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KR20190093170A - 작동 기능 및 감지 기능을 갖는 엘라스토머 서스펜션 - Google Patents

작동 기능 및 감지 기능을 갖는 엘라스토머 서스펜션 Download PDF

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KR20190093170A
KR20190093170A KR1020190012617A KR20190012617A KR20190093170A KR 20190093170 A KR20190093170 A KR 20190093170A KR 1020190012617 A KR1020190012617 A KR 1020190012617A KR 20190012617 A KR20190012617 A KR 20190012617A KR 20190093170 A KR20190093170 A KR 20190093170A
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KR
South Korea
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signal
electrode
interface device
electrodes
haptic
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020190012617A
Other languages
English (en)
Inventor
바히드 코쉬카바
마누엘 후안 크루즈-에르난데스
티. 닐 올리엔
Original Assignee
임머숀 코퍼레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 임머숀 코퍼레이션 filed Critical 임머숀 코퍼레이션
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Abstract

사용자 입력 구성요소, 엘라스토머 서스펜션, 신호 발생 회로, 신호 감지 회로, 하나 이상의 스위치 및 컨트롤 유닛을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스가 제시된다. 엘라스토머 서스펜션은 엘라스토머 층을 포함하는 적어도 하나의 스택에 의해 형성되며, 적어도 하나의 스택은 적어도 하나의 커패시터를 형성한다. 컨트롤 유닛은, 작동 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 발생 회로를 적어도 하나의 커패시터에 전기적으로 연결하고 신호 감지 회로를 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 분리하게 하며, 신호 발생 회로가 구동 신호를 적어도 하나의 커패시터로 인가하게 하도록 구성된다. 컨트롤 유닛은, 감지 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 감지 회로를 적어도 하나의 커패시터로 전기적으로 연결하게 하도록 더 구성된다.

Description

작동 기능 및 감지 기능을 갖는 엘라스토머 서스펜션{ELASTOMER SUSPENSION WITH ACTUATION FUNCTIONALITY AND SENSING FUNCTIONALITY}
본 발명은 작동 기능 및 감지 기능을 갖는 엘라스토머 서스펜션에 관한 것이다.
전자 디바이스 제조사는 사용자에게 풍부한 인터페이스를 제공하고자 노력한다. 많은 디바이스는 사용자에게 피드백을 제공하기 위해 시각 및 청각 신호를 사용한다. 일부 인터페이스 디바이스에서는 운동 효과(예컨대 활동력 및 저항력 피드백) 및/또는 촉감 효과(예컨대 진동, 질감 및 열)가 또한 사용자에게 제공된다. 운동 효과와 촉감 효과는 더 일반적으로 "햅틱 피드백"또는 "햅틱 효과"로 지칭될 수 있다. 햅틱 피드백은 사용자 인터페이스를 개선하고 단순화하는 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 진동촉감 햅틱 효과는 사용자에게 특정 이벤트를 알리거나, 실제, 모의 또는 가상 환경 내에서 더 감각적인 몰입을 창출하기 위해 실감나는 피드백을 제공하도록 전자 디바이스 사용자에게 신호를 제공하는 데 유용할 수 있다. 이러한 시스템은 실제, 모의 또는 가상 환경에서 사용자 인터페이스, 게임, 자동차, 소비자 전자제품 및 기타 사용자 인터페이스에서의 어플리케이션을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예의 일 양상은 사용자 입력 구성요소, 사용자 입력 구성요소를 지지하는 베이스, 엘라스토머 서스펜션, 신호 발생 회로, 신호 감지 회로, 하나 이상의 스위치, 및 컨트롤 유닛을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스에 관한 것이다. 엘라스토머 서스펜션은 사용자 입력 구성요소가 베이스에 직접 접촉하지 않도록 사용자 입력 구성요소를 베이스 상에 부유하게 하기 위한 것이다. 엘라스토머 서스펜션은 엘라스토머 재료의 엘라스토머 층을 포함하고 엘라스토머 층의 대향 측면 상에 한 쌍의 전극을 포함하는 적어도 하나의 스택에 의해 형성되고, 적어도 하나의 스택은 적어도 하나의 커패시터를 형성한다. 하나 이상의 스위치는 신호 감지 회로 및 신호 발생 회로를 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 연결하고 분리하도록 구성된다. 컨트롤 유닛은 신호 발생 회로, 신호 감지 회로 및 하나 이상의 스위치와 통신한다. 컨트롤 유닛은, 작동 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 발생 회로를 적어도 하나의 커패시터에 전기적으로 연결시키고 신호 감지 회로를 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 분리시키도록 하고, 신호 발생 회로가 제1 신호를 구동 신호로서 적어도 하나의 커패시터에 인가하게 하도록 구성되며, 구동 신호는 햅틱 효과를 생성하기 위하여 한 쌍의 전극의 서로를 향한 상대 운동을 일으킨다. 컨트롤 유닛은, 감지 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 감지 회로를 적어도 하나의 커패시터에 전기적으로 연결시키고, 신호 감지 회로에 의해 감지된 제2 신호에 기반하여, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스의 사용자 입력 구성요소에 의해 터치 입력이 수신되었는지 여부를 결정하게 하도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛은, 감지 모드에서, 신호 감지 회로에 의해 감지된 제2 신호에 기반하여, 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스가 정의된 또는 측정된 기준 커패시턴스로부터 적어도 정의된 임계치만큼 변화하였는지의 여부를 결정함으로써 터치 입력이 수신되었는지 여부를 결정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛은, 감지 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 발생 회로를 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 분리하게 하도록 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛은, 작동 모드에서, 신호 감지 회로를 적어도 하나의 커패시터의 한 쌍의 전극 모두로부터 전기적으로 분리하도록 구성되고, 감지 모드에서, 신호 발생 회로를 적어도 하나의 커패시터의 한 쌍의 전극 모두로부터 전기적으로 분리하도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛은 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스에 변화가 있다는 결정에 응답하여 사용자 입력 구성요소에서 압력 기반 터치 입력이 수신되었음을 결정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛은 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스 변화 검출에 응답하여 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스의 사용자 입력 구성요소로 물체의 비접촉 근접이 검출되었음을 결정하도록 구성된다. 이 실시예에서, 압력 기반 터치 입력은 측정된 또는 정의된 기준 커패시턴스에 대한 제1 정의된 범위 내의 커패시턴스 변화와 연관되고, 물체의 비접촉 근접은 측정된 또는 정의된 기준 커패시턴스에 대한 제2 정의된 범위 내의 커패시턴스 변화와 연관된다.
일 실시예에서, 구동 신호는 500 V 내지 10 kV 범위의 진폭과 10 Hz 내지 500 Hz 범위의 주파수를 가진다.
일 실시예에서, 엘라스토머 재료는 쇼어(shore) 00-10 내지 쇼어 A-50 범위의 듀로미터(durometer)를 갖는 폴리머이고, 한 쌍의 전극 각각은 신축성 전도 재료로 형성된다.
일 실시예에서, 엘라스토머 층의 엘라스토머 재료는 폴리이소프렌, 이소부틸렌, 이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 폴리아크릴 고무 또는 실리콘 고무 중 적어도 하나를 포함하고 신축성 전도 재료는 그래핀을 포함한다.
일 실시예에서, 사용자 입력 구성요소는 버튼이다.
일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스는 웨어러블 디바이스이다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션의 적어도 하나의 커패시터는 각각 복수의 커패시터를 형성하는 복수의 스택을 포함하고, 신호 감지 회로는 복수의 커패시터로부터 각각의 신호를 수신하도록 구성되고, 각각의 신호에 기반하여 사용자 입력 구성요소의 표면 상의 터치 입력에 대한 위치 기반 정보를 결정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 스택은 0.2 mm와 10 mm 사이 범위의 두께를 갖는다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 500 Hz 이하의 공진 주파수를 갖는다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 사용자 입력 구성요소와 베이스 사이에 밀봉을 형성한다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극과 접촉하는 세라믹 압전 재료의 압전층을 더 포함하며, 구동 신호는 압전층을 진동하게 한다.
본 발명의 실시예의 일 양상은 사용자 입력 구성요소, 사용자 입력 구성요소를 지지하는 베이스, 엘라스토머 서스펜션, 신호 발생 회로, 신호 감지 회로, 하나 이상의 스위치, 및 컨트롤 유닛을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스에 관한 것이다. 엘라스토머 서스펜션은 사용자 입력 구성요소가 베이스에 직접 접촉하지 않도록 사용자 입력 구성요소를 베이스 상에 부유하게 하기 위한 것이다. 엘라스토머 서스펜션은 압전 재료의 압전층, 압전 재료의 대향 측면 상의 한 쌍의 전극, 및 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극과 접촉하는 엘라스토머 재료의 엘라스토머 층을 포함하는 적어도 하나의 스택에 의해 형성된다. 하나 이상의 스위치는 신호 감지 회로 및 신호 발생 회로를 한 쌍의 전극 중 적어도 제1 전극 또는 제2 전극으로부터 전기적으로 연결하고 분리하도록 구성된다. 컨트롤 유닛은 신호 발생 회로, 신호 감지 회로 및 하나 이상의 스위치와 통신한다. 컨트롤 유닛은, 작동 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 발생 회로를 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 하나에 전기적으로 연결시키도록 하고, 하나 이상의 스위치가 신호 감지 회로를 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 하나로부터 전기적으로 분리시키도록 하고, 신호 발생 회로가 압전층의 진동을 야기하는 구동 신호로서 제1 신호를 발생하게 하도록 구성된다. 컨트롤 유닛은, 감지 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 감지 회로를 제1 전극 또는 제2 전극 중 적어도 하나에 전기적으로 연결시키도록 하고, 신호 감지 회로에 의해 감지된 제2 신호에 기반하여, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 사용자 입력이 수신되었는지 여부를 결정하게 하도록 더 구성되며, 제2 신호는 압전층의 변형에 의해 야기된다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛은, 작동 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 감지 회로를 제1 전극 및 제2 전극 모두로부터 전기적으로 분리하게 하도록 구성되고, 감지 모드에서, 신호 발생 회로를 제1 전극 및 제2 전극 모두로부터 전기적으로 분리하게 하도록 구성된다.
