KR950012215B1 - 압력 반응 장치 - Google Patents

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KR950012215B1
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성호진
죠셉 머타인 2세 죤
커리 셔우드 리챠드
헨리 타이펠 토마스
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아메리칸 텔리폰 앤드 텔레그라프 캄파니
오레그 이. 앨버
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Abstract

내용 없음.

Description

압력 반응 장치
제1도는 그래픽스 입출력 시스템의 블록선도.
제2도는 제1도의 시스템에서 사용될 수 있는 압력 반응 감지기의 개략도.
제3, 4, 5 및 6도는 본 발명을 설명하는 적합한 감지기 어셈블리의 단면도.
제7도는 전기 접점 검출 회로를 포함하는 본 발명에 의한 적합한 감지기 어셈블리의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 위치 및 압력 감지기 12 : 디지털 신호 감지기
13 : 전송 라인 14 : 변환기
15 : 표시 수단 21 : x-y 압력 감지기
100 : 아나로그-디지털 변환기 31, 41, 51, 61 : 기판
34, 44, 54 : 도전성 입자 35 : 비도전성 매트릭스
72 : 정전류원 79 : 연산증폭기
101 : 마이크로 컴퓨터
[발명의 분야]
본 발명은 국부화된 압력의 함수로서의 전기 신호를 발생하는 장치에 관한 것이다.
[발명의 배경]
감지기 장치는 예를 들어 바늘 또는 디지털 접촉(digital touching)에 의해 발생된 바와 같이 압력신호의 위치를 결정하기 위해 제안되었으며, 이러한 장치는 데이터를 컴퓨터 시스템 내로 입력시키는 터치 스크린의 형태나 또는 기록 패드의 형태를 취할 수 있다.
이러한 형태중에서 상호 직교하는 두 개의 전계 및 가동 탐사침(movable probe)을 사용하여 참신호의 위치의 x-y 좌표에 대응하는 전기 신호를 얻는 장치도 있으며 반사 신호 천이 시간(echo signal transit times), 광 빔 차단, 분배된 타브(tab)의 용량 변화 또는 표면 주변에서의 힘을 측정함으로써 예를 들어 손가락 또는 바늘과 같은 비활성 포인터로 동작하는 다른 장치도 있다. 다음의 자료들은 본 기술분야의 상태를 대표하는 것으로서 인용된다.
미국 특허 제4,071,689호에서는 균일한 저항성층을 지지하는 견고하고, 광학적으로 투명한 기판 및 기판의 주변 둘레에서 저항 회로망을 구비한 전기적 그래픽(electrographic) 감지기에 대해서 기술하고 있다.
이 장치는 도전성 바늘 및 발진기로 동작한다.
미국특허 제4,121,049호에서는 입력 표면의 x-y 평면으로의 z-방향의 기계적 변외 횡단에 의존하는 장치에 대해서 기술하고 있다. 스프링, 차동 변압기 또는 가변 자기 저항 픽업이 사용된다.
미국 특허 제4,214,122호에서는 절연기판상에 패턴화된 저항성 층을 구비한 저항성 플레이너 그래픽 입력장치에 대해서 기술하고 있다 저항성층의 주변 둘레에 있는 도체 스트립은 장치 수행 능력의 선형성을 증가시키도록 설계되어 있다.
미국 특허 제4,293,734호에서는 저항성 소자 또는 임피던스층의 표면상에 전류의 유출(source) 및 유입(sink) 위치를 결정하는 방법에 대해서 기술하고 있다.
J. Fedrico 및 그외 공동인들에 의해 1984년 12월 18일자로 출원된 미국 특허 출원 제682,780호에서는 두 도전성 표면간의 국부적 접촉에 의한 위치 관련된 전기 신호의 발생에 대해서 기술하고 있다 . 두 표면은 예를 들어 액상 절연매체층, 가동 중심체, 도전성 입자가 함유될 수 있는 고무주각(rubber pedestals) 또는 광 도전성층에 의한 것과 같이 여러 가지 수단으로 공간을 두고 떨어져 있다.
위치 감지기 분야에 대해서 일반적인 관찰을 하기 위해서는 예를 들어, D. DGrover에 의해 Displays지, 제1권(1979년 판)의 83 내지 93 페이지에 기재된 "그래픽스 명판에 관한 소고(Graphics tables-A Review)"란 논문을 참조하기 바란다.
