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KR101691278B1 - 휨 빔에 의해 지지되는 플랫폼 상의 하중 측정을 위한 모멘트 보상형 휨 빔 센서 - Google Patents

휨 빔에 의해 지지되는 플랫폼 상의 하중 측정을 위한 모멘트 보상형 휨 빔 센서 Download PDF

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KR101691278B1
KR101691278B1 KR1020147033438A KR20147033438A KR101691278B1 KR 101691278 B1 KR101691278 B1 KR 101691278B1 KR 1020147033438 A KR1020147033438 A KR 1020147033438A KR 20147033438 A KR20147033438 A KR 20147033438A KR 101691278 B1 KR101691278 B1 KR 101691278B1
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KR
South Korea
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bending
sensor
strain
flexural
force
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KR1020147033438A
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조나 에이. 할리
페테리스 케이. 오겐베그스
스토스 티. 호엔
샘 레아 사르시아
존 엠. 브럭
Original Assignee
애플 인크.
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Publication date
Application filed by 애플 인크. filed Critical 애플 인크.
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Publication of KR101691278B1 publication Critical patent/KR101691278B1/ko
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Abstract

터치 입력 디바이스에 결합되는 휨 빔 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 휨 빔을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 빔의 제1 단 근처의 빔의 표면 상에 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 배치하는 단계 및 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 축을 따라 빔과 정렬하는 단계를 포함한다. 제1 단은 베이스에 부착된다. 방법은 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 터치 입력 디바이스의 플레이트에 결합하는 단계, 및 하중이 터치 입력 디바이스의 플레이트 상에 인가될 때 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지로부터 차동 신호가 획득되도록 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함한다.

Description

휨 빔에 의해 지지되는 플랫폼 상의 하중 측정을 위한 모멘트 보상형 휨 빔 센서{MOMENT COMPENSATED BENDING BEAM SENSOR FOR LOAD MEASUREMENT ON PLATFORM SUPPORTED BY BENDING BEAMS}
관련 출원들의 상호 참조
본 특허협력조약 특허 출원은 2012년 5월 3일자로 출원되고 명칭이 "휨 빔에 의해 지지되는 플랫폼 상의 하중 측정을 위한 모멘트 보상형 휨 빔 센서(Moment Compensated Bending Beam Sensor For Load Measurement On Platform Supported By Bending Beams)"인 미국 가출원 제61/642,423호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전문이 본 명세서에 참조로서 편입된다.
본 발명은 일반적으로 트팩패드 또는 컴퓨팅 입력 디바이스와 같은 다른 표면 상의 힘을 측정하기 위한 방법 및 센서에 관한 것이다.
힘 센서(force sensor), 예컨대 휨 빔 센서(bending beam sensor)는 센서가 부착되어 있는 표면 상의 물체에 의해 가해지는 힘을 측정한다. 표준형 휨 빔 변형 센서는 쉽게 이용가능한 컴포넌트들에 의해 용이하게 측정되기에 충분히 큰 출력을 갖는다. 휨 빔 센서는 힘에 의해 생기는 변형을 측정하는 변형 게이지(strain gauge)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 힘이 더 클수록, 생기는 변형이 더 크다. 따라서, 변형 게이지는 빔 상의 하중, 또는 빔에 부착된 물체에 의해 가해지는 힘을 간접적으로 측정하고 산출하는 데 사용될 수 있다.