일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스는 제3 전극을 더 포함하며, 엘라스토머 층은 제2 전극과 제3 전극 사이에 배치된다. 이 실시예에서, 컨트롤 유닛은, 작동 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 발생 회로를 제1 전극 및 제3 전극 모두에 전기적으로 연결하게 하고, 신호 감지 회로를 제1 전극 및 제3 전극 모두로부터 전기적으로 분리되게 하도록 구성된다. 컨트롤 유닛은, 감지 모드에서, 하나 이상의 스위치가 신호 감지 회로를 제1 전극 및 제3 전극 모두에 전기적으로 연결하게 하고, 신호 발생 회로를 제1 전극 및 제3 전극 모두로부터 전기적으로 분리되게 하도록 더 구성된다. 이 실시예에서, 제2 전극은 전기적으로 접지된다.
일 실시예에서, 세라믹 압전 재료는 100GPa 내지 300GPa 범위의 영률(Young's Modulus)을 가지고, 구동 신호는 1V 내지 50V 범위의 진폭을 가지며, 엘라스토머 재료는 10 MPa 내지 100 MPa 범위의 영률을 갖는 폴리머이다.
발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은 첨부 도면에 도시된 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다. 본원에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면은 발명의 원리를 설명하고 통상의 기술자가 발명을 제조하고 사용할 수 있게 한다. 도면은 축적에 맞게 도시된 것이 아니다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머 서스펜션을 갖는 햅틱 가능 사용자 인터페이스를 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머 서스펜션을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 스위치, 신호 발생 회로 및 신호 감지 회로의 다양한 구성을 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 신호 감지 회로의 다양한 실시예를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머 서스펜션을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 압전 재료와 엘라스토머 재료를 조합한 엘라스토머 서스펜션을 도시한다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 하나 이상의 스위치, 신호 발생 회로 및 신호 감지 회로의 다양한 구성을 도시한다.
다음의 상세한 설명은 본질적으로 단지 예시적인 것이며, 본 발명 또는 본 발명의 응용 및 용도를 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한 앞의 기술 분야, 배경기술, 발명의 내용 또는 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 제시된 임의의 표현되거나 암시된 이론에 구속될 의도는 없다.
본 발명의 실시예는 서스펜션 기능, 햅틱 작동 기능 및 감지 기능을 제공할 수 있는 엘라스토머 서스펜션에 관한 것이다. 일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 휴대전화, 랩톱 또는 태블릿 컴퓨터와 같은 사용자 인터페이스 디바이스의 일부일 수 있다. 서스펜션 기능은 제1 부분 - 또는 더 구체적으로는 제2 부분 -- 또는 더 구체적으로는 사용자 인터페이스 디바이스의 베이스 부분 -- 상에서 사용자 인터페이스 디바이스의 부유된 부분 - 을 부유하게 하는 것 및 사용자 인터페이스 디바이스의 베이스 부분을 사용자 인터페이스 디바이스의 부유된 부분으로부터 격리하는 것을 수반할 수 있다. 서스펜션 기능은 격리 특징을 제공하기 위해 충분히 연성인 엘라스토머 재료에 의해 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 부유되는 사용자 인터페이스 디바이스의 제1 부분은 터치스크린과 같은 사용자 입력 구성요소일 수 있다. 엘라스토머 재료의 연성은 사용자가 사용자 입력 구성요소를 누를 때 엘라스토머 서스펜션의 변형을 허용한다. 이러한 변형은 버튼 클릭의 느낌 또는 기계적 사용자 입력 디바이스와 연관된 다른 느낌을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션에 대한 햅틱 작동 기능은 엘라스토머 재료로서 유전체 재료를 이용하고 두 전극 사이에 유전체 엘라스토머 재료를 위치시킴으로써 제공될 수 있다. 유전체 엘라스토머 재료와 두 전극은 커패시터를 형성할 수 있다. 두 전극 중 적어도 하나에 구동 신호가 인가될 때, 엘라스토머 재료를 압착할 수 있는 인력이 두 전극 사이에 생성될 수 있다. 엘라스토머 재료는 두 전극 사이의 인력에 의해 변형될 수 있을 만큼 충분히 연성일 수 있다. 따라서, 엘라스토머 서스펜션에 의해 형성되는 커패시터는 전기적 입력(예를 들어, 구동 신호)을 기계적 출력(예를 들어, 두 전극 사이의 상대 운동)으로 변환함으로써 햅틱 작동 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 서스펜션으로 진동촉감 햅틱 효과를 생성하기 위해, 구동 신호는 엘라스토머 재료가 변형된 상태와 변형되지 않은 상태 사이에서 진동하도록 할 수 있으며, 전극이 서로를 향해 움직이는 것과 그 원래 위치로 되돌아가는 것 사이에서 진동하도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션에 의해 제공되는 감지 기능은 사용자가 사용자 입력 구성요소를 누르는 것과 같은 터치 입력을 감지하는 데 사용될 수 있다. 엘라스토머 서스펜션의 엘라스토머 재료는 압력 기반 터치 입력으로 지칭될 수 있는 이러한 터치 입력의 압력으로 변형될 수 있을 만큼 충분히 연성일 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 재료의 변형은 신호를 생성할 수 있으며, 엘라스토머 재료는 변형으로부터의 기계적 입력을 전기적 출력(예를 들어, 전압, 전류 또는 다른 전기적 신호)으로 변환한다. 이러한 실시예에서, 압력 기반 터치 입력은 엘라스토머 서스펜션의 엘라스토머 재료에 의해 생성되는 전기적 신호를 검출함에 의해 검출될 수 있다. 일 실시예에서, 변형은 엘라스토머 서스펜션에 의해 형성되는 커패시터의 커패시턴스 변화를 야기할 수 있다. 이러한 실시예에서, 압력 기반 터치 입력은 엘라스토머 재료의 변형에 의해 야기되는 엘라스토머 서스펜션의 커패시턴스 변화를 검출함에 의해 검출될 수 있다. 버튼 또는 다른 사용자 입력 구성요소의 클릭과 같은 압력 기반 터치 입력은 적어도 사용자 입력 구성요소가 부유되는 엘라스토머 서스펜션의 커패시턴스 변화량의 임계치와 연관될 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 재료를 변형할 만큼 충분한 압력을 가하지 않는 터치 입력도 여전히 서스펜션의 커패시턴스를 변화시킬 수 있지만, 압력 기반 터치 입력에 비해서 정도는 더 적다. 일 실시예에서, 사용자 입력 구성요소에 대한 비접촉 사용자 근접으로 지칭될 수 있는, 사용자 입력 구성요소와의 접촉을 수반하지 않는 사용자 근접이 또한, 엘라스토머 서스펜션의 커패시턴스 변화를 야기할 수 있으나, 압력 기반 터치 입력에 비해 정도는 더 적다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 햅틱 작동 기능 제공 용도 및 감지 기능 제공 용도로 교대로 사용될 수 있다. 햅틱 작동 기능은 신호 발생 회로를 사용하는 한편, 햅틱 감지 기능은 신호 감지 회로를 사용할 수 있다. 엘라스토머 서스펜션이 감지 기능을 제공하기 위해 사용될 때, 하나 이상의 스위치는 엘라스토머 서스펜션을 신호 감지 회로에 전기적으로 연결할 수 있다. 더 구체적으로, 하나 이상의 스위치는 엘라스토머 서스펜션 내의 전극을 신호 감지 회로에 전기적으로 연결할 수 있다. 일부 경우에서, 하나 이상의 스위치는 또한 엘라스토머 서스펜션 내의 전극을 신호 발생 회로로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 엘라스토머 서스펜션이 햅틱 작동 기능을 제공하도록 사용될 때, 하나 이상의 스위치는 신호 발생 회로를 엘라스토머 서스펜션의 전극에 전기적으로 연결하고, 엘라스토머 서스펜션의 전극을 신호 감지 회로로부터 전기적으로 분리할 수 있다. 햅틱 작동 기능을 위해 사용되는 임의의 강한 구동 신호가 신호 감지 회로로 도달하지 않으며 감지 회로를 손상시키지 않도록, 신호 감지 회로는 분리된다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 압전 재료와 엘라스토머 재료를 조합할 수 있다. 일부 경우에서, 압전 재료는 햅틱 작동 기능 및/또는 감지 기능을 제공할 수 있는 세라믹 압전 재료일 수 있다. 이러한 실시예는 햅틱 작동 기능 및 감지 기능의 일부를 위하여 여전히 엘라스토머 재료에 의존할 수 있거나, 또는 이러한 기능을 위하여 대신 세라믹 압전 재료에만 의존할 수도 있다. 일부 경우에서, 세라믹 압전 재료는 엘라스토머 재료 및 전극만으로 형성되는 커패시터로 생성되는 운동에 비해 더 큰 양의 운동을 생성할 수 있다. 그러나, 세라믹 압전 재료만으로는 사용자 입력 구성요소에 대한 서스펜션 역할을 위해서는 너무 단단하거나, 강성이거나 부서지기 쉬울 수 있다. 예를 들어, 세라믹 압전 재료는 사용자 입력 구성요소를 누르는 사용자에 응답하여 변형되지 못할 수 있고, 사용자 입력 구성요소로부터 베이스를 격리하지 못할 수 있다. 따라서, 세라믹 압전 재료는 햅틱 작동 기능 및/또는 감지 기능을 제공하기 위해 세라믹 압전 재료를 활용하고, 서스펜션 기능을 제공하기 위해 엘라스토머 재료를 활용할 수 있는 엘라스토머 서스펜션을 형성하기 위해, 엘라스토머 재료와 조합될 수 있다.