[발명의 개요]
본 발명은 압력 신호의 위치에 관련된 전기 신호를 발생하는 장치이다. 장치는 위치 감지기 어셈블리 또는 패드를 구비하며, 이것은 본질적으로 비도전성 매트릭스 물질에서 전기 도전 입자로 구성된 합성 매체를 구비한다. 입자는, 적어도 두 입자를 구비하며 매체의 대향 표면들 사이에서 연장하는 사술로 정렬된다. 매체는 압력부재시에 도체층이 서로 전기적으로 절연된 상태로 유지되도록 도체층 사이에 샌드위치된다. 충분한 양의 국부 압력이 인가됨에 의해 적어도 한 입자의 연쇄가 도통상태로 되어질때만 매체를 통해 감지할 수 있는 도통이 발생한다. 매체를 통한 국부적으로 도통인 결과로서 발생된 전기 신호는 아나로그 또는 디지털형으로 압력 신호의 위치의 x-y 좌표 정보를 얻도록 분석될 수 있으며, 이러한 정보는 예를 들어 음극선관, 플라즈마 패널, 또는 액정 표시 장치와 같은 장치상에서 표시될 수 있다.
본 발명에 의한 감지기 장치는 예를 들어 감지기 매체상에 입사하는 가시광선중 적어도 70%가 전달될 수 있는 정도로 투명하다. 본 발명에 의한 감지기 장치는 통신 시스템뿐 아니라 예를 들어 안전, 경보 및 식별 시스템에서도 사용하기에 적합하다.
[본 발명의 상세한 설명]
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 기술하고자 한다.
제1도는 전기 신호를 디지털 신호 처리기(12)에 공급하는 감지기(11)를 구비한 그래픽스 입출력 시스템의 성분을 도시한 블록선도이다. 적당하게 모양이 갖추어진 신호(suitably shaped signals)가 전송 라인(13)을 통해 전달되며, 전달된 신호는 변환기(14)에 공급되어지는데, 이 변환기(14)는 이들 전달 신호를 표시 수단(15)에 적합한 형태로 변환시킨다.
제2도는 x-y 압력 감지기(21), 아나로그-디지탈 변환기(100) 및 마이크로 컴퓨터(101)를 도시한 것이다. 이러한 장치는 그래픽스 감지기로서 작동할 수 있으며, 이의 동작은 단자(22,23,24 및 25)에서 샘플링하는 단계를 포함하고, 이러한 신호는 압력 감지기(21)의 표면상에서 압력 신호 위치를 결정한다. 신호는 리드(leads)(26,27,28 및 29)에 의해 변환기(100)로 전달된다. 감지기(21)는 페이스-온(face-on)으로 도시되며, 이의 적합한 단면구조는 제3 내지 6도에서 도시된 바와 같은 형태로 되어 있다.
제3도는 합성매체 및 두 도체 어셈블리를 구비한 압력 반응 감지기를 도시한 것이다. 합성매체는 비도전성 매트릭스(35)에서 정렬된 도전성 입자(34)로 구성된다. 도체 어셈블리는 도전성 피복층(32)으로 덮혀진 기판(31)으로 구성되며 상기 층(32)은 비도전성 피복층(33)으로 덮혀진다. 이러한 비도전성 피복물은 비도전성 중합체, 에폭시나 다른 수지, 또는 탄성 성질을 갖는 임의의 다른 물질로 제조될 수 있으며, 이러한 적합한 물질은 충분한 국부 압력이 기판(31)에 인가될 때 도전성 입자(34)에 의해 기계적으로 구멍이 뚫릴 수 있다.
외부 전압이 도체층(32)에 인가되면, 비도전성 피복물(33)은 도체층(32)간의 도통을 방지한다. 단지 종단입자(34)에 충분한 국부 압력이 인가됨으로써만 전류가 흘러 각각의 비도전성 피복물(33)을 통과하여 도전성 피복물(32)과 접촉하게 된다. 이러한 접촉의 결과로서, 전류는 연쇄적인 전기적 도통 입자(34)를 통해 전기적으로 도통 경로를 따라 매트릭스 물질의 x-y 평면으로의 z-방향 횡단으로 흘러들어간다.