그러나, 일부 경우에서, 통상적인 휨 빔 변형 센서가 가해진 힘을 측정하는 데 불충분하다는 것을 보여줄 수 있다. 다수의 빔에 의해 지지되는 플레이트의 경우에서, 예를 들어 플레이트 상에 가해지는 힘이 힘의 모멘트(moment)에 기인하여 휨 빔 센서에 의해 부정확하게 측정될 수 있다는 것이 가능하다. 즉, 힘 또는 하중이 플레이트에 인가될 때, 표준형 휨 빔 변형 센서에 의해 측정되는 변형은, 트랙패드(trackpad) 또는 플레이트 상의 힘 또는 하중의 위치 및 또한 플레이트와 휨 빔 사이의 연결에 좌우된다. 이는 컴퓨팅 디바이스용 힘-감응형 입력 디바이스(force-sensitive input device)와 같은 특정 메커니즘들에서 문제가 있음을 보여줄 수 있다. 이러한 입력 디바이스들의 예들은 트랙패드, 버튼, 키보드 상의 키, 압력-감응형 터치 스크린 등을 포함할 수 있다.
따라서, 휨 빔들을 사용하여 지지되는 플랫폼(platform) 상의 하중 측정을 위한 방법 및 디바이스를 개발할 필요가 남아있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 휨 빔에 의해 지지되는 플랫폼 상의 하중 측정을 위한 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 제공할 수 있다. 본 개시 내용은 플랫폼 상의 하중을 측정하기 위한 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 터치 입력 디바이스에 결합되는 휨 빔 센서를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은, 예를 들어, 휨 빔을 제공하는 단계, 빔의 제1 단(end) 근처의 빔의 표면 상에 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 배치하는 단계, 및 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 축을 따라 빔과 정렬하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 단은 통상적으로 베이스에 부착된다. 방법은 하중이 터치 입력 디바이스의 플레이트 상에 인가될 때 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지로부터 차동 신호가 획득되도록 둘 모두가 전기적으로 연결되는 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 채택할 수 있다.
다른 실시예에서, 휨 빔 센서들과 결합되는 터치 입력 디바이스를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 적어도 3개의 휨 빔을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 휨 빔의 표면 상에 제1 휨 빔 센서를 배치하는 단계 및 제1 빔의 제1 단과 제2 자유단 사이에서 제1 휨 빔 센서를 제1 빔과 정렬하는 단계를 포함하며, 제1 빔의 제1 단은 제1 빔 베이스에 부착된다. 방법은 제2 휨 빔의 표면 상에 제2 휨 빔 센서를 배치하는 단계 및 제2 빔의 제1 단과 제2 자유단 사이에서 제2 휨 빔 센서를 제2 빔과 정렬하는 단계를 더 포함하며, 제2 빔의 제1 단은 제2 빔 베이스에 부착된다. 방법은 또한 제3 휨 빔의 표면 상에 제3 휨 빔 센서를 배치하는 단계 및 제3 빔의 제1 단과 제2 자유단 사이에서 제3 휨 빔 센서를 제3 빔과 정렬하는 단계를 포함하며, 제3 빔의 제1 단은 제3 빔 베이스에 부착된다. 방법은 제1, 제2 및 제3 휨 빔 센서들을 터치 입력 디바이스의 플레이트에 결합하는 단계 및 신호들을 출력하는 제1, 제2 및 제3 휨 빔 센서들을 프로세서에 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스는 휨 빔에 결합되는 플레이트에 제공된다. 플레이트는 플레이트의 상부 표면 상에 힘을 인가하기 위해 구성된다. 센서 디바이스는 빔 베이스에 부착되는 제1 단을 갖는 휨 빔을 포함한다. 센서 디바이스는 휨 빔에 부착되는 휨 빔 센서를 또한 포함한다. 휨 빔 센서는 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 포함하고, 각 변형 게이지는 휨 빔과 정렬되며 제1 단과 제2 자유단 사이에 배치된다.
