함 할 수 있고, t0에서 능동 공진 회로는 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 구동된다. 상기 방법은 t0 이후 시간에 센서들 중 적어도 하나에 대해 주기적으로 센서 Ot1의 출력 신호를 검출하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 그 후, 방법은 조정 값, 예를 들어 센서의 초기 출력 신호와 센서의 이후 출력 신호 사이의 차이를 계산할 수 있다. 상기 방법은 조정값을 사용하여 센서의 동작 출력을 조정함으로써 키보드의 응답을 보상하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 상기 동작 출력은 능동 공진 회로가 능동 공진 회로의 공진 주파수에서 구동 될 때 센서로부터의 출력일 수 있다. 이 방법은 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식에 따라 센서를 동작시키는 단계를 더 포함 할 수 있다. 그 후, 방법은 검출을 위해 센서가 동작하지 않는 시분할 멀티플렉싱 된 어드레싱 방식의 "예비"시간 슬롯을 사용할 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 키보드, 특히 키보드 악기의 키보드, 특히 피아노 스타일 키보드를 위한 센서 세트가 제공된다. 키보드는 복수의 키를 가질 수 있다. 센서 세트는 센서 시스템의 일부일 수 있다. 각각의 센서는 키의 이동 부분에 장착하기 위한 수동 공진 회로 및 고정 된 기준 위치, 예를 들어 키보드 또는 기구의 일부에 장착하기 위한 능동 공진 회로를 포함 할 수 있다. 수동 공진 회로는 공진 주파수를 가지며 능동 공진 회로는 공진 주파수에서 수동 공진 회로를 여기시킬 수 있다. 각각의 센서는 능동 및 수동 공진 회로의 상대 위치와 함께 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 검출하여 키의 위치 및/또는 속도를 검출하기 위해 다수의 센서 사이에서 공유 될 수 있는 검출기를 더 포함 할 수 있다. 일부 구현에서, 상기 공진 신호의 변화는 공진 신호에서 신호의 진폭의 변동일 수 있다. 센서 세트는 키보드의 키를 감지하기 위해 장착 될 때 동일한 공진 주파수를 갖는 센서가 인접하지 않도록 배열된 2개 이상의 상이한 공진 주파수를 갖는 센서를 포함 할 수 있다.
이 실시예는 구성하기가 비교적 저렴할 수 있지만 신뢰성이 높고 기계식 스위치의 키 바운스가 발생하지 않기 때문에 키 이동에 매우 빠르고 안정적으로 반응 할 수 있다. 예를 들어 이상적으로 각 키는 초당 250 회 이상의 속도로 측정되며, 88 노트 키보드에서는 22,000 키/초에 해당된다. 일 실시예에 따르면, 이 속도의 10 배 이상에서도 작동 할 수 있다. 실시예에 따르면, 또한 우수한 온도 안정성을 제공할 수 있고, 비접촉이므로 견고하고 실질적으로 오염에 면역성이 있을 수 있다. 실시예에 따르면, 키 누름 위치와 키 해제 위치 사이에서 이동할 때 키 위치를 결정할 수 있고, 키 위치의 실질적으로 연속적인 결정을 제공할 수 있다. 기준 위치는 키 아래의 고정 된 위치, 예를 들어 키보드 베이스 또는 마운트상의 위치일 수 있고, 또는 키보드에 대한 센서 세트를 운반하는 인쇄 회로 기판 (PCB)상의 위치 일 수 있다. 그러나 대안적으로, 일부 실시예들에서, 능동 공진 회로는 키 상에 또는 키와 관련하여 장착될 수 있고 공진 회로는 베이스, PCB 또는 유사한 것 상에 장착 될 수 있다.
일 실시예에 따른 센서에 따르면, 키가 키 눌림 위치를 넘어서 이동할 때를 감지할 수 있으므로, 다성 애프터 터치 구현에 유용하다. 애프터 터치는 음표를 수정하여 음량, 비브라토 등을 조절하여 음표에 표현을 추가하기 위해 음악가가 누름 후 키에 힘을 가할 수 있도록 할 수 있다. 다성 애프터 터치는 음악가가 각 키에 대해 표현을 개별적으로 제어 할 수 있게 할 수 있다.
센서는 키 속도를 추가로 감지 할 수 있고, 감지된 키 속도가 키 위치를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 감지 키 속도는 추가 표현을 추가 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 공진 주파수를 갖는 센서들은 예를 들어, 대체 키들상의 다른 주파수들을 사용하는 제2의 다른 공진 주파수를 갖는 센서들과 인터리빙될 수 있다. 이는 센서 간 간섭을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
센서 세트는 센서 간 간섭을 줄이기 위해 인접한 키보드 센서가 다른 시간에 선택되도록 센서의 선택 또는 스캐닝을 제어하는 컨트롤러를 포함 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기는 예를 들어 저항을 통해 능동 공진 회로의 일부를 접지에 연결함으로써 선택되지 않은 센서의 능동 공진 회로의 응답을 감쇠시킬 수 있다. 제어기는 멀티플렉싱 시스템 및/또는 마이크로 프로세서를 포함 할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제어기/멀티플렉싱 시스템은 센서들의 시분할 멀티플렉스 동작을 구성하도록 구성될 수 있다. 이러한 접근법에서, 각각의 공진 주파수는 센서 그룹을 정의 할 수 있고, 시분할 멀티플렉싱은 복수의 n개의 타임 슬롯을 정의 할 수 있다. 각 그룹의 연속 키보드 센서에는 연속 시간 슬롯이 할당될 수 있다. 센서 그룹의 센서가 인터리브되면, 예를 들어 각 그룹의 연속 센서가 키보드 상에 인접하지 않을 수 있다. N개의 공진 주파수와 따라서 N개의 센서 그룹이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서 N = 1일 수 있다. 일부 실시예들에서, 현재 시간 슬롯에서 현재 센서 그룹의 센서를 활성화 한 후, 제어기는 다음 시간 슬롯에서 동일한 센서 그룹에 있는 키보드를 따라 다음 센서를 활성화 할 수 있다.
인접한 센서들이 동시에 활성화 될 수 있지만, 바람직하게는 제어기/멀티플렉싱 시스템은 인접 센서들이 동시에 활성화되지 않도록 구성될 수 있다. 동시에 활성된 센서들 사이의 간격은 (m x N) + 1 일 수 있으며, 여기서 m은 1 내지 n/2의 범위이고; 더 높은 분리가 바람직할 수 있다.(1의 간격은 인접한 센서를 나타냄).
전형적으로 키보드가 하나 이상의 그러한 서브셋을 가질 것이기 때문에, 동일한 그룹에서 동시에 활성화 된 센서들에 대한 가장 가까운 물리적 간격은 나중에 센서들의 서브셋으로 지칭되는 n x N개의 센서들의 간격 일 수 있다. 따라서, 제어기/멀티플렉싱 시스템은 동일한 그룹 내의 동일한 시간 슬롯에서 활성화 된 키보드 센서가 그들 사이에 (n x N) -1 개의 센서를 갖도록 구성 될 수 있다. 일부 실시예들에서, n은 8 일 수 있고 N은 2 일 수 있다.
제어기는 센서들을 어드레싱하기 위해 디지털 디멀티플렉서와 같은 어드레싱 장치에 연결된 프로세서를 사용하여 구현될 수 있고, 아날로그 멀티플렉서를 통해 센서 능동 공진기를 판독 회로에 선택적으로 연결함으로써 어드레싱 된 센서로부터 신호가 판독 될 수 있다. 검출기, 즉 판독 회로는 엔벨로프 검출 기능을 수행 할 수 있다. 판독 회로 및/또는 아날로그 멀티플렉서는 일부 실시예에서, 조정 가능한 위상 편이를 통해 구동 신호로부터 능동 공진기로 유도 된 인에이블 신호(enable signal)에 의해 인에이블 될 수 있다. 조절 가능한 위상 편이는 그러한 디멀티플렉서-멀티플렉서 구성과 관련하여 또는 이와 별도로 사용되어, 능동 공진 회로로부터의 신호의 동기 검출을 구현할 수 있다.
제어기 또는 다른 프로세서는 각각의 센서의 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 처리하여, 키를 눌렀다가 놓을 때 눌린 키가 해제 된 위치와 눌린 위치 사이에서 키가 이동함에 따라 연속 된 시간 간격에 걸쳐 키보드의 각 키의 움직임을 결정하도록 구성 될 수 있다. 상기 각 키의 움직임은 키가 해제 된 위치와 눌린 위치 사이에서 이동할 때 키의 위치 및/또는 대략적인 속도를 포함 할 수 있다.
일부 실시예에서, 키의 위치는 키의 속도로부터, 예를 들어 직접(directly)이 아닌 통합(integration)에 의해 결정될 수 있다. 프로세서는 각각의 키 또는 각각의 이동 키에 대한 시간에 따른 대략적인 위치 및/또는 속도의 프로파일을 정의하는 데이터를 출력할 수 있다.
일부 실시예들에서, 프로세서는 각각의 센서의 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 처리하여 연속적인 시간 간격에서 결정된 키의 위치 변화로부터 키의 대략적인 속도를 결정하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 결정된 속도는 키 속도에 의존하여 필터링 될 수 있는데, 예를 들어 키가 느리게 움직일 때 더 큰 필터링/스무딩을 적용할 수 있다. 이는 빠르게 움직이는 키의 응답 시간을 크게 저하시키지 않으면서 키가 느리게 움직일 때 정확한 데이터를 제공하는 데 도움이 될 수 있다.