제4도는 비도전성 매트리스 물질(45)에서 정렬된 도전성 입자(44)로 구성된 합성 매체상에 비도전성 피복물(43)을 구비한 다른 압력 반응 감지기를 도시한 것이다. 도전성 피복물층(42)으로 덮혀진 도체 기판(41)은 비도전성 피복물(43)과 접촉한다. 비도전성 피복물은 예를 들어, 분무, 방사 또는 칩(chip) 피복에 의해 합성 매체의 한쪽 또는 양쪽 표면에 도포될 수 있으며, 이러한 도포는 합성 매체와 필적할만한 적합한 휘발성 용제를 갖는 용액중의 피복 물질을 사용함으로써 촉진될 수 있다. 감지기 동작은 제3도에 관련하여 상술된 장치 동작과 유사하다.
제5도는 비도전성 피복물(53)로 각기 피복된 도전성 입자(54)를 구비한 압력 반응 감지를 도시한 것이며, 피복된 입자는 매트릭스 물질(55)내에 매립되어 있다. 기판(51)상의 도전성피복(52)은 입자상의 비도전성 피복물과 물리적인 접촉을 한다. 감지기 동작은 제3도에 관련하여 상술된 장치 동작과 유사하다.
제6도는 비도전성 매트릭스 물지(64)내에 리세스된 도전성입자(63)를 구비한 압력 반응 감지기를 도시한것이며, 리세스의 깊이는 매트릭스 물질의 견고성과 소정의 압력 반응 함수로서 선택되어 진다. 예를 들어, 공기 또는 매트릭스 물질과 동일한 물질과 같은 비도전성 물질(65)의 영역은 리세스된 입자와 도체 어셈블리간에 위치된다. 도체 기판(61)은 도전성피복물(62)로 덮혀진다. 감지기 동작은 제3도에 관련하여 상술된 장치 동작과 유사하다.
제7도는 그래픽스 입력 시스템의 압력 감지부를 개략적으로 도시한 것이다. 도전성입자(34)는 비도전성 매트리스 물질(35)에서의 사슬로 정렬되며, 접촉 어셈블리(71)는 예를 들어 제3 내지 6도에서와 같이 제공된다. 본질적인 정전류원(72)은 접점(77)에서 저항(73)과 직렬 접속되며, 연산증폭기(79)는 접점(78)에서 접속된다(완성된 장치는 통상 4개의 코너 접점 및 대응하는 연산 증폭기를 구비하며, 제2도에 관해서 이러한 4개 점은 단자(22,23,24 및 25)에 상당한다. 전압계(75)는 장치 동작의 과정에 인가된 압력의 함수로서 저항치를 측정하는데 사용될 수 있는 바와 같이 접점(80)과 접점(81) 사이에서 접속된다(적어도 저 압력 레벨에서, 저항치는 감지기에 인가된 압력량에 의해 비교적 영향을 받지 않으나, 그러나, 보다 높은 압력에서는 저항치는 통상 압력이 증가함에 따라 감소된다. 합성 전류 변화는 예를 들어 표시 장치에서 사용된 음극선 빔의 강도를 제어하는데 사용될 수 있으므로 출력 강도의 단계적 변화를 허용한다.
본 발명에 의한 압력 반응 감지기는 J. Fedrico와 그의 공동인들에 의해 출원된 상기 특허출원에서 기재되어 있는 감지기와 유사한 기능을 갖는다. 특히, 국부적으로 인가된 압력은 시트 전극간에서 국부적인 전류 흐름을 유발시키며, 이러한 전류 흐름의 위치는 예를 들어 제2도에서 도시된 4개 단자(22,23,245 및 25)와 같은 감지기의 주변에 있는 특정점에서 관찰된 전류, 전압 또는 저항치로부터 정해질 수 있다.
본 발명에 의한 압력 반응 감지기가 다음과 같이 좀더 상세히 기술된다. 즉 전기적으로 도통하는 자기 입자는 매트릭스 물질의 x-y 평면에서 소정의 도전성횡방향의 z- 방향으로 자계를 인가하으로써 얻어지는 바와 같이 본질적으로 사슬로 정렬된다.
입자는 예를 들어 철, 니켈, 코발트 또는 철, 니켈, 코발트를 구비하는 합금, 또는 페라이트 물질 등의 자성 물질로 만들어진다. 아마도 이를 예를 들어 은, 금 또는 금을 구비하는 합금 등의 보호 물질로 피복 된다. 입자는 구면체형, 막대형 타원체형 또는 불규칙한 형 일수 있으며 통상의 입자 직경은 0.1 내지 500 마이크로미터의 범위이며 적합하게는 1 내지 200 마이크로미터의 범위이다.