여전히 또 다른 실시예에서, 터치 입력 디바이스가 제공된다. 입력 디바이스는 플레이트의 상부 표면 상에 힘을 인가하기 위해 구성되는 플레이트를 포함한다. 입력 디바이스는 또한 플레이트에 부착되는 위치 센서를 포함한다. 입력 디바이스는 또한 플레이트에 결합되는 4개의 휨 빔 및 위치 센서를 포함하며, 각 휨 빔은 빔 베이스에 부착되는 제1 단을 갖는다. 입력 디바이스는 각 휨 빔에 부착되는 휨 빔 센서를 더 포함한다. 각 휨 빔 센서는 휨 빔과 정렬되고 제1 단과 제2 자유단 사이에 배치되는 제1 쌍의 변형 게이지 및 제2 쌍의 변형 게이지, 및 제1 쌍의 변형 게이지와 제2 쌍의 변형 게이지를 포함한다.
다른 실시예에서, 플레이트 상의 힘 및 힘의 위치를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지에서의 전압 변화를 감지하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 변형 게이지는 플레이트에 결합되는 단일 빔의 공통 측면 상에 위치설정된다. 방법은 또한 제1 변형 게이지와 제2 변형 게이지 사이의 차동 전압을 획득하는 단계를 포함한다. 방법은 차동 전압을 프로세서로 전송하는 단계; 및 차동 전압을 플레이트 상의 힘으로 변환하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 터치 입력 디바이스가 제공된다. 입력 디바이스는 플랫폼을 포함하며, 적어도 하나의 휨 빔이 플랫폼을 지지한다. 입력 디바이스는 또한 적어도 하나의 휨 빔 상에 배치되는 적어도 하나의 힘 센서를 포함한다. 힘 센서는 플랫폼 상에 가해진 힘을 측정하도록 동작한다. 적어도 하나의 힘 센서는 적어도 3개의 별개의 힘 레벨을 출력하도록 동작한다.
부가적인 실시예들 및 특징들은 이하의 설명에서 부분적으로 상술되며, 부분적으로는 본 명세서의 심사 시에 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해지거나 또는 본 발명의 실행에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 특징 및 이점에 관한 추가적 이해는 본 개시 내용의 일부를 형성하는 명세서의 나머지 부분 및 도면을 참조하는 것에 의해 실현될 수 있다.
<도 1a 내지 도 1c>
도 1a 내지 도 1c는 여러 구성들에서의 하중 측정을 위한 표준형 휨 빔 변형 센서의 도면.
<도 1d>
도 1d는 하나의 변형 게이지를 포함하는 표준형 휨 빔 변형 센서에 대한 회로 다이어그램.
<도 1e>
도 1e는 4개의 변형 게이지를 포함하는 표준형 휨 빔 변형 센서에 대한 회로 다이어그램.
<도 2>
도 2는 표준형 휨 빔 변형 센서에 대한 회로 다이어그램.
<도 3a>
도 3a는 일 실시예에서 하중 측정을 위한, 빔의 일 측면 상에 2개의 변형 게이지 또는 두 쌍의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 도면.
<도 3b>
도 3b는 일 실시예에서 2개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도.
<도 3c>
도 3c는 일 실시예에서 두 쌍의 변형 게이지 또는 4개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도.
<도 3d>
도 3d는 일 실시예에서 가요성 지지부를 구비한 모멘트 보상형 휨 빔의 측면도.
<도 3e>
도 3e는 다른 실시예에서 가요성 지지부를 구비한 모멘트 보상형 휨 빔의 측면도.
<도 4>
도 4는 일 실시예에서 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 위한 2개의 변형 게이지에 대한 전기 연결의 다이어그램.
<도 5>
도 5는 일 실시예에서 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 위한 두 쌍의 변형 게이지에 대한 휘트스톤 브리지 연결(Wheatstone bridge connection)의 다이어그램.
<도 6a>
도 6a는 일 실시예에서 휨 빔과 정렬되는 공통 캐리어 상에 2개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도.
<도 6b>
도 6b는 다른 실시예에서 휨 빔과 정렬되는 공통 캐리어 상에 4개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도.
<도 7a>
도 7a는 일 실시예에서 4개의 휨 빔을 사용하여 지지되는 트랙패드(TP) 및 4개의 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 사용하는 하중 측정을 위한 시스템 다이어그램의 평면도.