보다 일반적으로, 프로세서는 예를 들어 키 위치 및/또는 속도의 결정으로부터 각각의 키에 대한 키 누름 및 키 해제 이벤트를 결정하기 위해 공진 신호의 진폭 및/또는 다른 변형을 처리할 수 있다. 프로세서는 따라서 각 키 /각 활성 키에 대한 노트 신호를 출력할 수 있다.
일부 실시예들에서, 키 위치 또는 키 이동 프로파일의 연속은, 예를 들어 외삽함으로써, 눌려진(또는 해제 된) 키가 키 누름/노트-온 (또는 키 해제/노트- 오프) 위치에 도달 할 때, 예를 들어 열쇠의 위치의 궤도를 예측하는데 사용될 수 있다. 예측 된 위치는 나중에 K로 지칭될 수 있다. 그 후 프로세서는 실제 키 누름/노트 온 (또는 키 해제/노트 오프) 위치에 도달하기 전에 키 누름/노트 온 (또는 키 해제/노트 오프) 신호를 발행할 수 있다. 이는 악기에서의 처리 지연, 예를 들어 사운드 생성 엔진에서의 레이턴시를 보상하는데 유리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 키 위치 또는 키 이동 프로파일의 연속은 악기를 제어하기 위한 신호, 예를 들어 노트-온 이벤트가 발행되기 전 및/또는 후에 사운드에 표현을 추가하도록 사운드 생성 엔진을 제어하는 신호를 제공하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 프로세서는 적어도 3개의 상이한 키 위치들, 노트-오프 위치, 노트-온 위치 및 애프터 터치 위치를 구별하도록 추가로 구성될 수 있다. 애프터 터치 위치는 노트-온 위치를 초과 할 수 있으며, 누름 후 키에 가해지는 추가 압력에 대응될 수있다. 프로세서는 예를 들어 가변 압력 센서로서 작용하기 위해 애프터 터치 위치로(또는 위치로부터) 이동함에 따라 키의 위치 및/또는 속도를 결정할 수 있고, 애프터 터치 위치에 도달 할 때 프로세서는 간단히 식별할 수 있다. 애프터 터치 위치는 키에 추가적인 압력을 가한 결과 통상적인 눌림 위치를 넘어선 키의 움직임에 대응할 수 있다. 각각의 키에는 탄성 바이어스 또는 압축 또는 인장 스프링 또는 압축 가능한 요소 또는 블록과 같은 변형 가능한 엔드-스톱 장치가 제공 될 수 있어서, 키의 오목 부분이 장치와 상호 작용하고, 장치에 의한 추가 운동이 금지되도록 키에 추가 압력이 가해지면 키가 애프터 터치 위치로 이동할 수 있다. 다성 애프터 터치 기능을 제공하기 위해 각 키에 대한 애프터 터치 위치가 검출될 수 있다.
실시예들에 따른 시스템에 따르면, 피아노 건반에 유용한 리트리거링(re-triggering)을 용이하게 하기 위해 음표가 감지되기 전에 새로운 음표 신호가 발행 될 수 있다. 예를 들어 애프터 터치가 구성되기 전에 요구되는 압력의 양을 허용하기 위해, 최대 키 누름 위치와 애프터 터치 검출 시작 사이에 압력 제어 키 이동 거리(데드 존)가 제공 될 수 있다.
센서 세트는 인쇄 회로 기판과 같은 기판 상에 제공 될 수 있다. 센서는 기판을 따라, 특히 키보드의 키의 위치에 대응하는 위치, 보다 구체적으로 수동 공진 회로가 키 상에 위치되는 위치에 선형으로 배치 될 수 있다. 능동 공진 회로를 위한 코일은 기판상의 트랙, 예를 들어 팬케이크 코일을 형성함으로써 형성 될 수 있다. 피아노 건반에는 검은 색과 흰색 건반이 있지만 수동 공진 회로를 적절히 배치하면 센서를 한 줄에 배치 할 수 있다. 그러나 일부 실시예들에서, 능동 및 수동 공진 회로들은 두 위치들 사이에서 교번하고 센서들의 일반적인 배열을 정의하는 종방향 라인의 어느 한쪽으로 교대로 변위될 수 있다. 센서 세트는 완전한 키보드 또는 키보드 길이의 일부, 예를 들어 하나, 둘 이상의 옥타브에 대한 센서를 포함 할 수 있다. 전술한 바와 같은 하나 이상의 센서 세트를 포함하는 키보드 악기용 키보드가 또한 제공될 수 있다.
일반적으로, 센서 세트의 프로세서/제어기는 임의의 종류의 처리 장치/회로 일 수 있으며, 예를 들어 프로그램 코드 제어 하의 마이크로 프로세서, 또는 DSP (digital signal processor), 또는 FPGA (Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC (application specific integrated circuit)일 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 세트에 대한 제어/처리 기능은 단일 집적 회로에 제공 될 수 있다.
프로그램 가능 디바이스가 이용되는 경우, 프로세서는 프로세서에 전술 한 기능의 일부 또는 전부를 구현하도록 프로세서를 제어하기 위해 프로세서 제어 코드를 저장하는 관련 작업 메모리 및 비휘발성 프로그램 메모리를 가질 수 있다. 따라서, 위에서 설명된 기능들을 구현하기 위해 코드 및/또는 데이터를 운반하는 비휘발성 메모리와 같은 비일시적 데이터 캐리어가 제공될 수 있다. 코드/데이터는 종래의 프로그래밍 언어, 해석 또는 컴파일 된 소스, 객체 또는 실행 코드, 또는 어셈블리 코드, Verilog와 같은 하드웨어 기술 언어를 위한 코드와 같은 ASIC 또는 FPGA를 설정 또는 제어하기 위한 코드/데이터(상표)를 포함할 수 있다. 당업자는 이러한 코드 및/또는 데이터가 서로 통신하는 복수의 결합된 구성 요소 사이에 분배 될 수 있음을 이해할 것이다.
복수의 키, 예를 들어 키보드 악기의 위치를 감지하는 방법이 제공될 수 있다. 이 방법은 예를 들어 키의 이동 부분에 장착하기 위한 수동 공진 회로 및 예를 들어 고정 된 기준 위치, 예를 들어 일부에 장착하기 위한 능동 공진 회로를 포함하는 센서를 각각의 키에 제공하는 단계를 포함 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수동 공진 회로는 공진 주파수를 가지며, 능동 공진 회로는 공진 주파수에서 수동 공진 회로를 여기시킬 수 있다. 각각의 센서는 키의 위치 및/또는 속도를 검출하기 위해 능동 및 수동 공진 회로의 상대 위치와 함께 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 검출하기 위해 공유될 수 있는 검출기를 더 가질 수 있다. 이 방법은 동일한 공진 주파수를 갖는 키보드 센서가 인접하지 않도록 배열 된 둘 이상의 상이한 공진 주파수에서 동작하도록 센서를 배치하는 단계를 더 포함 할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로 및/또는 방법은 적어도 능동 공진 회로 및 선택적으로 수동 공진 회로의 하나 이상의 코일을 반대 의미의 권선을 갖도록 구성함으로써 센서들 사이의 간섭을 감소시키는 단계를 더 포함 할 수 있다.
상기 방법은 적어도 3 개의 상이한 키 위치, 노트-오프 위치, 노트-온 위치 및 애프터 터치 위치를 구별함으로써 다성 애프터 터치를 제공하는 단계를 더 포함 할 수 있으며, 상기 애프터 터치 위치는 상기 키가 멈춤 및 엔드-스탑 위치를 넘어서 이동한 후에, 상기 노트-온 위치를 넘어 상기 키에 가해지는 추가 압력에 대응되는 것을 특징으로 할 수 있다.
키보드, 특히 키보드상의 복수의 이동 가능한 키에 적용된 위치 및 속도 및 압력의 측정으로부터 도출된 출력 신호를 제공하는 음악 키보드가 추가로 제공될 수 있다. 측정은 이동 가능한 키 상의 위치 센서로부터 도출 될 수 있다. 각각의 위치 센서는 능동 공진 회로; 능동 공진 회로에 결합되어 공진 주파수에서 능동 공진 회로를 구동하고 선택적으로 센서들 사이에서 공유되는 구동 전자 기기; 및 상기 이동 가능한 키와 관련된 전기 반응성 요소를 포함할 수 있다. 전기 반응성 요소(electrically reactive element)는 능동 공진 회로에 대한 전기 반응성 요소의 상대 위치에 의존하여 능동 공진 회로의 응답에 대한 가변 변형을 제공할 수 있다. 키보드는 능동 공진 회로에 대해 전기 반응성 요소의 상대 위치에 응답하여 가변 출력 신호를 제공하기 위해, 능동 공진 회로에 연결된 판독 전자 장치를 더 포함 할 수 있다. 판독 전자 장치의 가변 출력 신호는 위치 센서 출력을 제공 할 수 있다. 실시예들에 있어서, 상기 능동 공진 회로는 능동 동조 공진 회로로 명명될 수 있다.