합성 매체는 통상 도전성 입자를 0.5 내지 20% 용적부를 포함한다. 투명도를 위하여 약 2%보다 적은 극히 소량부가 적합하지만, 그러나, 위치 감지용의 고해상력을 위해서는 보다 높은 퍼센트의 중량부가 적합하다.
입자 정렬에 적합한 자계 강도는 층 두께 좌우되며, 보다 많은 자계 강도는 보다 얇은 층에 유리하다. 전형적인 자계 강도는 7958 내지 159,154A/M(100 내지 2000 에르스테드(oersted))의 범위이며 특히 23,873 내지 70,662A/M(300 내지 800 에르스테드)의 범위이다.
비도전성 매트릭스 물질은 탄성, 점착성 또는 유리성질을 가지며, 이중에서 적합한 물질은 예를 들어 실리콘 고무, 에폭시, 폴리우레탄 및 다른 수지와 같은 중합체 물질이다. 실리콘 및 열경화성 수지의 경화(curing) 용광로에서 가열함으로써 또는 유도성 수단 또는 마이크로파 수단에 의해 달성될 수 있으며, 교체로, 감광성 수지는 가시광선, 적외선 또는 자외선일 수 있는 광 방사에 대한 노출에 의하여 경화될 수 있다.
도체 어셈블리 기판의 물질은 통상 예를 들어, 마일러, 폴리에틸렌, 셀룰로이즈 아세테이트, 테프론(Teflon), 또는 얇은 시트형의 임의의 다른 투명 중합체와 같은 중합치 또는 플라스틱 물질이며, 투명한 도전층은 예를들어 산화 인듐-주석 또는 금과 같은 물질의 박막층(통상 약 50nm의 두께를 가짐)으로서 제조될 수 있다.
비도전성 피복물층은 압력 하에서 구멍이 뚫어질 수 있으며 통상 0.1 내지 50㎛ 적합하게는 0.5 내지 10㎛ 범위의 두께를 갖는다. 기판 및 피복 물질은 서로 화학적으로 반응하지 않도록 선택된다.
본 발명에 의한 압력 반응 감지기 장치의 장점 중에서 몇 가지를 이하에서 기술하고자 한다.
압력 감지기가 상단과 하단 시트 도체간에 전기적 도통이 감지되지 않는 임계 압력 이하인 것을 특징으로 한다.
이러한 양상은 예를 들어 위치 감지기 패드상에 놓여 있는 손(hand)이 신호를 발생하지 않으면, 한편 감지기 때문에 압력을 가하기 때문에 적합한 바늘이 쉽사리 신호를 발생시킨다는 점에서 유리하다 임계 압력은 물질 및 예를 들어 비도전성층의 두께 및 자기 도전 입자의 정렬에 사용되는 자계 강도와 같은 처리 파라미터에 좌우된다.
임계 압력은 임계력을 바늘 상단의 곡률반경의 함수로서 직접 변환시킨다. 또한 임계력은 압력 감지기 지지체로서 콤플라이언트 물질(compliant material)을 선택함으로써 증가될 수 있다. 임계력 이상의 힘에서, 도전도는 함의 함수로서 직접 증가되려고 하며, 이러한 양상은 예를 들어 부가적인 식별 파라미터로서 서명(signature)인식 시스템에서 사용될 수 있다.
압력 감지기는 예를 들어 표시 스크린이 기록 패드나 손가락 접촉식 감지 패드를 가지될 수 있도록 투명한 물질(transparent material)로 제조될 수 있다. 이러한 패드는 표시 스크린에 영구적으로 부착될 수 있거나 요구됨에 따라 배치를 위하여 설계 및 제거 가능하다. 마찬가지로, 압력 감지기의 투명도는 예를들어 맵 또는 챠트와 같은 기본 패턴을 추적하는데 유용하다. 본 발명에 따른 압력 감지기의 투명도는 통상 가시광선 중 70 내지 95%가 전달되어지는 정도이다. 위치 감도뿐 아니라 투명도는 도전성입자의 용적율에 의해 좌우되며 약 80%의 광 전송이 바람직한 감도와의 조합으로 가능하다.