<도 7b>
도 7b는 도 7a의 휨 빔(702A)을 통한 단면도.
<도 7c>
도 7c는 일 실시예에서 다양한 힘 위치에서 힘들 하에 4개의 휨 빔을 사용하는 플랫폼의 평면도.
<도 8a>
도 8a는 다른 실시예에서 코너들에 4개의 휨 빔을 구비한 트랙패드의 저부의 사시도.
<도 8b>
도 8b는 일 실시예에서 도 8a의 코너에서의 4개의 빔 중 하나의 빔의 확대도.
<도 9>
도 9는 일 실시예에서 터치 입력 디바이스에 결합되는 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 제조하기 위한 단계들을 예시하는 플로 차트.
<도 10>
도 10은 빔과 정렬되는 4개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 이용하는 예시적인 변형 프로파일.
<도 11>
도 11은 일 실시예에서 예시적인 트랙패드의 도면.
<도 12a>
도 12a는 0.8mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서 및 표준형 휨 빔 변형 센서나 비모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 A를 따르는 하나의 샘플 힘 출력의 도면.
<도 12b>
도 12b는 0.8mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서 및 표준형 휨 빔 변형 센서나 비모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 B를 따르는 하나의 샘플 힘 출력의 도면.
<도 13a>
도 13a는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 A를 따르는 하나의 샘플 힘 출력의 도면.
<도 13b>
도 13b는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 B를 따르는 하나의 샘플 힘 출력의 도면.
<도 14a>
도 14a는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대해 하중의 함수로서 모멘트 보상형 휨 빔 센서 출력의 샘플 선형성의 도면.
<도 14b>
도 14b는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대해 선형성으로부터의 샘플 모멘트 보상형 휨 빔 센서 편차의 도면.
<도 15>
도 15는 일 실시예에서 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 구비한 트랙패드에 대한 힘 및 힘의 위치를 결정하는 단계들을 예시하는 플로 차트.
<도 16>
도 16은 일 실시예에서 트랙패드를 위한 간략한 시스템 다이어그램.
본 개시 내용은 하기 간단하게 설명된 도면들과 결합되어 취해진 하기 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 참조하여 이해될 수 있다. 예시적인 명확성의 목적을 위해, 도면에서의 소정의 요소들은 일정한 비율로 도시되지 않을 수도 있다는 점에 주의해야 한다.
일반적으로, 본 명세서에서 논의된 실시예들은 하중 또는 힘을 결정하기 위한 센서, 또는 그러한 센서들과 함께 동작하는 구조물들의 형태를 취할 수 있다. 일례로서, 트랙패드는 본 명세서에서 논의되는 바와 같이 하나 이상의 힘 센서와 연관될 수 있다. 트랙패드에 힘이 인가됨에 따라, 센서(들)가 변형을 검출할 수 있다. 그 변형은 트랙패드 상에 가해지는 힘에 상관될 수 있으므로, 가해지는 힘의 양이 결정될 수 있다. 더욱이, 적절한 구성들에서 다수의 센서를 채택함으로써, 힘이 인가되는 위치는 힘의 크기에 부가하여 결정될 수 있다.
일부 실시예들은 다수의 위치에서 다수의 힘의 검출을 허용할 수 있다.