바람직하게는, 필수적이지는 않지만, 본질적으로 전기 반응성 요소는 능동 공진 회로가 구동되는 주파수로 튜닝된 수동 공진 회로를 포함하므로, 위치 센서는 단일 공진 주파수에서 동작될 수 있다. 이 접근법의 장점은 다음과 같다. 첫째, 주어진 크기의 위치 센서에 대해 더 큰 유효 감지 거리가 달성 될 수 있다. 둘째, 감지 된 위치의 주어진 변화에 대한 위치 센서의 출력 신호의 더 큰 변화가 얻어질 수 있으며, 종종 위치 센서에 대한 출력 증폭기의 요구를 제거하여 복잡성과 비용을 감소시킬 수 있다. 셋째로, 제 2 위치 센서가 제 1 위치 센서와 상당히 다른 공진 주파수로 튜닝 된 경우, 본 발명자들은 제1 위치 센서의 공진 주파수로 튜닝 된 제1 위치 센서의 수동 공진 회로가 제2 위치 센서의 출력에 실질적으로 영향을 미치지 않는다는 것을 발견하였기 때문에 복수의 근접하게 위치된 위치 센서의 작동이 촉진될 수 있다.
넓은 의미에서 공진 주파수의 예시적인 범위는 1-10MHz이며, 기생의 해로운 영향에 대한 속도의 균형을 유지한다. 예를 들어, 제1 공진 주파수는 3-4MHz 범위에 있을 수 있고, 제2 공진 주파수는 4-5MHz 범위에 있을 수 있다.
능동 공진 회로 및 수동 공진 회로에 의해 사용되는 코일을 형성하는 특히 유리한 수단은 트랙상의 트랙에 의해 정의되는 평평하거나 평면 코일 인 것으로 밝혀졌다. 이것은 잘 정의된 반복 가능한 지오메트리를 달성하고, 인쇄 회로 기판에 근접하게 위치한 다른 전기 활성 구성 요소들을 용이하게 할 수 있다.
위치 센서로부터 방출되는 전자기 방출을 최소화하고 상기 위치 센서의 전자기 간섭 신호에 대한 감수성을 최소화하기 위해, 능동 공진 회로의 코일은 복수의 전기적으로 연결된 1차 "더 작은"코일로부터 형성될 수 있다. 상기 1차 소형 코일의 권선 방향은 상기 1차 소형 코일로부터 방사되는 전자기 원거리 장의 합이 실질적으로 0이되도록 선택된다. 이 경우, 수동 공진 회로에 의해 사용되는 인덕턴스 코일은: 상기 1차 소형 코일의 서브 세트에만 유도 결합 될 수 있고; 또는 복수의 전기적으로 연결된 2차 소형 코일로 구성되고, 상기 2차 소형 코일의 권선 방향 및 수는 상기 위치 센서의 출력 신호의 변동을 최대화하도록 선택될 수 있다.
상술한 시스템 및 방법은 키보드와 함께 사용하기에 특히 유리하지만, 이들의 응용은 키보드로 제한되지 않는다.
본 발명에 따르면, 성능이 향상된 키보드 센서 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 키보드 센서 시스템의 능동 공진 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실시예들에 따른 키보드 센서 시스템의 수동 공진 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 실시예들에 따른 능동 공진 회로를 위한 인쇄 회로 설계의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3b는 실시예들에 따른 패시브 동조 공진 회로를 위한 인쇄 회로 설계의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드의 키를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 실시예들에 따른 동기 복조기(synchronous demodulator)를 포함하는 판독 전자 회로(read-out electronic circuit)의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 능동 공진 회로 및 인접한 수동 공진 회로 사이의 간섭을 최소화하기 위한 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드 상의 복수 개의 키들의 위치를 결정하기 위해, 복수의 능동 공진 회로를 멀티플렉싱하는데 사용되는 시분할 멀티플렉싱 회로의 타이밍 다이어그램(a timing diagram of a time division multiplex circuit)을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드 상의 복수 개의 키들의 위치를 결정하기 위해, 복수의 능동 공진 회로를 멀티플렉싱하는데 사용되는 시분할 멀티플렉스 회로도의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드 상의 키의 변위에 대한 센서 아웃풋값을 도시한 그래프이다.
도 10은 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드의 시간에 대한 키의 측정 위치 및 측정 속도값을 도시한 그래프이다.
도 11은 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드 상의 키의 감지된 위치를 교정하는 예시적인 교정절차를 도시한 순서도이다.
도 12는 실시예들에 따른 뮤지컬 키보드 상의 키에 대한 노트-온 이벤트, 노트-오프 이벤트, 표현 이벤트 및 압력 이벤트를 검출하는데 사용되는 예시적인 알고리즘을 도시한 것이다.
도 13은 코일이 권선된 센서 공진 회로의 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 복수의 이동 가능한 키들을 갖는 뮤지컬 키보드에 있어서, 각각의 이동 가능한 키(Fig. 4)는 피복 포인트(17)를 중심으로 회전하되, 스프링(16) 또는 다른 기계적 연결에 의해 이동이 제한되는 이동 가능한 상부 부재(15); 고정 바닥 부재(14); 상기 상부 부재의 움직임을 제한하는 변형 가능한 엔드-스톱(end-stop)(18); 및 능동 공진 회로(10)를 전기 반응성 요소(11)에 유도적으로 결합하고(이하, 타겟이라고 칭함), 상기 능동 공진 회로와 상기 타겟의 상호 분리에 따라 변하는 신호를 제공하는 위치 센서, 상기 능동 공진 회로에 연결된 구동 전자 장치 및 상기 능동 공진 회로에 연결된 판독 전자 장치를 포함하는 시스템일 수 있다.
도 1을 참조하면, 능동 공진 회로는 입력 저항 소자 (4), 코일(1), 2 개의 용량성 소자(2,3), 출력 저항 소자(5), 구동 전자 장치를 상기 입력 저항 소자(4)에 연결하는 수단(6) 및 판독 전자 장치를 상기 출력 저항 소자(5)에 연결하는 수단(7)을 포함할 수 있다. 상기 입력 저항 소자는 생략될 수 있지만, 입력 저항 소자를 포함하는 경우, 상기 구동 전자 장치로부터 상기 능동 공진 회로에 공급되는 전류를 제한하여 동작 전류를 감소시키고, 따라서 상기 능동 공진 회로로부터의 전력 소비 및 전자기 방출을 감소시킨다. 또한, 상기 판독 전자 장치가 상기 능동 공진 회로에 연결될 때 근접 검출의 감도를 증가시킨다. 따라서, 상기 입력 저항 소자를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 출력 저항 소자는 생략될 수 있지만, 상기 출력 저항 소자를 포함하는 경우, 상기 능동 공진 회로의 임피던스에 대한 와이어 연결의 영향을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 구동 전자 장치 및 판독 전자 장치에 대한 연결 길이에 관계없이 모든 위치 센서가 본직적으로 동일하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 출력 저항 소자를 포함하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 반응성 요소는 바람직하게는 코일(8) 및 용량성 소자(9)를 포함하는 수동 공진 회로를 포함하며, 여기서 상기 코일 및 상기 용량성 소자는 폐쇄형 공진 LC 회로를 형성하도록 연결된다. 코일들 각각(1, 8)의 크기 및 인덕턴스 값이 실질적으로 유사 할 필요는 없다. 상기 용량성 소자(9)의 캐패시턴스의 값은 바람직하게는 도 1의 능동 공진 회로의 공진 주파수와 일치하도록 상기 수동 공진 회로의 공진 주파수가 선택된다. 상기 수동 및 능동 회로가 이와 같이 튜닝 될 때, 근접하게 위치된 상기 위치 센서가 실질적으로 상이한 공진 주파수로 튜닝되는 복수의 위치 센서를 작동시켜 상기 근접 위치 센서 사이의 상호 작용을 최소화 할 수 있다. 또한, 상기 수동 및 능동 회로가 튜닝되면, 상기 수동 공진 회로에 더 많은 에너지가 결합 및 소산되기 때문에, 도 1의 7에서의 신호 진폭은 상기 수동 회로와 능동 회로 사이의 거리가 감소함에 따라 감소한다. 신호 진폭의 변동을 측정하는 것이 공진 주파수의 변동을 측정하는 것보다 빠르기 때문에, 상기 능동 공진 회로가 상기 반응성 소자에 근접하여 디튠(detuned)되는 경우에 상기 신호 진폭의 이러한 변동이 바람직하다.
키의 이동 가능한 상부 부재(15)가 전기 전도성 재료를 포함하는 경우, 에어-갭 또는 비전도성 재료를 포함하는 스페이서(13)는 전기 반응성 요소(11)와 상기 상부 부재(15) 사이에 개재될 수 있다. 유사하게, 고정된 하부 부재(14)가 전기 전도성 재료를 포함하는 경우, 에어-갭 또는 비전도성 재료를 포함하는 스페이서(12)는 능동 공진 회로(10)와 상기 고정된 하부 부재(14) 사이에 개재될 수 있다.
구동 전자 장치는 능동 공진 회로의 공진 주파수와 같거나 근접한 주파수에서 발진 전압 구동 파형을 생성하는 수단을 포함한다. 일반적으로, 그러나 비제한적인 예로서, 상기 파형은 마이크로 컨트롤러 타이머 또는 디지털 또는 아날로그 타이밍 회로의 출력에 의해 생성된 스퀘어 파형일 수 있다.