[실시예]
제너럴 일렉트릭 인코포레이티드에서 제조된 바와 같은 RTV 615로서 공지된 실리콘 수지 물질은 약 20㎛의 직경을 갖는 1용적 퍼센트의 니켈구(nickel spheres)와 혼합되었다. 니켈구는 약 10nm 두께의 금층(a lager of gold)으로 피복되었다. 혼합물은 평판형 유리기판상에서 방사되어 약 12.7×10-3cm(5밀(mil))의 두께를 갖는 층을 형성하였으며, 층은 31,831A/M(400 에르스테드)의 강도를 갖는 자계로 경화되었다. 약 10분 동안 약 100oC 온도의 오븐에서 경화가 있었다.
경화된 층은 투명도에 대해서 시험되었으며 입사광의 약 82%를 전달하는 것으로 판명되었다. 입자 열들 사이의 공간은 위치 감지용 해상력을 표시하는 바와 같이 약 6밀이었다. 다음에 경화된 층은 약 5㎛의 두께를 갖는 RTV 실리콘의 비도전성 피복 물질층으로 분무 피복되었으며 산화 인듐-주석의 박막층으로 피복된 두 개의 마일러 시트들(mylar sheets)사이에 위치되었다. 두 도전성시트간의 전기 저항치는 어셈블리상에 놓여 있는 기록하는 손(writing hand)에 의해 발생되는 바와 같은 압력하에서 뿐만 아니라 압력 부재시에도 20메가옴 보다도 컸으며, 이러한 전자(前者)의 압력은 약 13,790Pa(2psi)로서 산정되었다.
연필의 상단이 약 100psi의 정상 기록 압력으로 어셈블리상에 압력이 가해졌을 때 저항치는 도전성시트 및 도전성입자 사슬로 구성되는 저합된 전기 경로에서 4827옴으로 강하되었다. 도전성입자 연쇄가 이러한 저항치에 경우 약 1옴을 제공하므로, 위치의 결정은 측정된 저항치에 의해서 간단히 정해질 수 있다.

Claims (12)

  1. 서로 거리를 두고 대향하는 두 도체 어셈블리(71)와 상기 도체 어셈블리 중 적어도 하나의 위치에 압력이 인가될 때 상기 두 도체 어셈블리 중 적어도 하나의 위치에 압력이 인가될 때 상기 두 도체 어셈블리간에 적어도 하나의 도통 경로를 설정하는 수단을 구비하고, 여기서 상기 도체 어셈블리가 합성 메체의 몸체(body)를 구성하는 물질에 의해 서로 공간을 두고 떨어져 있으며, 상기 매체가 비교적 비도전성 매트릭스(35) 물질에서 전자기적으로 정렬된 도전성자기 입자(34)를 구비하여, 상기 정렬된 입자(34)가 비교적 비도전성 물질의 영역에 의해 서로 공간을 두고 떨어져 있는 다수의 경로를 형성하며, 각각의 경로가 적어도 두 입자를 포함하며, 한 어셈블리에서 다른 어셈블리로의 방향을 갖는 압력 반응 장치에 있어서, 상기 경로들과 적어도 하나의 도체 어셈블리와의 사이에서 소정 두께를 가지며, 소정 임계 압력이 상기 장치에서 가해지도록 충분한 압력이 상기 장치에 인가될 때 상기 입자에 구멍이 뚫려질 수 있는 비교적 비도전성 물질로 이루어진 층(33)을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도체 어셈블리는 기판(31) 위에 도전성 피복층(32) 및, 상기 도전성피복층 위에 비도전성 피복층(33)을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 합성매체(45,44)는 상기 비도전층(43)으로 피복되어지는 것을 특징으로 하는 압력반응장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 합성 매체가 0.5 내지 20범위의 용적율로 전기 도전성자기 입자를 구비하는 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 도체 어셈블리 및 상기 합성 매체는 투명하며, 상기 용적율은 2보다 작거나 동일한 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  6. 제1,4 또는 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 합성 매체는 상기 매체상에 입사하는 가시광선중 적어도 70%가 상기 매체에 의해 전달되어지는 정도로 광학적으로 투명한 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 도체 어셈블리들 사이에 전압의 인가하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력반응장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 장치는 상기 도체 어셈블리들 사이에 국부화된 압력의 위치를 결정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력반응장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 장치는 상기 위치를 표시하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 장치는 상기 위치를 결정하기 위한 상기 수단과 상기 위치를 표시하기 위한 상기 수단 사이에 전송 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력 반응 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 장치는 상기 도체 어셈블리들 사이에 압력량을 결정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력 반응장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비교적 비도전성 물질 영역의 두께는 0.5㎛보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 압력반응장치.
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