도 1a는 사용자 입력 구성요소(104), 사용자 입력 구성요소(104)를 지지하는 베이스(102) 및, 사용자 입력 구성요소(104)가 베이스(102)와 직접 닿거나 다른 방식으로 접촉하지 않도록 사용자 입력 구성요소(104)를 베이스(102) 상에서 부유하게 하는 엘라스토머 서스펜션(106)을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100)의 예를 도시한다.
일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100)는 휴대전화, 웨어러블 디바이스, 게임 컨트롤러, 랩톱 또는 태블릿 컴퓨터 또는 임의의 다른 사용자 인터페이스 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 도 1b는 휴대전화인 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(200)의 실시예를 도시한다. 더 구체적으로, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(200)는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(200)의 다양한 구성요소를 지지하는 기판을 제공하는 베이스(202)를 포함한다. 예를 들어, 베이스(202)는 디바이스(200)의 하우징의 일부를 형성하는 베젤 구성요소(203a, 203b, 203c)를 지지할 수 있고, 또한 제1 사용자 입력 구성요소(204a) 및 제2 사용자 입력 구성요소(204b)를 지지할 수 있다. 일 실시예에서, 베이스(202)는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(200)의 하우징의 적어도 일부를 구성할 수 있으며, 금속, 플라스틱, 유리 또는 그 조합과 같은 재료로 형성될 수 있다. 도 1b의 실시예에서, 제1 사용자 입력 구성요소(204a)는 버튼(예를 들어, 홈 버튼)일 수 있고, 제2 사용자 입력 구성요소(204b)는 터치스크린일 수 있다. 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(200)는 베이스(202) 상에서 제1 사용자 입력 구성요소(204a)를 부유하게 하는 제1 엘라스토머 서스펜션(206a)을 포함하고, 베이스(202) 상에서 제2 사용자 입력 구성요소(204b)를 부유하게 하는 제2 엘라스토머 서스펜션(206b)을 더 포함한다. 일 실시예에서, 제1 엘라스토머 서스펜션(206a) 및 제2 엘라스토머 서스펜션(206b)은 각각 사용자 입력 구성요소(204a, 204b)가 베이스(202)에 대해, 예를 들어, 아래 방향으로 눌러질 때 기계적 클릭의 느낌을 제공할 수 있다. 따라서, 제1 엘라스토머 서스펜션(206a) 및 제2 엘라스토머 서스펜션(206b)은 각각 사용자 입력 구성요소(204a, 204b)가 클릭될 수 있는 기계적 버튼의 역할을 하도록 허용할 수 있다.
일 실시예에서, 터치스크린인 제2 사용자 입력 구성요소(204b)는 용량성 및/또는 저항성 터치 감지를 수행하기 위해 사용되는 전도성 배선 그리드(미도시)를 또한 포함할 수 있다. 전도성 배선 그리드는, 예를 들어, 터치 입력의 위치를 검출하기 위하여, 또는 더 구체적으로는 터치 기반 입력 제스처를 인식하기 위하여 사용될 수 있다. 전도성 배선 그리드는 터치 감지를 수행하기 위하여 제2 사용자 입력 구성요소(204b)의 제1 표면- 예를 들어, 상부 표면 -에 배치될 수 있다. 예를 들어, 전도성 배선 그리드는 제2 사용자 입력 구성요소 내의 제1 표면 바로 아래에 배치될 수 있다. 한편, 엘라스토머 서스펜션(206b)은 제2 사용자 입력 구성요소(204b)와 베이스(202) 사이의 서스펜션 역할을 하기 위하여 제2의 대향 표면 또는 더 구체적으로 제2 사용자 입력 구성요소(204b)의 하부 표면에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(200)는 제1 엘라스토머 서스펜션(206a) 및 제2 엘라스토머 서스펜션(206b)과 분리되며 제1 사용자 입력 구성요소(204a)와 베이스(202) 사이의 밀봉 및 제2 사용자 입력 구성요소(204b)와 베이스(202) 사이의 밀봉을 형성하는 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들어, 도 5a를 참조하여 이하에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 제1 엘라스토머 서스펜션(206a) 및/또는 제2 엘라스토머 서스펜션(206b)은 그 자체가 각각 사용자 입력 구성요소(204a, 204b)와 베이스(202) 사이의 밀봉을 제공할 수 있다.
도 1c는 전자 시계와 같은 웨어러블 디바이스인 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 예를 도시한다. 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 터치스크린인 사용자 입력 구성요소(304) 및 사용자 입력 구성요소(304)를 지지하는 베이스(302)를 포함한다. 일 실시예에서, 베이스(302) 및 사용자 입력 구성요소(304)는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 하우징의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(300)는 사용자 입력 구성요소(304)가 베이스(302)에 직접 접촉하지 않도록 베이스(302) 상에 사용자 입력 구성요소(304)를 부유하게 하는 엘라스토머 서스펜션(306)을 더 포함할 수 있다. 엘라스토머 서스펜션(306)은 사용자가 사용자 입력 구성요소(304)를 누를 때 변형될 수 있어, 기계적 클릭의 느낌을 제공한다. 결과적으로, 엘라스토머 서스펜션(306)은 사용자 입력 구성요소(304)가 터치스크린의 역할뿐 아니라, 클릭될 수 있는 기계적 버튼의 역할을 하도록 허용할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 엘라스토머 서스펜션(106)의 분해도이다. 더 구체적으로, 도 2a는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100) 및 사용자 입력 구성요소(104)와 베이스(102) 사이의 엘라스토머 서스펜션(106)의 분해 사시도를 제공한다. 도 2a의 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션(106)은 4개의 스택(110a, 110b, 110c, 110d)으로 구성되며, 그 각각은 엘라스토머 재료 및 엘라스토머 재료의 대향측 상의 한 쌍의 전극을 포함한다. 각 스택은 커패시터를 형성할 수 있다. 더 구체적으로, 도 2b는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100) 및 엘라스토머 서스펜션(106)의 제1 스택(110a)과 제2 스택(110b)의 측면도를 제공한다. 도 2b에 도시한 바와 같이, 제1 스택(110a)은 엘라스토머 재료의 층(112a)을 포함하며, 이는 또한 엘라스토머 층(elastomeric layer)(112a) 또는 엘라스토머 재료 패치로도 지칭된다. 제1 스택(110a)은 또한 엘라스토머 층(112a)의 대향측 상에 두 전극(114a, 116a)을 포함한다. 제2 스택(110b)은 엘라스토머 재료의 층(112b), 또는 엘라스토머 층(112b) 및 엘라스토머 재료의 엘라스토머 층(112b)의 대향측 상에 두 전극(114b, 116b)을 포함한다. 제1 스택(110a)은 제1 커패시터를 구성하고, 제2 스택(110b)은 제2 커패시터를 구성한다. 일 실시예에서, 스택(110a-110d) 각각이 유전체 엘라스토머 재료와 같은 엘라스토머 재료의 층, 및 한 쌍의 전극, 및 엘라스토머 재료를 전극에 접착하기 위한 임의의 접착제만을 포함한다.