판독 전자 장치는 판독점(7)에서 신호의 진폭에 비례하는 전압을 발생시키는 수단을 포함한다. 전형적으로, 그러나 비제한적인 예로서, 판독 전자 장치는 동기 복조기 회로를 포함한다.(도 5) 상기 판독점으로부터의 신호는 20에 연결되고, 19에 연결된 발진 전압 구동 파형에 의해 제어되는 아날로그 스위치(22)에 의해 복조되고, 위상은 위상 시프팅 요소(21)에 의해 선택적으로 조정된다. 그리고 저주파(또는 dc) 전압은 저항 요소(23) 및 용량성 요소(24)를 포함하는 저역 통과 필터에 의해 25에서 제공된다. 대안적인 판독 전자 회로는 본 기술 분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 위상-감지 정류기(phase-sensitive rectifiers, phase-insensitive rectifiers), 비동기 복조기(non-synchronous demodulators) 및 피크 검출기를 포함할 수 있다.
능동 공진 회로 및 수동 공진 회로에 각각 사용 된 코일(1, 8)은 각각 임의의 유형일 수 있다. 그러나 인쇄 회로 기판의 트랙에 의해 형성된 평면 나선 코일을 사용하면 세 가지 주요 이점이 있을 수 있다. 저렴하고 재현성이 뛰어난 인덕턴스 값으로 만들 수 있으며, 인쇄 회로 기판은 또 다른 구성 요소, 즉 용량성 소자 (2, 3, 9) 및 저항성 소자(4, 5)를 장착하는데 사용될 수 있다. 따라서, 인덕턴스 값이 밀접하게 일치하는 복수의 코일을 설계하는 것이 가능할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 전형적인 능동 공진 회로는 단일의 전기 전도성 층 또는 복수의 전기 전도성 층을 포함하는 인쇄 회로 기판 상에 형성 될 수 있으며, 코일(1)은 상기 트랙의 전기적 연속성을 갖는 연속 나선형 트랙으로 형성될 수 있다. 연결 비아(53)를 통해 연결 와이어 또는 다른 전도성 층상의 다른 나선형 트랙 또는 상기 인쇄 회로 기판의 복수의 전도성 층상의 복수의 나선형 트랙에 전기적으로 연결되어 유지되고; 용량성 요소(2, 3) 및 저항성 요소(4, 5) 는 근접하여 위치되고; 그리고 연결 지점(6, 7)은 각각의 구동 전자 장치 판독 전자 장치를 위해 제공된다.
유사하게, 도 3b를 참조하면, 전형적인 수동 공진 회로는 단일의 전기 전도성 층 또는 복수의 전기 전도성 층을 포함하는 인쇄 회로 기판 상에 형성될 수 있다. 코일(8)은 연속적인 나선 트랙으로 형성되며, 상기 트랙의 전기적 연속성은 연결 비아(54)를 연결 와이어 또는 다른 전도성 층 상의 다른 나선 트랙 또는 상기 인쇄 회로 기판의 복수의 전도성 층 상의 복수의 나선 트랙과의 연결을 통한 전기적 연결에 의해 유지되고, 용량성 소자(9)는 근접하여 위치된다.
본 발명자들은 능동 공진 회로로부터의 전자기 방출 및 상기 능동 공진 회로의 전자지 간섭 신호에 대한 감수성은 상기 능동 공진 회로의 유도 코일이 복수의 전기적으로 연결된 1차 작은 코일들로부터 형성될 때(상기 1차 작은 코일의 권취 방향은 상기 1차 작은 코일로부터 방사되는 전자기파 장(electro-magnetic far field)의 합이 실질적으로 0이 되도록 선택된다) 실질적으로 감소될 수 있음을 발견하였다. 상기 유도 코일(1)의 특히 적합하지만 비제한적인 예로서, 도 13a에는 반대 권선 방향(58)으로 감긴 2 개의 작은 코일이 직렬로 연결되어 8자형 코일(figure-of-eight)을 형성한다. 이러한 배열에서, 제1 하프 8자형 코일(56)에서 방사된 전자기장은 제2 하프 8자형 코일(57)에서 방사된 전자기장과 크기는 동일하지만 반대의 극성을 가질 수 있다. 따라서, 8자형 코일로부터 방사되는 전자기장은 실질적으로 0일 수 있다.
이러한 구성에서, 상기 수동 공진 회로의 유도 코일이 능동 공진 회로의 8자형 코일의 절반(56 또는 57)에만 기본적으로 유도 결합하지 않는 한, 도 3b에 도시된 수동 공진 회로는 효과적이지 않을 수 있다. 위치 센서의 출력 신호를 최대화하려면, 상기 수동 공진 회로의 상기 유도 코일은 도 13b에 도시된 바와 같이, 8자형 유도 코일과 유사하게 형성되는 것이 바람직하고, 상기 8자형 유도 코일은 서로 다른 방향(58)으로 권선되고 직렬로 배선된 2개의 작은 코일을 포함하며, 각각의 상기 작은 코일은 상기 능동 공진 회로의 8자형 코일의 작은 코일들과 유도적으로 결합할 수 있다.
본 발명자들은 제1 능동 공진 회로의 제1 공진 주파수로 동조된 제1 수동 공진 회로가 실질적으로 다른 제2 공진 주파수로 동조된 인접한 제2 능동 공진 회로의 출력에 실질적으로 영향을 미치지 않지만, 제2 공진 주파수로 동조된 대응하는 제2 수동 공진 회로가 근접하여 위치 될 때, 제1 수동 공진 회로의 이동은 제1 수동 공진 회로와 제2 수동 공진 회로 사이의 상호 결합으로 인해 제2 능동 공진 회로의 출력에 영향을 줄 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 바람직하지 않은 상호 작용은 도 6에 도시 된 바와 같이 물리적으로 인접한 수동 공진 회로의 위치를 오프셋함으로써 최소화될 수 있다. 여기서 능동 공진 회로(26) 및 수동 공진 회로 (28)는 제1 공진 주파수로 동조되고 능동 공진 회로(27) 및 수동 공진 회로(29)는 제2 공진 주파수로 동조된다.
다른 바람직한 실시 예에서, 뮤지컬 키보드의 이동 가능한 키상의 위치 센서는 시분할 멀티플렉싱 방식에 의해 제어되어, 위치 센서의 서브 세트가 임의의 주어진 시간에 가능해질 수 있다. 16개 이상의 키를 갖는 일반적인 음악 키보드의 경우, 이러한 바식은 비용, 복잡성, 전력 소비 및 전자기 방출을 줄이는 이점이 있다.
제1 공진 주파수에서 작동하는 제1 위치 센서와 실질적으로 다른 제2 공진 주파수에서 작동하는 제2 위치 센서가 근접하여 위치하는 경우, 위치 센서들은 제1 위치 센서의 출력 및 제2 위치 센서의 출력이 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수의 주파수 차이와 동일한 변동 주파수로 변하는 간섭 성분을 포함하는 방식으로 상호 작용할 수 있다. 재구성 저역 통과 필터의 차단 주파수가 상기 주파수 차이보다 실질적으로 낮을 때 상기 위치 센서의 출력의 동기 복조는 상기 간섭 성분을 실질적으로 제거할 수 있다. 그러나, 상기 저역 통과 필터의 시간 응답은 원하지 않은 상기 위치 센서의 응답 속도를 제한 할 수 있다. 따라서, 이러한 간섭을 최소화하는 메커니즘이 요구된다. 물리적으로 인접한 센서가 동시에 구동되지 않는 시분할 멀티플렉싱 방식을 사용하면 이 문제를 피할 수 있다.
실제로 동기 복조(synchronous demodulation)가 좋은 성능을 위해 필요하지 않다는 것이 밝혀졌다.
도 7을 참조하면, 이러한 메커니즘의 하나의 예시적인 예로서, 위치 센서의 서브 세트(제1 공진 주파수(F1)에서 작동하는 위치 센서(30)가 제2 공진 주파수(F2)에서 작동하는 위치 센서(31)에 인접)에 대한 타이밍도로서 도시 된다. 각각의 시간 슬롯에서, 제1 공진 주파수에서 작동하는 하나의 위치 센서만이 활성화되고, 제2 공진 주파수에서 작동하는 하나의 위치 센서 만이 활성화된다. 또한, 물리적으로 인접한 위치 센서는 동시에 활성화되지 않으므로 상기 간섭 성분을 최소화한다. 위치 센서의 복수의 상기 서브 세트는 동시에 작동 될 수 있다.
넓은 의미에서, 도 7의 멀티플렉싱된 키들에서, 검은 색으로 표시된 키들과 흰색으로 표시된 키들은 각각 키 그룹을 형성할 수 있다. 하나의 키 그룹의 센서들은 다른 키 그룹의 센서들과 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 검은 색으로 표시된 키들과 같은 그룹은 8개의 시간 슬롯이 있으며, 모든 8번째 키는 동시에 활성화(구동)된다. 당업자는 이 방식이 k개의 시간 슬롯에 적용되는 경우, 모든 k번째 키가 동시에 구동된다는 것을 이해할 수 있다.(동시에 구동되는 키는 그들 사이에 k-1개의 비활성 키들을 갖는다.) 동시에 활성된 그룹들의 키들(검은 색 키들 및 흰색 키들)은 가능한 한 (물리적으로) 분리될 수 있다.