일 실시예에서, 엘라스토머 층(112a, 112b)의 엘라스토머 재료는 베이스(102)를 사용자 입력 구성요소(104)로부터 격리하는 서스펜션을 제공하도록 충분히 연성일 수 있으며 및/또는 사용자가 사용자 입력 구성요소(104) 상의 버튼 클릭을 수행하거나 또는 다른 방식으로 사용자 입력 구성요소(104)를 누를 때 변형되도록 충분히 연성일 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 재료는 10 MPa 내지 100 MPa 범위, 또는 5 MPa 내지 50 MPa 범위, 또는 1 MPa 내지 80 MPa 범위의 영률(Young's Modulus)을 갖는 폴리머일 수 있다. 일 실시예에서, 변형되지 않은 상태에서 엘라스토머 재료는 쇼어(shore) 00-10 내지 쇼어 A-50 범위의 듀로미터를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 재료는 폴리이소프렌, 이소부틸렌, 이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 폴리아크릴 고무 또는 실리콘 고무 중 적어도 하나를 포함한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 엘라스토머 재료가 압력 기반 터치 입력을 통해, 한 축을 따라, 예를 들어, 두께 치수를 따라 압축되면, 하나 이상의 엘라스토머 재료가 다른 축을 따라, 예를 들어, 길이 또는 폭 치수를 따라 외측으로 신장될 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 재료는 10 내지 100 또는 10 내지 200의 상대 유전율을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 전극(예를 들어, 114a, 116a, 114b, 116b)은 접착제를 통해 각 엘라스토머 층, 예를 들어, 엘라스토머 층(112a, 112b)에 접착될 수 있다. 일 실시예에서, 전극(114a, 116a) 및 전극(114b, 116b)은, 예를 들어, 각 전극의 길이 및/또는 폭을 따라 신축될 수 있는 전도성 재료로 구성될 수 있다. 이러한 신축성 재료는 전극(114a, 116a, 114b, 116b)이 엘라스토머 층(112a) 및/또는 엘라스토머 층(112b)의 길이 및/또는 폭을 따라 엘라스토머 층(112a) 및/또는 엘라스토머 층(112b)과 함께 신장 또는 수축될 수 있게 한다. 일 실시예에서, 신축성 전도 재료는 그래핀, 금속 필름 및/또는 탄소 나노튜브를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각 스택(110a, 110b, 110c, 110d)이 동일한 구조, 예를 들어, 동일한 층 수, 동일한 치수, 또는 그 조합을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션(106)을 구성하는 스택(110a, 110b, 110c, 110d)이 상이한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 스택(110a, 110b, 110c, 110d)이 상이한 표면적을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각 엘라스토머 층(112a, 112b)이 예를 들어, 0.1 mm 내지 10 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 각 전극(114a, 116a, 114b, 116b)이 100 nm 내지 1 μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 스택(110a-110d) 중 각 스택이 0.1 mm과 10 mm 사이 범위의 두께를 가질 수 있다. 층(112a, 112b) 및 전극(114a, 116a, 114b, 116b)은 동일한 표면적을 가지거나, 상이한 표면적을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 층(112a, 112b)과 전극(114a, 116a, 114b, 116b) 각각이 16 mm2 내지 100 mm2 범위의 표면적을 가질 수 있다. 위의 두께 및 표면적은 엘라스토머 서스펜션(106)의 변형되지 않은 상태를 지칭하며, 이는 또한 기준 상태로도 지칭된다. 이하에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 엘라스토머 서스펜션(106)은 엘라스토머 서스펜션(106)이 진동하는 작동 기능을 가질 수 있다. 특정 예에서, 엘라스토머 서스펜션(106)은 엘라스토머 서스펜션(106)을 진동시키기에 최적인 공진 주파수를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 공진 주파수는 10 Hz와 200 Hz사이, 또는 10 Hz와 500 Hz 사이의 범위 내일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 엘라스토머 재료 층을 갖는 4개의 스택을 포함하는 엘라스토머 서스펜션(106)의 실시예를 도시하지만, 엘라스토머 서스펜션(106)의 다른 실시예는 상이한 수의 스택을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 서스펜션(106)의 다른 실시예는 엘라스토머 재료 층과 엘라스토머 재료 층의 대향 측에 배치된 두 전극으로 이루어진 하나의 스택만을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 스택은 사용자 입력 구성요소(104)의 중심과 베이스(102) 사이에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션은 각각 엘라스토머 재료 층을 갖는 둘, 셋 또는 다른 수의 스택을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 디바이스(100)의 엘라스토머 서스펜션(106)은 감지 기능 및/또는 작동 기능을 제공하기 위해 변형 가능하다. 변형은 엘라스토머 서스펜션(106) 내의 엘라스토머 재료의 변형을 수반한다. 예를 들어, 도 2c 및 도 2d는 엘라스토머 서스펜션(106)의 스택(110a) 내의 엘라스토머 층(112a)의 변형의 예를 도시한다. 도 2c는 햅틱 작동을 생성하기 위해 사용되는 압력 기반 터치 입력 또는 구동 신호(이하에서 논의됨)에 의해 변형되기 전의 스택의 형태를 도시한다. 이 형태는 스택(110a)의 원래 형태 또는 기준 형태로 지칭될 수 있다. 도 2c에서, 스택(110a)의 기준 형태는 또한 기준 또는 원래 거리 doriginal/baseline로도 지칭되는 기준 두께 tbaseline 또는 스택(110a)의 전극(116a, 114a)을 분리하는 엘라스토머 층(112a)의 원래 두께 toriginal를 가지며, 전극(116a, 114a)은 원래 표면적으로 또한 지칭되는 기준 표면적 A를 갖는다. 도 2d는 압력 기반 터치 입력 또는 구동 신호에 의해 변형된 후의 스택(110a)을 도시한다. 도 2d에서, 엘라스토머 층(112a)은 그 기준 두께 tbaseline에 비해 줄어든 두께 tdeformed로 변형되었을 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 층(112a)의 두께가 줄어듦에 따라, 엘라스토머 재료는 엘라스토머 층(112a)이 변형된 상태에서 그 길이 및/또는 폭을 따라 방사상 외측으로 신장되게 할 수 있다. 일 실시예에서, 위에서 논의한 바와 같이, 전극(116a, 114a)은 엘라스토머 층(112a)에 접착될 수 있고, 또한 그 길이 및/또는 폭을 따라 외측으로 신장될 수 있을 만큼 충분한 신축성을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 전극(116a, 114a)의 표면적 A는 스택(110a)의 변형의 결과로 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 햅틱 작동 기능은 엘라스토머 서스펜션(106)에 대한 구동 신호를 제공하는 신호 발생 회로로 촉진될 수 있는 한편, 감지 기능은 엘라스토머 서스펜션(106)으로부터 신호를 감지하는 신호 감지 회로로 촉진될 수 있다. 예를 들어, 도 3a는 신호 발생 회로(130), 신호 감지 회로(150), 컨트롤 유닛(140) 및 복수의 스위치(161, 162)를 갖는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100)를 도시한다. 컨트롤 유닛(140)은 제1 스택(110a)의 전극(114a, 114b)을 신호 발생 회로(130)에 전기적으로 연결하고 전극(114a, 114b)을 신호 감지 회로(150)로부터 전기적으로 분리하게끔 스위치(161, 162)를 제어하도록 구성될 수 있다. 컨트롤 유닛(140)은 그 후에 제1 스택(110a)의 전극(114a, 116a)을 신호 감지 회로(150)에 전기적으로 연결하고 전극(114a, 116a)을 신호 발생 회로(130)로부터 전기적으로 분리하게끔 스위치(161, 162)를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 스위치(161, 162) 중 각 스위치는, 예를 들어, 릴레이 스위치, 트랜지스터 또는 다른 반도체 스위치 또는 임의의 다른 유형의 스위치일 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 햅틱 효과를 생성하기 위하여 엘라스토머 서스펜션(106)의 스택(110a) 및 신호 발생 회로(130)를 사용하는 작동 모드를 가질 수 있다. 작동 모드에서, 컨트롤 유닛(140)은 도 3a에 도시된 바와 같이 스위치(161, 162)가 신호 발생 회로(130)를 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에 전기적으로 연결하고, 신호 감지 회로(150)를 전극(114a, 116a)으로부터 전기적으로 분리하도록 하게 할 수 있다. 신호 감지 회로(150)는 신호 발생 회로(130)로부터의 강한 구동 신호가 이러한 강한 구동 신호에 의해 손상될 수 있는 신호 감지 회로(150)에 도달하지 않도록 분리될 수 있다. 컨트롤 유닛(140)은 신호 발생 회로(130)가 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에 전기적으로 연결된 후에 신호 발생 회로(130)가 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에 제1 신호를 인가하도록 더 제어할 수 있다. 제1 신호는 엘라스토머 서스펜션의 다른 스택의 전극에 동시에 인가될 수 있다. 또는 제1 신호가 제1 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에만 인가되고, 엘라스토머 서스펜션(106)의 다른 스택은 다른 시간에 신호 발생 회로(130)로부터 상이한 신호를 수신할 수 있다. 신호는 차동 모드 또는 단일 종단 모드로 인가될 수 있다. 예를 들어, 도 3a는 신호가 전극(116a)의 전압 또는 전류와 전극(114a)의 전압 또는 전류 사이의 차이, 예를 들어, +v 와 -v 사이의 차이로 인가되는 차동 모드로 신호가 인가되는 것을 도시한다. 다른 예에서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 신호는 단일 종단 모드로 인가될 수 있다. 이 모드에서, 신호 발생 회로(130)는 제1 신호를 전극(116a)의 전압 또는 전류로 인가한다. 신호는 전극(114a)에 의해 제공되는 접지 전위에 대해 정의되는 단일 종단이다. 더 구체적으로 이 예에서 전극(114a)은 신호 발생 회로(130) 및 신호 감지 회로(150)에 대한 접지 전위를 정의한다.
위에서 논의한 바와 같이, 컨트롤 유닛(140)은 햅틱 효과를 생성하는 결정에 응답하여 작동 모드로 진입할 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 작동 모드에서 신호 발생 회로(130)가 구동 신호인 제1 신호를 스택(110a), 예컨대 도 3a의 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에 인가하도록 할 수 있다, 예를 들어, 구동 신호는 적어도 50 V, 적어도 500 V, 또는 적어도 1 kV인 진폭을 갖는 주기적 신호일 수 있다. 도 3a에서, 구동 신호는 차동 신호일 수 있으며, 적어도 50 V, 500 V, 또는 1 kV의 진폭이 전극(116a, 114a)의 각 전압(또는 전류) 사이의 차이를 나타낸다. 구동 신호는, 이하에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 한 쌍의 전극(116a, 114a) 사이에서 정전기적 인력을 발생시킬 만큼 충분히 큰 진폭을 가질 필요가 있을 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은, 예를 들어, 범용 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(PGA), 프로그래머블 로직 어레이(PLA), 또는 임의의 다른 유형의 제어 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 디바이스(100)의 운영체제 실행 및/또는 신호 처리 기능 수행과 같은 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100)의 다른 기능을 수행하는 데 또한 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 엘라스토머 서스펜션(106)의 작동 기능 및 감지 기능 제어 전용일 수 있다.