일 실시예들에 따르면, 센서 시스템은 다른 공진 주파수를 가진 다른 키 그룹들을 사용하지 않을 수 있다. 대신에 모든 센서들은 실질적으로 동일한 공진 주파수를 가질 수 있다. 이러한 접근법은 도 13을 참조하여 후술할 코일 디자인에 의해 구현될 수 있다. 따라서, k개의 시간 슬롯이 있을 수 있고, 모든 k번째 키들이 동시에 활성화(구동)될 수 있다. 즉, 동시에 구동되는 키들은 그들 사이에 k-1개의 비활성 키를 가질 수 있다.
단일 공진 주파수에서 동작하는 위치 센서의 서브 세트에 대한 예시적인 시분할 멀티플렉싱 방식은 도 8에 도시되어 있다. 도 8의 시스템에서, 프로세서(35)는 공진 위치 센서의 능동 공진 회로의 주파수와 일치하는 구동 파형 (36)을 생성하고; 프로세서는 어느 위치 센서가 인에이블(enable)되는지를 선택하기 위해 선택기 신호(37)를 생성하고; 위치 센서들의 출력들(7)은 아날로그 멀티플렉서 (34)에 연결되고; 아날로그 멀티플렉서의 출력은 용량성 요소(24) 및 아날로그 멀티플렉서 내의 저항성 요소를 포함하는 저역 통과 필터를 통해 프로세서 내의 아날로그-디지털 변환기에 연결되고; 및 프로세서로부터의 출력(55)은 위치 센서들의 위치 및 속도에 관한 정보를 전송하는데에 사용될 수 있다.
아날로그 멀티플렉서를 사용하여 위치 센서의 출력을 아날로그-디지털 변환기에 연결하는 것의 이점은, 아날로그 멀티플렉서는 동기 복조에 사용되는 아날로그 스위치(22)의 기능을 수행할 수 있으며, 이에 의해 아날로그 멀티플렉서의 출력은 구동 파형(36)에 연결된 인에이블(enable) 입력(39)을 통해 동기적으로 활성화 및 비활성화될 수 있다는 점이다. 복수의 위치 센서가 실질적으로 다른 공진 주파수에서 작동하는 경우, 시분할 멀티플렉싱 방식은 필요에 따라 복제될 수 있다. 적합한 프로세서는 ARM Cortex-M0일 수 있다.
도 8은 단지 하나의 디멀티플렉서(demultiplexer)/멀티플렉서를 도시하지만, 다수의 공진 주파수가 존재하는 경우, 하나의 디멀티플렉서/멀티플렉서가 공진 주파수 각각에 사용될 수 있다. 예를 들어, 대체 공진 주파수가 키보드의 대체 키에 매핑되는 제2 디멀티플렉서/멀티플렉서가 사용될 수 있다.
(선택적) 동기식 복조기 회로의 출력을 다이오드(40), 용량성 소자(24) 및 저항성 소자(41)와 스위칭 소자(42)(용량성 소자(24)의 전하를 리셋하기 위해) 중 어느 하나를 포함하는 피크 검출 회로에 결합함으로써 위치 센서의 능동 공진 회로 또는 수동 공진 회로의 디튜닝(detuning)에 대한 감도 감소 (예를 들어, 컴포넌트 공차의 변동에 의해 야기 됨)가 촉진 될 수 있다. 스위칭 소자가 사용되는 경우, 상기 스위칭 소자는 멀티플렉서를 제어하는데 사용되는 선택기 신호와 동기적으로 검출 된 피크 레벨을 리셋 할 수 있다.
검출기(판독 회로)로부터의 신호는 아날로그-디지털 변환기(38)에 입력될 수 있고, 예를 들어, 프로세서(35)의 아날로그 입력으로 통합될 수 있다.
비활성화 된 위치 센서의 능동 공진 회로가 구동되지 않는 경우, 능동 공진 회로는 튜닝 안테나로서 작용한다. 이는 비활성화 된 위치 센서에 대응하는 대상을 이동시키면, 유사하게 조정된 위치 센서가 비활성화 된 위치 센서에 물리적으로 인접하지 않은 경우에도, 유사하게 조정된 위치 센서(a similarly-tuned position sensor)의 출력에 영향을 줄 수 있는 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그리고 타겟의 움직임은 도 4 및 도 6에 따라 비활성화 된 위치 센서 위의 정상 한계 내에 있도록 제한될 수 있다. 상기 부정적인 효과는, 예를 들어 전자 스위칭에 의해 능동 튜닝 된 공진 회로의 커패시턴스, 저항 또는 인덕턴스를 변경하는 것과 같이, 비활성화 기간 동안 비활성화 된 위치 센서의 능동 공진 회로의 공진 주파수를 변경함으로써 감소 될 수 있다. 가장 간단한 방법은 비활성화 된 센서를 직류 또는 저주파 신호로 구동하여 공명을 방지함으로써 수행 할 수 있다. 도 8을 참조하면, 시분할 멀티플렉싱 방식에서 이를 달성하기 위한 특히 유리한 방법은 디지털 디멀티플렉서(demultiplexer)(33)를 사용하여 능동 공진 회로의 입력(6)을 구동하되, 보다 구체적으로는 활성화 된 위치 센서의 능동 공진 회로는 능동 공진 회로의 공진 주파수에서의 파형(36)에 의해 구동되고, 비활성화 된 위치 센서의 능동 공진 회로는 상기 디지털 디멀티플렉서의 로직-하이(logic-high) 및 로직- 로우(logic-low)에 대응하는 직류 신호에 의해 구동된다.
음악 키보드의 성능에 있어서, 음악 키보드가 작동 온도 범위에서 안정적이어야 하는 점은 매우 중요하다. 본 명세서에 기술 된 바와 같이 위치 센서에 의해 사용되는 동조 공진 회로는 우수한 온도 안정성을 갖고, 특히 동조 공진 회로가 인쇄 회로 기판 상에 형성되고 동조 공진 회로의 용량성 요소가 온도-안정성 유전체(Class 1 dielectrics))를 포함하는 경우에 우수한 온도 안정성을 갖지만, 회로 내의 다른 전자 소자는 온도에 따라 변화하는 특성을 가질 수 있으며, 이는 동작 온도의 변화에 따라 위치 센서의 출력 신호의 변화를 야기 할 수 있다. 이러한 전자 소자는 다이오드(40), 디지털 디멀티플렉서(33), 아날로그 멀티플렉서(34), 저항 소자(4, 5, 41), 인쇄 회로 기판상의 트랙 및 전압 조정기를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 따라서, 온도 보상 방식은 작동 온도의 변화에 의해 야기되는 음악 키보드 상의 복수의 위치 센서의 출력 신호의 변동을 최소화하는데 유용 할 수 있다.
특히 적합하지만 비제한적인 예로서 상기 온도 보상 방식은 위치 센서의 수동 공진 회로가 위치 센서의 출력 신호에 영향을 미치지 않도록 직류 또는 저주파 신호로 위치 센서의 능동 공진 회로를 구동하면서, 위치 센서의 출력 신호의 측정을 수행하는 단계, 첫 번째 측정은 교정 절차 동안 수행될 수 있고, 후속 측정은 예를 들어, 시분할 멀티플렉싱 방식의 추가 시간 슬롯 내에서 주기적으로 수행 될 수 있고; 후속하는 제1 측정치로부터 측정치를 차감함으로써 출력 신호에서 온도-의존적 오프셋을 계산하는 단계; 및 상기 능동 공진 회로로의 공진 주파수와 동일하거나 그와 유사한 주파수에서 상기 능동 공진 회로가 구동 될 때 상기 출력 신호의 측정에 상기 오프셋을 부가하여 위치를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 온도 보상 방식은 뮤지컬 키보드의 각 위치 센서, 뮤지컬 키보드의 각 위치 센서 그룹 또는 음악 키보드의 모든 위치 센서를 위해 하나의 온도 의존적 오프셋을 이용할 수 있다.
전술 한 바와 같이 멀티플렉싱 방식을 이용하는 이동 가능한 키를 갖는 음악 키보드는 상기 키의 위치를 빠르고 정확하게 측정 할 수있게 한다. 예를 들어, 선택기 신호(37)의 업데이트 빈도가 적어도 32,000Hz 이상인 도 8에 도시 된 예를 멀티플렉싱하는 것이 가능하며, 따라서 8 개의 상기 이동 가능한 키의 서브 세트에서 각각의 이동 가능한 키의 위치가 4,000Hz의 주파수에서 결정될 수 있게 한다. 이 예는 이동 가능한 키의 다른 서브 세트에 대해 복제 및 병렬로 실행될 수 있으므로 88 개의 키가 있는 풀 사이즈 피아노 키보드가 키의 위치를 최소 352,000 키/초의 속도로 결정할 수 있다. 본 발명자들은 노트-온 이벤트 및 노트-오프 이벤트의 적절한 타이밍을 허용하고, 상기 이벤트들과 관련된 키의 속도를 결정하기 위해, 상기 키의 위치는 88 개의 키에 대해 적어도 22,000 개의 키/초의 속도에 상응하여 초당 250 회 이상으로 결정되어야한다는 것을 발견했다. 설명된 시스템의 구현은 이러한 목표를 쉽게 초과할 수 있다.
도 9를 참조하면, 시스템의 예시적인 구현에 따른 음악 키보드상의 이동 가능한 키가 눌려지는 경우, 상기 키의 3개의 주요 위치가 존재할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 키가 휴지 상태일 때의 휴지 위치 Kmax(43); 이동 가능한 상부 부재(13)가 변형 가능한 엔드-스톱(18)과 처음 접촉할 때의 포인트인 위치 Kzero(44); 및 변형 가능한 엔드-스톱(18)이 최대로 변형되는 것으로 간주될 수 있고, 전형적인 뮤지션에 의해 상기 키에 가해지는 최대 압력의 지점에 대응하는 최대 눌림 위치 Kmin(45)가 있을 수 있다. 기계적 변동 및 전자 부품 공차로 인해 이러한 복수의 이동 가능한 키의 경우, 제1 키의 1차 위치 중 어느 하나에서의 제1 키의 위치 센서의 출력 신호가 제2 키의 동일한 1 차 위치에서 제2 키의 위치 센서의 출력 신호와 동일 할 가능성은 거의 없다. 따라서, 임의의 이동 가능한 키의 위치가 상기 이동 가능한 키의 각각의 주요 위치에 대해 알려 지도록 교정 절차가 필요하다. 이러한 교정 절차는 도11에 나와 있다.
이동 가능한 키의 위치가 기본 위치 Kmax와 Kzero 사이 인 경우, Kmax와 Kzero 사이의 눌림 비율에 따른 키의 보정 된 위치 K는 다음 방정식을 사용하여 키의 측정 된 위치 Ko에서 계산할 수 있다.
K = 100 % x (Ko-Kzero)/(Kmax - Kzero).
움직일 수있는 키의 위치가 기본 위치 Kzero와 Kmin 사이 인 경우, Kzero와 Kmin 사이의 눌림 비율로 키의 보정 된 위치 Kpress(그림 9의 50)는 다음 방정식을 사용하여 키 Ko의 측정 된 위치에서 계산할 수 있다.
Kpress = 100 % x (Ko-Kmin)/(Kzero - Kmin).
이러한 경우, Kpress는 상기 키의 함몰 범위(50)에 대응하여 상기 키에 가해지는 압력의 양인 것으로 간주 될 수 있다.
일부 실시 예들에서, Kpress의 계산은 오프셋 Kpoff를 포함 할 수 있고, 여기서 키의 위치 Ko가 (Kzero-Kpoff)와 Kmin 사이에있을 때까지 Kpress는 0이고; Kpress의 계산은 아래의 식과 같을 수 있다.
Kpress = 100 % x (Ko - Kmin)/(Kzero - Kpoff - Kmin).
상기 오프셋은 상기 키의 위치 변화가 상기 키의 보정 된 위치 K의 변화 및 Kpress의 변화가 없는 데드 존을 생성한다. 이것은 애프터 터치 임계 값의 구현을 용이하게 한다.
전형적인 뮤지컬 키보드에서, 키의 누름이 2차 위치 Kon을 넘어 서면 키보드상의 각각의 움직일 수 있는 키가 노트 온 이벤트를 발행하고 키의 누름이 다른 보조 위치 Koff로 리턴 될 때 노트 오프 이벤트를 발행하는 것이 바람직하다. 경우에 따라 Kon은 Koff와 같을 수 있지만 Kon과 Koff가 다른 것이 바람직하다. 도 9를 참조하면, 바람직하게는 2차 위치 Kon (48)이 1차 위치 Kzero (44) 근처에 있도록 선택된다. 마찬가지로, 2차 위치 Koff(47)는 상기 2차 위치 Kon 에 근접하도록 선택된다.
일부 실시 예들에서, 제1 노트 온 이벤트를 발행 한 후, 제2 노트 온 이벤트를 발행하고, 선택적으로 상기 이동 가능한 키의 누름이 2차 위치 Kon 이전의 위치이지만 2차 위치 Koff로 돌아 오지 않은 상태에서 이동 가능한 키의 눌림은 2차 위치 Kon 이외의 위치로 변경될 수 있다. 이는 리트리거링(re-triggering)을 용이하게 할 수 있다.
일부 실시 예에서, 각각의 이동 가능한 키의 2차 위치 Koff(46)는 1차 위치 Kmax (43) 근처에 있도록 선택될 수 있다. 이러한 배열은 상기 키의 위치가 측정 된 노트-오프 이벤트를 발행하기 전에 표현 이벤트를 발행하는데 사용될 수 있게할 수 있다. Koff와 Kzero 사이의 상기 키의 위치 Ko는 상기 키의 눌림 범위 (49)에 대응하는 보정된 표현 값 Kexp를 계산하는 데 사용될 수 있고, Kexp의 계산식은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Kexp = 100 % x (Ko - Kzero)/(Koff - Kzero)
일 실시예에 따르면, 비 제한적인 예로서, 도 12에 도시 된 하나의 특정 알고리즘은 뮤지컬 키보드상의 각각의 이동 가능 키에 사용될 수 있으며, 여기서 기본 이동 위치 Kmax, Kzero 및 Kmin을 사용하여 보정 되고, 2차 위치 Kon 및 Koff를 사용하여, 뮤지컬 키보드상의 각각의 이동 가능한 키에 대한 노트-온 이벤트, 노트-오프 이벤트, 표현 이벤트 및 압력 이벤트를 발행하는데 사용될 수 있다.
이동 가능한 키의 기본 위치 Kmax 및 Kzero에서 음악 키보드의 이동 가능한 키의 2차 위치 Kon 및 Koff를 유도하는 특별한 이점은 상기 2차 위치는 간단한 수치 계산에 의해 쉽게 수정 될 수 있고, 상기 음악의 응답이 변형되는 것을 허용한다는 것이다. 또한, 이러한 변형은 복수의 이동 가능한 키를 갖는 음악 키보드 상의 각각의 키마다 다를 수 있으며, 음악 키보드에 대한 기계적 변화를 요구하지 않으면서 넓은 범위의 응답이 달성될 수 있게 할 수 있다.
뮤지컬 사운드 제작 시스템의 추가적인 표현 제어를 제공하기 위해 뮤지컬 키보드가 노트-온 이벤트 및 노트-오프 이벤트와 관련된 속도 정보를 전송하는 것이 일반적이다. 이러한 속도 정보는 2개의 알려진 키 눌림 시점 사이의 시간 간격을 측정하거나 2개의 알려진 시점에서 상기 키 눌림에서의 변화를 반대로 측정함으로써 결정될 수 있다.
실시예들에 따르면, 이동 가능한 키의 속도(속력 및 방향)는 평균화, 필터링 또는 유사한 방법을 사용한 복수의 대응되는 시간에의 키의 복수의 위치로부터 결정된다. 상기 속도를 계산하는 방법은 후술한다. 상기 속도를 계산하는 방법은 다른 방법에 비해 몇 가지 장점이 있을 수 있다. 2점 측정 방법에 사용되는 선형 속도 프로파일을 가정하지 않지만, 상기 키의 눌림 범위 전체에 걸친 속도 변화를 검출 할 수 있으므로, 측정된 속도 값은 키의 실제 속도를 더 잘 나타내어 키의 응답을 보다 일관성 있게 만들 수 있다. 더 많은 수의 통계적으로 중요한 데이터 포인트가 사용되기 때문에 더 높은 해상도 및 속도의 정밀도가 결정되어 키의 미래 위치에 대한 예측을 허용하도록 계산할 수 있다. 예를 들어, 상기 키의 위치가 추정될 2차 위치 Kon 및 Koff와 동일한 미래 시간은, 이에 대응하는 물리적 이벤트에 앞서 노트-온 또는 노트-오프 이벤트가 발행될 수 있게 하여 음악 사운드 제작에서의 레이턴시(latency)를 보상할 수 있다.
일 실시예에 따른 필러팅 과정은 아래와 같을 수 있다.
deltaV = deltaPos (i.e. the change in position between fixed time steps)
alpha = k * abs(deltaV)
필터링 계수 alpha는 deltaV의 크기에 의존하고, 오버플로우/언더 플로우를 피하기 위해 alpha는 적절한 값으로 제한될 수 있다.
velocity = alpha * last_velocity + deltaV * (1 - alpha)
디지털 도메인에서 구현 될 수 있는 이러한 방법은 필터링으로 인해 개선 된 해상도를 제공 할 수 있으며, 이는 매우 빠르게 움직이는 키에 대한 시간 응답을 크게 손상시키지 않으면서 매우 느리게 움직이는 키에 특히 중요할 수 있다. 필터링 및/또는 최대 허용 속도 값을 수정하면 악기의 느낌을 수정하여, 예를 들어 더 하드하거나 소프트한 반응을 줄 수 있다.
이러한 방법의 이러한 이점을 설명하기 위해, 도 10은 이동 가능한 키의 교정 된 위치(51) 및 상기 키의 대응하는 교정 된 속도(52)를 도시하며, 여기서 상기 키의 누름은 상기 키의 누름 시작의 7ms 내에 1 차점 Kzero (44)에 도달할 수 있다. 그림 10의 플롯은 차별화 된 위치에서 직접 계산 된 속도와 비슷하지만 위치가 느리게 이동하면 속도 필터링이 무거워 속도가 약간 느려질 수 있다. 이러한 방법은 다른 방법보다 음악 키보드에서 움직일 수 있는 키의 속도에 관해 실질적으로 더 많은 정보를 산출 할 수 있다.
음악 키보드를 위한 움직임 센서 시스템 및 키보드 악기를 위한 센서 시스템 및 방법이 설명되었다. 그러나, 기술 된 기술은 음악 키보드에 제한되지 않으며, 예를 들어 컴퓨터 키보드에 사용될 수도 있다.