일 실시예에서, 작동 모드에 대해 신호 발생 회로(130)에 의해 생성된 구동 신호는 정현파 신호 또는 사각파와 같은 주기적 신호일 수 있다. 일 실시예에서, 구동 신호는 엘라스토머 서스펜션(106)의 하나 이상의 스택(110a-110d)을 진동하게 할 수 있다. 더 구체적으로, 주기적 신호는 하나 이상의 스택이 변형된 상태(예를 들어, 변형된 형태)로의 운동과 기준 상태(예를 들어, 기준 형태)로의 회복 사이를 교번하도록 할 수 있으며, 이러한 운동이 하나 이상의 스택을 진동시킬 수 있다. 예를 들어, 사각파는 0 진폭의 주기로 분리되는 펄스 시리즈를 포함할 수 있다. 사각파의 펄스가 전극(116a)에 인가될 때, 펄스는 전극(116a)이 순 양전하 또는 순 음전하를 갖게 할 수 있다. 전극(116a)의 순 양전하 또는 순 음전하는 전극(114a)에 반대 전하를 유도할 수 있다. 결과적으로, 전극(116a, 114a)은 서로를 향해 끌어당겨질 수 있다. 만약 구동 신호의 진폭이 충분히 크면, 인력이 엘라스토머 층(112a)을 변형시킴으로써 전극(114a, 116a)이 서로를 향해 움직이게 하기에 충분할 수 있다. 달리 말하자면, 도 2d에 나타난 바와 같이, 엘라스토머 층(112a)의 두께가 줄어들게 하기 위해, 전극(114a, 116a) 사이의 인력이 엘라스토머 층(112a)을 압착할 수 있다. 이러한 엘라스토머 층(112a)의 변형은 또한 전극(114a, 116a)이 서로를 향해 움직이게 한다. 상술한 바와 같이, 사각파의 펄스 이후에는 0 진폭의 주기가 이어질 수 있다. 이 주기 동안, 엘라스토머 서스펜션(106)은 그 기준 상태 (예를 들어, 그 기준 형태)로 복귀할 수 있다. 더 구체적으로, 엘라스토머 층(112a)은 변형을 일으키는 힘이 제거된 후에 변형된 상태로부터 변형되지 않은 상태로 복귀하는 탄성(resilient) 재료(또한 탄력성(elastic) 재료로도 지칭됨)일 수 있다. 즉, 일단 펄스가 종료되면, 더 이상 엘라스토머 층(112a)을 압착하는 인력이 없어, 엘라스토머 층(112a)이 도 2c에 나타난 바와 같은 그 기준 형태로 튀어나올 수 있다. 엘라스토머 층(112a)의 그 기준 형태로의 이러한 복원은 또한 전극(114a, 116a)을 기준 거리 dbaseline(도 2c에서 tbaseline로 나타남)만큼 떨어져 있으며 도 2c의 기준 표면적 A 을 갖는 그 각각의 기준 위치로 움직일 수 있다. 만약 펄스 시리즈를 포함하는 사각파 또는 0이 아닌 값과 0의 값 사이를 진동하는 정현파 신호와 같이 구동 신호가 주기적이면, 엘라스토머 서스펜션(106)의 스택은 기준 형태와 변형된 형태 사이에서 진동할 수 있다. 이러한 진동은 엘라스토머 서스펜션(106)의 진동을 야기하고, 이러한 진동은 진동촉감 햅틱 효과를 생성하기 위해 사용자 입력 구성요소(104) 및/또는 베이스(102)로 전달될 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은, 예를 들어, 신호 발생 회로(130)가 활성화될 때, 신호 발생 회로(130)에 의해 생성되어야 할 신호 유형, 예를 들어, 사각파, 정현파 신호, 톱니파 신호, 신호 발생 회로에 의해 생성되어야 할 신호 진폭, 신호의 주파수 또는 위상, 신호의 듀티 사이클(duty cycle) 또는 그 임의의 조합을 제어하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은, 신호 감지 회로(150)에 의해 감지된 신호에 기반하여, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(100)에 의해 사용자 입력, 예를 들어, 압력 기반 터치 입력이 수신되었는지, 또는 더 구체적으로 사용자 입력이 사용자 입력 구성요소에서 수신되었는지 여부를 컨트롤 유닛이 결정하는 감지 모드를 가질 수 있다. 감지 모드에서, 컨트롤 유닛(140)은 스위치(161, 162)가, 도 3b에 나타난 바와 같이, 신호 감지 회로(150)를 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에 전기적으로 연결하게 하도록 구성될 수 있다. 신호 감지 회로(150)는 동시에 엘라스토머 서스펜션(106)의 모든 스택에 전기적으로 연결될 수 있거나, 또는 상이한 시간에 엘라스토머 서스펜션(106)의 상이한 스택에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 신호 감지 회로(150)는 순차 방식으로 엘라스토머 서스펜션(106)의 상이한 스택에 전기적으로 연결될 수 있다. 도 3b에서, 신호 감지 회로(150)는 차동 모드에 있는 신호를 감지하도록 구성될 수 있다. 달리 말하자면, 신호 감지 회로(150)는 전극(116a, 114a)의 각 전압(또는 전류) 사이의 차이로서 신호를 감지할 수 있다. 다른 실시예에서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 신호 감지 회로(150)는 단일 종단 모드 신호를 감지하도록 구성될 수 있고, 신호가 단일 종단 모드에서 전극 중 하나, 예를 들어, 114a에 의해 정의되는 접지 전위에 의해 참조된다.
도 3b로 돌아가면, 일 실시예에서 감지 모드는 사용자 입력 구성요소(104)로 인가되는 압력 기반 터치 입력으로부터의 압력 P를 감지하는 데 사용될 수 있다. 사용자가 사용자 입력 구성요소(104)로 압력 P를 인가할 때, 압력 P의 적어도 일부가, 도 3b에 도시된 바와 같이, 스택(110a) 및/또는 엘라스토머 서스펜션(106)의 다른 스택으로 전달될 수 있다. 압력 P는 엘라스토머 서스펜션(106)을 변형시킬 수 있으며, 더 구체적으로는 스택(110a) 내의 엘라스토머 층(112a) 및/또는 서스펜션(106)의 다른 스택 내의 엘라스토머 재료 층을 도 2d에 도시된 변형과 유사한 방식으로 변형시킬 수 있다. 컨트롤 유닛(140)은, 감지 모드에서, 이러한 변형을 검출하기 위해 스택(110a) 및 신호 감지 회로(150)를 사용하도록 구성될 수 있다. 따라서, 감지 모드에서, 컨트롤 유닛(140)은 스위치(161, 162)가 신호 감지 회로(150)를 스택(110a)의 전극(114a, 116a)에 전기적으로 연결하게 할 수 있다.
일 실시예에서, 압력 P가 엘라스토머 층(112a)의 엘라스토머 재료를 변형할 때, 엘라스토머 재료는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 엘라스토머 재료는 기계적 입력을 전기적 출력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 신호 감지 회로(150)는 엘라스토머 재료에 의해 생성되는 신호를 감지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 신호 감지 회로(150)의 예를 도시한다. 이 예에서, 신호 감지 회로(150)는 연산 증폭기(152) 및 복수의 저항기(R1 내지 R4)를 포함한다. 저항기(R1 내지 R4)가 동일한 저항을 가지면, 출력 전압 vo는 v2-v1와 동일할 수 있고, 여기에서 v2는 전극(116a)의 전압이고, v1은 전극(114a)의 전압이다. 임의의 다른 회로 토폴로지, 예를 들어, 휘트스톤 토폴로지가 도 4a에 나타난 회로 토폴로지에 부가하여 또는 그 대신 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 압력 기반 터치 입력으로부터와 같은 압력 P가 엘라스토머 층(112a)의 엘라스토머 재료를 변형할 때, 컨트롤 유닛(140)은 각 스택(110a-110d)에 의해 형성되는 임의의 커패시터의 커패시턴스 변화가 있는지 여부를 결정함에 의하여 변형을 검출하도록 구성될 수 있다. 임의의 커패시터의 커패시턴스에서 정의된 또는 측정된 커패시턴스, 예를 들어, 기준 커패시턴스에 대해, 정의된 임계치보다 큰 변화가 있으면, 컨트롤 유닛(140)은 압력 기반 터치 입력이 있다고 결정할 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 엘라스토머 재료는 기계적 입력을 전기적 출력으로 변환하도록 구성될 수 있으며, 따라서 변형에 응답하여 전기적 신호를 생성한다. 그러나, 다른 실시예에서, 엘라스토머 재료는 변형에 응답하여 전기적 신호를 생성하도록 구성되지 않는다. 이러한 실시예에서, 신호 감지 회로(150)는 엘라스토머 재료의 커패시턴스 변화를 검출하기 위해 자체 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 4b는 신호 발생 회로(154), 연산 증폭기(152) 및 저항기(R1)를 갖는 신호 감지 회로(150)의 예를 도시한다. 일부 경우에서, 신호 발생 회로(154)는 신호 발생 회로(130)와 상이하다. 이런 경우에, 신호 발생 회로(130)는 감지 모드에서 스택(110a)의 전극(114a, 116a) 모두로부터 전기적으로 분리된다. 다른 경우에, 신호 발생 회로(154)가 신호 발생 회로(130)와 공통적인 구성요소를 가질 수 있거나, 신호 발생 회로(130)와 동일할 수 있다.
도 4b에 도시한 예에서, 신호 감지 회로(150)의 출력 전압 vo은 v1cfr로 계산될 수 있으며, 여기에서 v1은 신호 발생 회로(154)에 의해 생성된 정현파 신호의 진폭이고, f는 정현파 신호의 주파수이고, c는 스택(110a)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스이고, r은 R1의 저항이다. 일 실시예에서, 신호 발생 회로(154)는 v1의 진폭을 0.1 V와 5 V 사이의 범위로 제한하도록 구성될 수 있다. 컨트롤 유닛(140)은 커패시턴스를 c = vo/(v1fr)로 계산하고 커패시턴스가 적어도 임계치 양만큼 변화되었는지 결정하도록 구성될 수 있다. 커패시턴스가 적어도 임계치 양만큼 변화되었으면, 컨트롤 유닛(140)은 압력 기반 터치 입력이 수신되었다고 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 스택(110a)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스는 전극(116a, 114a)의 표면적 A 및 전극(116a, 114a)을 분리하는 거리 d에 의존할 수 있다. 예를 들어, 커패시턴스는 Aε/d에 기반할 수 있고, 여기에서 ε는 엘라스토머 층(112a)의 유전 상수이다. 압력 기반 터치 입력은 엘라스토머 층(112a)의 두께를 감소시킬 수 있고, 이는 전극(116a, 114a)을 분리하는 거리 d를 감소시키거나 및/또는 전극(116a, 114a)의 표면적 A를 증가시킬 수 있다. 결과적으로 스택(110a)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스는 증가될 수 있다 증가된 커패시턴스는, 예를 들어, 도 4b의 v1와 vo사이의 감쇠의 감소량에 반영될 수 있다. 일 실시예에서, 커패시턴스 변화는 vo와 v1 사이의 위상 시프트가 적어도 임계치 양만큼 변화되었는지 여부를 결정함에 의하여 검출될 수 있다. 다른 실시예에서, 커패시턴스 변화는 전압 상승(ramp-up) 시간이 적어도 임계치 양만큼 변화되었는지 여부를 결정함에 의하여 검출될 수 있으며, 전압 상승 시간은 전압이 정상 상태 값의 (1-1/e) 또는 63%에 도달할 때까지 걸리는 시간을 지칭하며, τ=r*c일 수 있다. 일 실시예에서, 도 4b의 회로는 AC 브리지, 선형 발진기, 다이오드 펌프 또는 임의의 다른 감지 회로와 같은 임의의 다른 감지 회로로 증강되거나 대체될 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은, 감지 모드에서, 압력 기반 터치 입력의 위치 기반 정보를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤 유닛(140)은 스택(110a-110d)의 각 스택으로부터 신호를 수신하고 및/또는 스택(110a-110d)의 각 스택에 대해 커패시턴스 변화를 결정하도록 구성될 수 있다. 스택(110a-110d) 중 제1 스택(110a)의 신호 진폭 또는 커패시턴스 변화가 다른 스택에 비해 높으면, 컨트롤 유닛(140)은 압력 기반 터치 입력이 제1 스택(110a)의 위치와 가깝다고 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 4개의 스택(110a-110d)을 각각 사용자 입력 구성요소(104) 표면 상의 4개의 구역으로 연관시킬 수 있다. 압력 기반 터치 입력의 위치 기반 정보를 결정함에 의하여, 컨트롤 유닛(140)은 4개의 구역 중 어느 구역이 눌러졌는지 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션(106)이 비접촉 사용자 근접과 같은 물체의 비접촉 근접을 검출하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3c는 컨트롤 유닛(140)이 감지 모드이고 사용자 입력 구성요소(104)와 접촉하지 않지만 근접해 있는 사용자의 손가락, 다른 신체 부분, 스타일러스 또는 다른 물체와 같은 물체(190)의 근접을 검출하도록 구성되는 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 물체(190)(손가락 또는 다른 물체)와 사용자 입력 구성요소(104) 사이가 0.1 mm 내지 10 mm 범위에 있을 때 근접이 검출될 수 있다. 일 실시예에서, 물체의 근접 검출이 또한 엘라스토머 서스펜션(106)의 하나 이상의 각 스택(110a-110d)에 의해 형성되는 하나 이상의 커패시터의 커패시턴스 변화 검출에 기반할 수 있다. 스택(110a)의 전극(116a, 114a) 사이의 커패시턴스는, 전극(116a)으로부터 나오는 프린지 전계선에 영향을 줄 수 있거나 및/또는 전극(116a) 상의 측정 신호를 위한 접지로의 다른 용량성 경로를 제공할 수 있는, 예를 들어, 사용자의 손가락과 같은 물체(190)의 존재에 의해 영향을 받을 수 있다. 일 실시예에서, 도 4b의 회로 또는 다른 커패시턴스 검출 회로는 스택(110a)에 의해 형성된 커패시터의 커패시턴스 변화를 검출하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 엘라스토머 서스펜션(106)의 변형이 없고 물체의 근접이 없는 기준 커패시턴스에 대한 커패시턴스의 변화량에 기반하여 압력 기반 터치 입력과 물체의 비접촉 근접을 구분하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 엘라스토머 서스펜션(106)의 변형이 없고 물체의 근접이 없는 기준 전압에 대한 신호 감지 회로(150)의 출력 전압 vo의 변화량에 기반하여 압력 기반 터치 입력과 물체의 비접촉 근접을 구분하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 압력 기반 터치 입력은 제1 정의된 범위 내인 커패시턴스의 변화량 또는 신호 vo의 변화량에 연관될 수 있는 한편 물체의 비접촉 근접은 제2 정의된 범위 내인 커패시턴스의 변화량 또는 신호 vo의 변화량에 연관될 수 있다. 일 실시예에서, 압력 기반 터치 입력으로부터의 변형은 비접촉 사용자 근접과 같은 물체의 비접촉 근접에 의한 것에 비해 커패시턴스 및/또는 신호 감지 회로(150)의 신호 vo에 더 큰 변화량을 초래할 수 있다. 일 실시예에서, 압력 기반 터치 입력으로부터의 변형은 제1 방향의 커패시턴스 및/또는 신호 vo의 변화량을 초래할 수 있는 한편(예를 들어, 커패시턴스 또는 신호 진폭의 증가), 물체의 비접촉 근접은 반대 방향의 커패시턴스 및/또는 신호 vo의 변화량, 예를 들어, 양 또는 신호 진폭의 감소를 초래할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 컨트롤 유닛은 커패시턴스 변화가 제1 범위 이내라는 결정에 응답하여 압력 기반 터치 입력이 검출되었음을 결정하도록 구성될 수 있고, 커패시턴스 변화가 제2 범위 이내라는 결정에 응답하여 물체의 비접촉 근접이 검출되었음을 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 엘라스토머 서스펜션(106)의 엘라스토머 층(112a)을 변형하기에 충분할 수 있는 압력 기반 터치 입력, 엘라스토머 층(112a)을 변형하기에 충분하지 않은 터치 입력 및 물체(190)의 비접촉 근접을 구분하도록 더 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤 유닛(140)은 스택(110a)의 커패시턴스 또는 신호 감지 회로(150)의 신호 vo의 변화량이 제1 정의된 범위 내에 있으면 압력 기반 터치 입력이 검출되었다고 결정할 수 있다. 스택(110a)의 커패시턴스 또는 신호 감지 회로(150)의 신호 vo의 변화량이 제1 정의된 범위와 상이한 제2 정의된 범위 내에 있으면 물체의 비접촉 근접이 검출되었다고 결정할 수 있다. 또한, 스택(110a)의 커패시턴스 또는 신호 감지 회로(150)의 신호 vo의 변화량이 제1 및 제2 정의된 범위와 상이한 제3 정의된 범위 내에 있으면 압력 기반 터치 입력 이외의 터치 입력이 검출되었다고 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 신호 발생 회로(130)는 단일 종단 모드에서 신호를 인가하도록 구성될 수 있으며, 도 3d에 나타난 바와 같이, 신호 감지 회로(150)는 단일 종단 모드에서 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 도 3d는 스택(110a)의 전극(114a)이 신호 발생 회로(130) 및 신호 감지 회로(150)에 대한 접지 전위로 사용되는 사용자 인터페이스 디바이스(100)를 도시한다. 이러한 실시예에서, 신호 발생 회로(130)는 구동 신호를 전극(116a)에 인가하도록 구성될 수 있으며, 구동 신호는 접지 전위에 대해 참조된다. 또한, 신호 감지 회로(150)는 전극(116a)으로부터 신호를 감지하도록 구성될 수 있으며, 감지된 신호는 접지 전위에 대해 참조된다. 이러한 실시예는 신호 발생 회로(130) 및 신호 감지 회로(150) 중 하나를 전극(116a)에 전기적으로 연결하고, 신호 발생 회로(130) 및 신호 감지 회로(150) 중 다른 하나를 전극(116a)으로부터 분리하도록 구성되는 하나의 스위치(161)만을 포함할 수 있다. 도 4c는 도 3d의 실시예와 함께 사용될 수 있는 신호 감지 회로(150)를 도시한다. 도 4c에서 신호 감지 회로(150)는 vo가 전극(116a)의 신호와 동일하게 하기 위해 음의 피드백을 사용하는 연산 증폭기(152)를 포함한다.