예를 들어, 일부 구현들에서, 상술 된 기술들은 랩탑 키보드에서 이용 될 수 있다. 이 경우, 수동 및 능동 공진 회로 중 하나 또는 둘 모두가 가요성 PCB 상에 장착 될 수 있다. 예를 들어, 수동 공진 회로는 키 아래, 가요 성 PCB 상에 장착 될 수 있고 능동 공진 회로는 하부 강성 PCB 상에 장착 될 수 있다. 위치 감지 능력은, 예를 들어 능동 및 수동 공진 회로 사이에 일부 탄성 재료가 제공되는 경우 키에 가해지는 압력을 감지하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 예를 들어 랩톱, 컴퓨터 또는 다른 키보드에서, 키들이 평평하거나 곡면 상에 2D 패턴으로 배열되는 경우, 멀티플렉싱은 예를 들어 위에서 설명 된 것과 일반적으로 대응하는 방식으로 배열 될 수 있다. 따라서, 2 차원에서 인접한 키들은 동시에 구동되지 않을 수 있다.
예를 들어, 키보드에 의해 정의된 표면에서 2 차원 각각의 직사각형 2D 그리드 교대 키는 교대 시간 슬롯에서 활성화 될 수 있다. (즉, 2 개의 비인접 키 세트가 식별 될 수 있음) 이것은 인접하지 않은 키 세트가 유사하게 식별 될 수 있는, 육각형 및 다른 그리드에 의해 정의된 키 레이아웃으로 확장될 수 있다. 키보드에 의해 정의 된 표면에서 서로 인접한 키는 대상 키를 읽을 때 비활성 및/또는 댐핑될 수 있다. 그러나, 전술 한 바와 같이, 멀티플렉싱은 키보드의 다중 키를 동시에 판독하도록 구성 될 수 있다. 설명된 기술은 저렴하게 제조 될 수 있고, 예를 들어 1ms 미만의 응답 시간으로 매우 빠르기 때문에 컴퓨터 및 다른 키보드에 유리할 수 있다.
다른 구현에서, 상기 기술은 압력을 감지하기 위해 사용될 수 있으며, 센서는 수동 공진 회로와 능동 공진 회로 중 하나 또는 둘 다 사이 및/또는 사이에 변형 가능한 요소, 예를 들어 고무 블록 또는 층을 더 포함할 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어 전자 드럼 패드용 센서로서 사용될 수 있다.
일 실시예들은 다음 항목들 C1-C25 에서 정의된다.
C1. 복수의 키 센서들. 키 센서들 각각은 수동 공진 회로 및 능동 공진 회로를 포함하되 수동 공진 회로는 공진 주파수를 가지고, 능동 공진 회로는 공진 주파수에서 수동 공진 회로를 여기시키도록 구성되고;
공진 주파수에서 RF 구동 신호로 능동 공진 회로를 구동하는 적어도 하나의 센서 드라이버;
동시에 구동하는 키 센서들이 (k-1)개의 키들로 분리되도록 상기 구동 신호를 멀티플렉싱하는 멀티플렉싱 시스템, (k-1)은 1 이상의 정수이고; 및
키 센서와 관련된 키의 위치 및 속도를 감지하기 위해 구동된 키 센서로부터 RF 신호의 레벨을 검출하는 적어도 하나의 검출기를 포함하는 키보드용 센서 시스템.
C2. C1의 센서 시스템에 있어서, 키 센서들 중 구동되지 않은 키 센서들의 능동 공진 회로들을 감쇠시키도록 구성되는, 키보드용 센서 시스템.
C3. C1 또는 C2의 센서 시스템에 있어서, 능동 공진 회로는 반대로 감긴 적어도 하나 이상의 코일들을 포함하고, 반대로 감긴 적어도 하나 이상의 코일들은 서로 상쇄하는 자기장을 생성하도록 구성되는 키보드용 센서 시스템.
C4. C1, C2, 또는 C3의 센서 시스템에 있어서, 능동 공진 회로는 서로 측방향으로 인접한 한 쌍의 팬케이크 코일들(pancake coils)을 포함하는 키보드용 센서 시스템.
C5. C1 내지 C4 중 어느 한 센서 시스템에 있어서, 검출된 RF 신호의 레벨을 온도 보상(temperature-compensation)하기 위한 온도 보상 시스템을 더 포함하되,
온도 보상 시스템은 적어도 하나의 검출기로부터 오프-공진 구동 신호의 레벨을 측정하고, 오프-공진 구동 신호의 레벨에 응답하여 RF 신호의 검출된 레벨을 측정하기 위해, 능동 공진 회로들 중 적어도 하나에 오프-공진 구동 신호(off-resonance drive signal)를 인가하도록 구성되는 키보드용 센서 시스템.
C6. C5의 센서 시스템에 있어서, 멀티플렉싱 시스템은 키 센서들 중 어느 하나가 각각의 시간 슬롯 세트에서 구동되도록 하기 위해 RF 구동 신호를 멀티플렉싱하도록 구성되고,
온도 보상 시스템은 추가 시간 슬롯 동안 오프-공진 구동 신호를 시간 슬롯 세트에 적용하도록 구성되는 키보드용 센서 시스템.
C7. C1 내지 C6 중 어느 한 센서 시스템에 있어서, 키 센서들 각각은 변형 가능 요소를 더 포함하되,
변형 가능 요소는 압력 감지를 위해 수동 공진 회로 및 능동 공진 회로 중 적어도 하나의 움직임을 제한하도록 구성된 키보드용 센서 시스템.
C8. 키보드 악기의 키보드를 위한 센서 세트를 포함하는 센서 시스템에 있어서,
키보드는 복수의 키들을 가지고,
센서 각각은 복수의 키들 각각의 이동 부분 상에 장착하기 위한 수동 공진 회로 및 기준 위치에 장착하기 위한 능동 공진 회로를 포함하고,
수동 공진 회로는 공진 주파수를 가지되, 능동 공진 회로는 공진 주파수에서 수동 공진 회로를 여기(excite) 시키고,
센서 각각은 키들의 위치 및 속도를 검출하기 위해, 능동 공진 회로 및 수동 공진 회로의 상대적인 위치에 따른 능동 공진 회로의 공진 신호를 검출하기 위한 검출기를 포함하고,
센서 세트는 2개 이상의 상이한 공진 주파수들을 갖는 센서들을 포함하되, 센서들 중 동일한 공진 주파수를 갖는 센서들은 서로 인접하지 않도록 배열되는 센서 시스템.
C9. C8의 센서 시스템에 있어서, 센서들 중 제1 공진 주파수를 갖는 센서들은 센서들 중 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수를 갖는 센서들과 인터리빙되는(interleaved) 센서 시스템.
C10. C8또는 C9의 센서 시스템에 있어서, 멀티플렉싱 시스템, 및 인접한 센서들이 상이한 시간에 선택되기 위해 센서 세트의 센서들의 선택들을 제어하도록 구성되는 컨트롤러 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 센서 시스템.
C11. C1 내지 C7, C10 중 어느 한 센서 시스템에 있어서, 멀티플렉싱 시스템 및 컨트롤러 중 적어도 어느 하나는 선택되지 않은 센서들의 능동 공진 회로를 감쇠시키도록 추가로 구성되는 센서 시스템.
C12. C10 또는 C11의 센서 시스템에 있어서, 멀티플렉싱 시스템 및 컨트롤러 중 적어도 어느 하나는 센서들의 시분할 멀티플렉싱 동작을 수행하도록 구성되고,
각각의 공진 주파수는 공진 주파수를 갖는 센서 그룹을 정의하고,
시분할 멀티플렉싱 동작은 n개의 시간 슬롯들을 정의하고,
센서 그룹의 연속적인 센서들은 연속적인 시간 슬롯들에 할당되는 센서 시스템.
C13. C12의 센서 시스템에 있어서, N개의 공진 주파수 및 N개의 센서 그룹들이 존재하고,
센서 그룹들의 센서들은 키보드 상에 인터리빙되는(interleaved) 센서 시스템.
C14. C13 의 센서 시스템에 있어서, 멀티플렉싱 시스템 및 컨트롤러 중 적어도 어느 하나는, 동일한 그룹 및 동일한 시간 슬롯에서 활성화된 센서들 사이에 (n x N)-1 개의 센서를 갖도록 구성되는 센서 시스템.
C15. 앞선 항목들 중 어느 하나의 센서 시스템에 있어서, 눌린 키가 해제된 위치와 눌린 위치 사이를 이동하는 연속된 시간 간격 동안 키보드의 각 키의 움직임을 결정하기 위해, 각 센서의 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 처리하여 결정하도록 구성된 프로세서를 더 포함하되,
각 키의 움직임은 키가 해제된 위치와 눌린 위치 사이에서 이동할 때 키의 위치 및 키의 속도를 포함하는 센서 시스템.
C16. 프로세서는 키의 속도를 결정하기 위해 각 센서의 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 처리하도록 구성되고,
키가 눌린 위치와 해제 된 위치 사이에서 연속적인 시간 간격으로 결정된 키의 위치 변화로부터 이동함에 따라, 변화는 키 속도에 따라 필터링되는 센서 시스템.
C17. 앞선 항목들 중 어느 하나의 센서 시스템에 있어서, 센서의 능동 공진 회로에서 공진 신호의 변화를 처리하여 각각의 키에 대한 누름 이벤트 및 해제 이벤트를 결정하도록 구성되는 프로세서를 더 포함하는 센서 시스템.