일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션(106)은 사용자 입력 구성요소와 베이스 사이에 밀봉을 형성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 5a는 사용자 입력 구성요소(404)와 베이스(402) 사이에 밀봉을 형성하는 엘라스토머 서스펜션(406)을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(400)를 도시한다. 일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(400)는 휴대전화일 수 있으며, 사용자 입력 구성요소(404)는 터치스크린일 수 있고, 베이스(402)는 휴대전화의 하우징의 일부일 수 있다. 일 실시예에서, 엘라스토머 서스펜션(406)은 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(400) 내의 공간을 둘러싸는 고리를 형성하는 단일 고리형 스택(410)만을 포함할 수 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 고리형 스택(410)은 엘라스토머 재료의 고리형 층(412), 즉 엘라스토머 층(412) 및 엘라스토머 층(412)의 대향 측에 배치된 한 쌍의 전극(416, 414)으로 구성될 수 있으며, 또한 도 5b를 참조한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 고리형 스택(410)을 형성하기 위해, 엘라스토머 층(412) 및 한 쌍의 전극(416, 414)은 각각 고리형일 수 있다. 고리형 스택(410)은 스택에 의해 둘러싸이는 공간 내의 구성요소(예를 들어, 프로세서, 메모리, 배터리)에 대해 밀봉을 제공할 수 있다. 이러한 밀봉은 외부 환경에 대한 보호를 제공할 수 있다. 일부 경우에서, 고리형 스택(410)은 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(400)의 하우징 주위를 둘러싸고 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 도 1c의 웨어러블 디바이스의 엘라스토머 서스펜션(306)은 또한 단일 고리형 스택(306)으로 이루어질 수 있다. 고리형 스택(306)은 원형상을 가질 수 있으며, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(300)의 베이스(302) 주위를 둘러싸고 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 실시예의 엘라스토머 서스펜션은 압전 재료 패치로도 지칭될 수 있는 압전 재료 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 서스펜션은 작동 및/또는 감지 기능을 제공하기 위하여 세라믹 압전 재료를 활용할 수 있으며, 서스펜션 기능을 제공하기 위하여 엘라스토머 재료를 활용할 수 있다. 즉, 세라믹 압전 재료는 운동을 생성하기 위하여 압전 효과에 의존하며, 압전 효과는 특정한 상황에서 운동을 생성하는 데 위에서 논의된 바와 같은 한 쌍의 전극 사이에서 생성되는 정전기적 인력과 동등하게 효과적이거나, 더 효과적일 수 있다. 그러나, 세라믹 압전 재료가 적은 양에 의해 변형되어 진동할 수 있지만, 세라믹 압전 재료는 서스펜션으로 효과적이기에는 지나치게 강성이다. 예를 들어, 세라믹 압전 재료가 눌러질 때, 세라믹 압전 재료 자체는 기계적 클릭의 느낌을 제공할 수 없는데, 재료가 눌러지는 것에 응답하여 변형되기에는 지나치게 단단하기 때문이다. 다른 예에서 세라믹 압전 재료는 사용자 인터페이스 디바이스의 베이스를 사용자 입력 구성요소로부터 격리하기에는 지나치게 강성일 수 있다. 반면, 엘라스토머 재료 층은 서스펜션을 위한 변형 및 격리 특징을 제공하기에 더 효과적일 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스는 세라믹 압전 재료 층 및 엘라스토머 재료 층을 조합한 복합재 엘라스토머 서스펜션을 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 세라믹 압전 재료 층 및 엘라스토머 재료 층의 조합을 포함하는 복합재 엘라스토머 서스펜션(506)을 도시한다. 더 구체적으로, 도면은 베이스(502), 사용자 입력 구성요소(504) 및 제1 스택(510a) 및 제2 스택(510b)을 포함하는 복합재 엘라스토머 서스펜션(506)을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(500)를 도시한다. 일 실시예에서, 제1 스택(510a) 및 제2 스택(510b)은 엘라스토머 서스펜션(506)을 구성하는 단지 두 개의 스택일 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제1 스택(510a)은 세라믹 압전 재료와 같은 압전 재료의 층(518a), 즉 압전층(518a) 및 엘라스토머 재료의 층(512a), 즉 엘라스토머 층(512a)과, 압전층(518a)과 전기적으로 접촉되도록 압전층(518a)의 대향측 바로 위에 있는 전극(516a 및 514a)을 포함할 수 있다. 제2 스택(510b)은 압전 재료의 층(518b), 즉 압전층(518b) 및 엘라스토머 재료의 층(512b), 즉 엘라스토머 층(512b)과, 압전층(518b)과 전도성 접착제를 통해서와 같이 전기적으로 접촉되도록 압전층(518b)의 대향측 바로 위에 있는 전극(516b 및 514b)을 포함할 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서, 스택(510a)은 제3 전극(517a)을 포함할 수 있으며, 엘라스토머 층(512a)이 전극(516a)과 전극(517a) 사이에 바로 배치된다. 유사하게, 스택(510b)은 제3 전극(517b)을 가질 수 있으며, 엘라스토머 층(512b)이 전극(516b)과 전극(517b) 사이에 바로 배치된다. 일 실시예에서, 압전 재료는 100 GPa 내지 300 GPa 범위, 또는 100 GPa 내지 200 GPa 범위의 영률을 갖는 세라믹 압전 재료이다. 이 실시예에서, 엘라스토머 재료는 10 MPa 내지 100 MPa 범위의 영률을 갖는 폴리머일 수 있다. 다른 실시예에서, 압전 재료는 10 MPa 내지 100 MPa 범위의 영률을 갖는 폴리머 압전 재료이다. 일 실시예에서, 스택(510a)은 압전층(518a), 엘라스토머 층(512a), 전극(514a, 516a) 및 그 사이의 임의의 접착제만을 포함하며, 제3 전극(517a)은 생략된다.
일 실시예에서, 압전층(518a)의 압전 재료는 구동 신호가 압전층(518a)에 걸쳐 전압차를 생성할 때 진동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 7a는 위에서 논의된 컨트롤 유닛(140)이 작동 모드이며, 신호 발생 회로(130)를 스택(510a)의 전극(516a, 514a)에 전기적으로 연결하고, 신호 발생 회로(150)를 전극(516a, 514a)으로부터 전기적으로 분리하기 위해 스위치(161, 162)를 사용하여 예를 도시한다. 구동 신호는 전극(516a, 514a) 사이에 전압차를 생성하기 위하여 차동 모드로 인가될 수 있으며, 따라서 압전층(518a)의 대향 단부에 걸쳐 전압차가 생성된다. 일 실시예에서, 구동 신호는 1 V 내지 50 V 범위의 진폭을 갖는다.
감지 모드에서, 도 7a의 컨트롤 유닛(140)은 신호 발생 회로(130)를 전극(516a, 514a)으로부터 전기적으로 분리하고, 신호 발생 회로(150)를 전극(516a, 514a)에 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 압력 기반 터치 입력은 압전층(518a)의 압전 재료를 변형할 수 있다. 압전층(518a)의 압전 재료는 서스펜션의 역할을 하기에 충분한 정도로 변형되지 않을 수 있지만, 이 실시예에서, 압력 기반 터치 입력을 감지하기에 충분할 정도로는 변형될 수 있다. 압전 재료가 변형될 때, 이는 전기적 신호를 생성할 수 있고, 이는 전극(516a 및/또는 514a)으로 전달된다. 신호 감지 회로(150)는 신호를 감지할 수 있다. 신호가 적어도 정의된 임계치인 진폭을 가지면, 컨트롤 유닛(140)은 압력 기반 터치 입력이 수신되었음을 결정할 수 있다.
도 7b는 제3 전극(517a)을 포함하는 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 압전층(518a) 및 엘라스토머 층(512a) 모두와 전기적으로 접촉하는 전극(516a)이 접지 전위와 같은 공통 전압 기준으로 사용될 수 있다. 이 예에서, 컨트롤 유닛(140)은, 감지 모드에서, 신호 발생 회로(130)를 전극(514a)에 전기적으로 연결하고, 신호 감지 회로(150)를 전극(514a)으로부터 분리하기 위해 스위치(162)를 제어하도록 구성될 수 있다. 또한, 도 7b의 실시예는 신호 발생 회로(130) 및 신호 감지 회로(150) 중 하나를 제3 전극(517a)에 전기적으로 연결하고, 신호 발생 회로(130) 및 신호 감지 회로(150) 중 다른 하나를 제3 전극(517a)으로부터 전기적으로 분리하기 위해, 스위치(161)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 스위치(162)가 생략될 수 있다. 예를 들어, 도 7c는 신호 발생 회로(130) 또는 신호 감지 회로(150) 중 하나를 전극(514a 및 517a) 모두에 전기적으로 연결하고, 신호 발생 회로(130) 또는 신호 감지 회로(150) 중 다른 하나를 전극(514a 및 517a) 모두로부터 전기적으로 분리하기 위해 단일 스위치(161)만을 사용하는 실시예를 도시한다. 도 7d는 신호 발생 회로(130)가 엘라스토머 층(512a)이 아니라 압전층(518a)만을 구동하는 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 신호 발생 회로(130) 또는 신호 감지 회로(150) 중 하나를 전극(514a)에 전기적으로 연결하고, 신호 발생 회로(130) 또는 신호 감지 회로(150) 중 다른 하나를 전극(514a)으로부터 분리하도록 구성되는 단일 스위치(161)를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 전극(517a)은 신호 발생 회로(130)에 전기적으로 연결되지 않지만, 신호 감지 회로(150)에 전기적으로 연결될 수 있다.
다양한 실시예가 상술되었지만, 이들은 단지 본 발명의 예시 및 예로서 제시된 것일뿐, 제한하려는 것이 아님을 이해하여야 한다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항에서의 다양한 변화가 이루어질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 폭 및 범위는 상술한 예시적인 실시예 중 어느 것에 의해서도 제한되어서는 안되며, 첨부된 청구 범위 및 그 균등물에 따라서만 정의되어야 한다. 본원에서 논의된 각 실시예의 각 특징 및 본원에서 인용된 각 참조의 각 특징은 임의의 다른 실시예의 특징과 조합하여 사용될 수 있음이 또한 이해될 것이다.

Claims (20)

  1. 사용자 입력 구성요소(user input component);
    상기 사용자 입력 구성요소를 지지하는 베이스;
    상기 사용자 입력 구성요소가 상기 베이스에 직접 접촉하지 않도록 상기 사용자 입력 구성요소를 상기 베이스 상에 부유하게 하는(suspending) 엘라스토머 서스펜션 - 상기 엘라스토머 서스펜션은 엘라스토머 재료의 엘라스토머 층을 포함하고 상기 엘라스토머 층의 대향 측면 상에 한 쌍의 전극을 포함하는 적어도 하나의 스택에 의해 형성되고, 상기 적어도 하나의 스택은 적어도 하나의 커패시터를 형성함 -;
    신호 발생 회로;
    신호 감지 회로;
    상기 신호 감지 회로 및 상기 신호 발생 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 연결하고 분리하도록 구성되는 하나 이상의 스위치; 및
    상기 신호 발생 회로, 상기 신호 감지 회로 및 상기 하나 이상의 스위치와 통신하는 컨트롤 유닛을 포함하고, 상기 컨트롤 유닛은,
    작동 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 발생 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터에 전기적으로 연결시키고 상기 신호 감지 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 분리시키도록 하고, 상기 신호 발생 회로가 제1 신호를 구동 신호로서 상기 적어도 하나의 커패시터에 인가하도록 하고, 상기 구동 신호는 햅틱 효과를 생성하기 위하여 상기 한 쌍의 전극의 서로를 향한 상대 운동을 일으키며,
    감지 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 감지 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터에 전기적으로 연결시키고, 상기 신호 감지 회로에 의해 감지된 제2 신호에 기반하여, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스(haptic-enabled user interface device)의 상기 사용자 입력 구성요소에 의해 터치 입력이 수신되었는지 여부를 결정하게 하도록 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 감지 모드에서, 상기 신호 감지 회로에 의해 감지된 상기 제2 신호에 기반하여, 상기 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스가 정의된 또는 측정된 기준 커패시턴스로부터 적어도 정의된 임계치만큼 변화하였는지의 여부를 결정함으로써 상기 터치 입력이 수신되었는지 여부를 결정하도록 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 감지 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 발생 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터로부터 전기적으로 분리하게 하도록 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 작동 모드에서, 상기 신호 감지 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터의 상기 한 쌍의 전극 모두로부터 전기적으로 분리하도록 구성되고, 상기 감지 모드에서, 상기 신호 발생 회로를 상기 적어도 하나의 커패시터의 상기 한 쌍의 전극 모두로부터 전기적으로 분리하도록 더 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  5. 제2항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은 상기 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스에 변화가 있다는 결정에 응답하여 상기 사용자 입력 구성요소에서 압력 기반 터치 입력이 수신되었음을 결정하도록 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은 상기 적어도 하나의 커패시터의 커패시턴스 변화 검출에 응답하여 상기 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스의 상기 사용자 입력 구성요소로 물체의 비접촉 근접이 검출되었음을 결정하도록 구성되며, 상기 압력 기반 터치 입력은 측정된 또는 정의된 기준 커패시턴스에 대한 제1 정의된 범위 내의 커패시턴스 변화와 연관되고, 상기 물체의 비접촉 근접은 상기 측정된 또는 정의된 기준 커패시턴스에 대한 제2 정의된 범위 내의 커패시턴스 변화와 연관되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구동 신호는 500 V 내지 10 kV 범위의 진폭과 10 Hz 내지 500 Hz 범위의 주파수를 가지는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머 재료는 쇼어(shore) 00-10 내지 쇼어 A-50 범위의 듀로미터(durometer)를 갖는 폴리머이고, 상기 한 쌍의 전극 각각은 신축성 전도 재료로 형성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  9. 제9항에 있어서, 상기 엘라스토머 층의 상기 엘라스토머 재료는 폴리이소프렌, 이소부틸렌, 이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 폴리아크릴 고무 또는 실리콘 고무 중 적어도 하나를 포함하고 상기 신축성 전도 재료는 그래핀을 포함하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 사용자 입력 구성요소는 버튼인 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스는 웨어러블 디바이스인 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머 서스펜션의 상기 적어도 하나의 커패시터는 각각 복수의 커패시터를 형성하는 복수의 스택을 포함하고, 상기 신호 감지 회로는 상기 복수의 커패시터로부터 각각의 신호를 수신하도록 구성되고, 상기 각각의 신호에 기반하여 상기 사용자 입력 구성요소의 표면 상의 상기 터치 입력에 대한 위치 기반 정보를 결정하도록 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스택은 0.2 mm와 10 mm 사이 범위의 두께를 갖는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머 서스펜션은 500 Hz 이하의 공진 주파수를 갖는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머 서스펜션은 상기 사용자 입력 구성요소와 상기 베이스 사이에 밀봉을 형성하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 상기 엘라스토머 서스펜션은 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극과 접촉하는 세라믹 압전 재료의 압전층을 더 포함하며, 상기 구동 신호는 상기 압전층을 진동하게 하는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  17. 사용자 입력 구성요소;
    상기 사용자 입력 구성요소를 지지하는 베이스;
    상기 사용자 입력 구성요소가 상기 베이스에 직접 접촉하지 않도록 상기 사용자 입력 구성요소를 상기 베이스 상에 부유하게 하는 엘라스토머 서스펜션 - 상기 엘라스토머 서스펜션은 압전 재료의 압전층, 상기 압전 재료의 대향 측면 상의 한 쌍의 전극, 및 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 하나의 전극과 접촉하는 엘라스토머 재료의 엘라스토머 층을 포함하는 적어도 하나의 스택에 의해 형성됨 -;
    신호 발생 회로;
    신호 감지 회로;
    상기 신호 감지 회로 및 상기 신호 발생 회로를 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 제1 전극 또는 제2 전극으로부터 전기적으로 연결하고 분리하도록 구성되는 하나 이상의 스위치; 및
    상기 신호 발생 회로, 상기 신호 감지 회로 및 상기 하나 이상의 스위치와 통신하는 컨트롤 유닛을 포함하고, 상기 컨트롤 유닛은,
    작동 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 발생 회로를 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 전기적으로 연결시키도록 하고, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 감지 회로를 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 적어도 하나로부터 전기적으로 분리시키도록 하고, 상기 신호 발생 회로가 상기 압전층의 진동을 야기하는 구동 신호로서 제1 신호를 발생시키도록 하며,
    감지 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 감지 회로를 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 전기적으로 연결시키도록 하고, 상기 신호 감지 회로에 의해 감지된 제2 신호에 기반하여, 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스에 의해 사용자 입력이 수신되었는지 여부를 결정하게 하도록 구성되며, 상기 제2 신호는 상기 압전층의 변형에 의해 야기되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 컨트롤 유닛은, 상기 작동 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 감지 회로를 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 모두로부터 전기적으로 분리하게 하도록 구성되고, 상기 감지 모드에서, 상기 신호 발생 회로를 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 모두로부터 전기적으로 분리하게 하도록 구성되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  19. 제17항에 있어서, 제3 전극을 더 포함하며, 상기 엘라스토머 층은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 배치되고,
    상기 컨트롤 유닛은, 상기 작동 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 발생 회로를 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극 모두에 전기적으로 연결하게 하고, 상기 신호 감지 회로를 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극 모두로부터 전기적으로 분리되게 하도록 구성되고,
    상기 컨트롤 유닛은, 상기 감지 모드에서, 상기 하나 이상의 스위치가 상기 신호 감지 회로를 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극 모두에 전기적으로 연결하게 하고, 상기 신호 발생 회로를 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극 모두로부터 전기적으로 분리되게 하도록 구성되며,
    상기 제2 전극은 전기적으로 접지되는 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
  20. 제17항에 있어서, 세라믹 압전 재료는 100GPa 내지 300GPa 범위의 영률(Young's Modulus)을 가지고, 상기 구동 신호는 1V 내지 50V 범위의 진폭을 가지며, 상기 엘라스토머 재료는 10 MPa 내지 100 MPa 범위의 영률을 갖는 폴리머인 햅틱 가능 사용자 인터페이스 디바이스.
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