C18. C15 내지 C17중 어느 하나의 센서 시스템에 있어서, 프로세서는 노트-오프 위치, 노트-온 위치, 및 애프터-터치 위치를 포함하는 적어도 3개의 상이한 키의 위치를 구별하도록 구성되며,
애프터-터치 위치는 노트-온 위치를 넘어서, 키를 누른 후에 키에 가해지는 추가 압력에 따른 센서 시스템.
C19. 앞선 항목들 중 어느 하나의 센서 시스템에 있어서, 센서에 대한 능동 공진 회로를 지지하는 기판을 더 포함하는 센서 시스템.
C20. 앞선 항목들 중 어느 하나의 센서 시스템을 포함하는 키보드 악기용 키보드.
C21. C19 또는 C20의 센서 시스템을 포함하는 다성 애프터 키보드에 있어서, 각각의 키는 변형 가능한 엔드-스톱을 가지며,
애프터-터치 위치는 변형 가능한 엔드-스톱에 의해 정의된 엔드-스톱 위치를 넘어서는 키의 이동에 대응되고,
키에 대한 애프터-터치 위치의 식별은 다성 애프터 터치를 가능하게 하는 다성 애프터 터치 키보드.
C22. 키의 이동 부분에 장착하기 위한 수동 공진 회로 및 기준 위치에 장착하기 위한 능동 공진 회로를 포함하는 센서를 각 키에 제공하는 단계,
수동 공진 회로는 공진 주파수를 가지고, 능동 공진 회로는 공진 주파수에서 수동 공진 회로를 여기시키고, 센서는 키의 위치 및 속도를 검출하기 위해, 능동 공진 회로와 수동 공진 회로의 상대적 위치와 함께 능동 공진 회로에서의 공진 신호의 변화를 검출하고;
2개 이상의 서로 다른 공진 주파수에서 작동하는 센서들을 동일한 공진 주파수를 갖는 센서들이 인접하지 않도록 배열하는 단계; 및
능동 공진 회로 중 적어도 하나의 코일을 반대 방향으로 감도록 구성하여 센서들 간의 간섭을 감소시키는 단계를 포함하는 악기용 키보드의 키의 위치를 감지하는 방법.
C23. C22의 방법에 있어서, 노트-오프 위치, 노트-온 위치, 및 애프터-터치 위치를 포함하는 적어도 3개의 상이한 키의 위치를 구별하는 다성 애프터-터치 단계를 더 포함하되,
애프터터치 위치는 노트-온 위치를 넘어서, 키를 누른 후에 키에 가해지는 추가 압력에 따른 센서 시스템.
C24. 키보드의 응답을 보상하는 방법에 있어서,
키보드는 각각 능동 공진 회로, 수동 공진 회로 및 검출기를 포함하는 센서를 갖는 키들을 포함하며,
방법은:
제1 시간, t0, 에서 저장 장치로부터 센서의 검출된 초기 출력 신호 Ot0를 검색하는 단계, 제1 시간, t0에서 능동 공진 회로는 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 적어도 하나의 센서에 대해 주기적으로 구동되고;
제1 시간, t0, 이후에 센서의 이후 출력 신호 Ot1를 검출하는 단계,
조정된 값을 계산하는 단계, 조정된 값은 센서의 초기 출력 신호와 센서의 이후 출력 신호 사이의 차이이고; 및
조정된 값을 사용하여 센서의 동작 출력을 조정함으로써 키보드의 응답을 보상하는 단계를 포함하되,
동작 출력은 능동 공진 회로가 능동 공진 회로의 공진 주파수에서 구동될 때 센서로부터의 출력인 키보드의 응답을 보상하는 방법.
C25. C24의 방법에 있어서, 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식에 따라 상기 센서를 동작시키는 단계 및 상기 센서가 상기 검출을 위해 동작하지 않는 상기 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식의 타임 슬롯을 이용하는 단계를 더 포함하는 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
의심의 여지없이 다른 많은 효과적인 대안이 당업자에게 일어날 수 있다. 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 능동 공진 회로, 수동 동조 공진 회로 및 검출기를 포함하는 센서를 갖는 키들을 각각 포함하는 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    복수의 키 센서들 중 제1 키 센서에서 검출된 초기 출력 신호, Ot0 를 저장 장치로부터 검색하는 단계로서, 상기 검출된 초기 출력 신호, Ot0, 는 제1 시간, t0, 에서 검출된 상기 제1 키 센서의 출력 신호에 대응하고, t0, 에서 상기 제1 키 센서의 능동 공진 회로는 상기 제1 키 센서의 상기 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 구동되는, 초기 출력 신호, Ot0 를 저장 장치로부터 검색하는 단계; 및
    주기적으로, 복수의 키 센서들 중 적어도 하나의 키 센서에 대해:
    시간 t0 이후에 상기 적어도 하나의 키 센서들의 이후 출력 신호, Ot1, 를 검출하는 단계;
    조정된 값을 계산하는 단계로서, 상기 조정된 값은 상기 초기 출력 신호 Ot0와 상기 이후 출력 신호 Ot1 사이의 차이인, 조정된 값을 계산하는 단계; 및
    상기 조정된 값을 사용하여 상기 적어도 하나의 키 센서의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 응답을 보상하는 단계로서, 상기 동작 출력은 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 회로가 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 주파수에서 구동될 때 상기 적어도 하나의 키 센서로부터의 출력인, 키보드의 응답을 보상하는 단계를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서를 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식에 따라 센서를 동작시키는 단계 및 상기적어도 하나의 키 센서가 검출을 위해 동작하지 않는 상기 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식의 타임 슬롯을 이용하는, 단계를 더 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서들의 상기 이후 출력 신호 Ot1 를 검출하는 단계는,
    시간 t0 이후에 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 회로를 구동하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 이후 출력 신호 Ot1를 검출하는 단계를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 제1 키 센서를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 상기 제1 키 센서가 아닌 복수의 키 센서들 중 키 센서를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 상기 제1 키 센서를 더 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 조정된 값을 사용하여 상기 복수의 키 센서들 중 추가 키 센서의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 상기 응답을 보상하는 단계를 더 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제1 키 센서는 복수의 키 센서들을 포함하는 키 센서 그룹과 관련되고,
    상기 조정된 값을 사용하여, 상기 그룹과 관련된 키 센서 각각의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 응답을 보상하는 단계를 더 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 조정된 값을 사용하여, 상기 복수의 키 센서들 각각의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 상기 응답을 보상하는 단계를 더 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하는 방법.
  10. 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템에 있어서,
    상기 시스템은 메모리 장치, 키보드 및 프로세서를 포함하고, 상기 키보드는 각각 키 센서를 가지는 복수의 키들을 포함하고, 상기 키 센서 각각은 능동 공진 회로, 수동 튜닝된 공진 회로 및 검출기를 포함하고,
    상기 프로세서는:
    상기 복수의 키 센서들의 제1 키 센서로부터 초기 출력 신호 Ot0 를 검색하도록,
    상기 검출된 초기 출력 신호, Ot0, 는 제1 시간, t0, 에서 검출된 상기 제1 키 센서의 출력 신호에 대응하고, , t0에서 상기 제1 키 센서의 능동 공진 회로는 상기 제1 키 센서의 상기 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 구동하도록, 그리고
    주기적으로, 복수의 키 센서들 중 적어도 하나의 키 센서에 대해:
    시간 t0 이후에 상기 적어도 하나의 키 센서들의 이후 출력 신호, Ot1, 를 검출하도록,
    상기 초기 출력 신호 Ot0와 상기 이후 출력 신호 Ot1 사이의 차이인 조정된 값을 계산하도록, 그리고
    상기 조정된 값을 사용하여 상기 적어도 하나의 키 센서의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 응답을 보상하도록 구성되고,
    상기 동작 출력은 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 회로가 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 주파수에서 구동될 때 상기 적어도 하나의 키 센서로부터의 출력인, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 시분할 멀티플렉싱 어드레싱 방식에 따라 동작하도록 구성 가능한, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서의 이후 출력 신호 Ot1를 감지하도록 구성되는 상기 프로세서는
    상기 시간 t0 이후에, 상기 적어도 하나의 키 센서의 상기 능동 공진 회로의 공진 주파수 이하의 주파수에서 상기 적어도 하나의 키 센서들의 상기 능동 공진 회로를 구동하도록 구성되는 프로세서를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  13. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 상기 제1 키 센서를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  14. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 상기 제1 키 센서가 아닌 복수의 키 센서들의 키 센서를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 키 센서는 상기 제1 키 센서를 포함하는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  16. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 조정된 값을 사용하여 상기 복수의 키 센서들 중 추가 키 센서의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 상기 응답을 보상하도록 더 구성되고, 상기 추가 키 센서는 상기 적어도 하나의 키 센서가 아닌 키 센서인, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  17. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 제1 키 센서는 다수의 키 센서들을 포함하는 키 센서 그룹과 관련되고, 상기 프로세서는 상기 조정된 값을 사용하여 상기 그룹과 관련된 키 센서 각각의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 응답을 보상하도록 더 구성되는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
  18. 제10 항 또는 제11 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 조정된 값을 사용하여, 상기 복수의 키 센서들 각각의 동작 출력을 조정함으로써 상기 키보드의 응답을 보상하도록 더 구성되는, 키보드의 응답을 주기적으로 보상하기 위한 센서 시스템.
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