게다가, 그러한 힘들이 컴퓨팅 디바이스에 입력으로서 사용될 수 있다는 점이 인식되어야 한다. 즉, 힘을 측정함으로써, 힘이 컴퓨팅 시스템에 입력으로서 처리될 수 있으며, 입력은 인가된 힘의 정도에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 입/출력 디바이스들은 변형 센서들의 사용을 통해 비-이진 입력(non-binary input)들을 수용할 수 있으며, 이는 본 명세서에서 논의되는 바와 같다. 추가로, 실시예들은 여러가지 상이한 입/출력 메커니즘들에서 또는 그들로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 변형(그리고 이에 의한 힘)은 본 명세서에서 논의되는 실시예들에 따른 여러가지 입력 표면들 상에서 측정될 수 있다. 따라서, 다양한 표면들이 랩톱 및/또는 데스크톱 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 디바이스, 터치 패드, 대시보드(dashboard), 제어 버튼 및 스위치 등과 같은 여러가지 컴퓨팅 디바이스들에 입력으로서 사용될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 빔 상에 있고 하중 측정을 위해 사용되는 휨 빔 변형 센서를 예시하며, 도 1a 내지 도 1c 각각은 하중 위치가 빔을 따라 변경될 때 여러 구성들에서의 빔 센서 및 빔을 예시한다. 빔들은 예를 들어 힘-감응형 트랙패드를 지지하는 데 사용될 수 있다.
도 1a는 표준형 휨 빔 변형 센서(102)가 빔(106)의 빔 베이스(102) 근처에 배치되며 X축을 따라 수평적으로 위치설정되는 것을 도시한다. 표준형 휨 빔 변형 센서(102)는 X축을 따른 변형에 응답하도록 배향된다. 실시예에서, 트랙패드(108)는 빔(106) 및 빔의 축과 정렬되는 센서(102)에 실질적으로 평행하다. 이 축은 도면에서 "X축"으로서 지칭된다. 트랙패드(108)는 겔(gel)(110)을 개재하여 휨 빔(106)에 부착된다.
여전히 도 1a를 참조하면, 하중은 Z축을 따라 겔(110)의 중심(114C)을 개재하여 수직으로 인가된다. 이러한 경우에서, 겔 층(110A)은 균일한 두께를 갖지만, 대안적인 실시예들에서는 겔이 불균일하거나 상이한 형상일 수 있다. 트랙패드(108)는 플랫폼이거나 플레이트일 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 힘이 인가됨에 따라, 겔은 빔 베이스(104) 쪽으로 압축될 수 있다. 힘 위치(114A)보다 빔 베이스(104)에 더 가까운 힘 위치(114B)에서 겔(110B)을 개재하여 힘이 인가되도록 빔(106)이 휘어진다.
이제 도 1c를 참조하면, 힘 위치(114A)보다 자유단(112)에 더 가까운 힘 위치(114C)에서 겔(110C)을 개재하여 힘이 인가되도록, 겔이 자유단 또는 에지(112) 근처에서 압축된다. 변형 센서(102)에서 검출된 변형은 빔에 인가된 임의의 추가적인 모멘트 뿐만 아니라 인가된 힘의 크기 및 빔을 따른 힘의 위치 둘 모두에 좌우된다. 도 1a 내지 도 1c에 예시된 바와 같이, 인가된 힘(F)의 위치가 변할 수 있기 때문에, 표준형 휨 빔 변형 센서(102)는 하중 또는 힘의 위치(114)에 대한 불균일한 응답을 갖는다.
도 2는 일 실시예에 따른 하나의 변형 게이지를 포함하는 표준형 휨 빔 변형 센서(102)에 대한 회로 다이어그램을 도시한다. 변형 게이지(S1) 및 하나의 정 저항기(constant resistor)가 도시된 바와 같이 연결되어 있으며, 이러한 구성은 통상 하프-브리지(half-bridge)로서 지칭된다. 저항기(R1)는 출력 전압(Vout)이 일반적으로 V+와 V-의 중간에 놓이게 하도록 표준형 휨 빔 변형 센서(102)의 저항과 거의 동일하게 선택된다. 힘이 도 1b에 도시된 바와 같이 빔에 인가될 때, 빔은 휘어지고, 표준형 휨 빔 변형 센서(102)에서 변형이 생기며, 이는 결국 표준형 휨 빔 변형 센서(102)의 저항을 변화시키므로 출력 전압(Vout)을 변화시킨다.
도 1d는 일 실시예에서 하나의 변형 게이지를 포함하는 표준형 휨 빔 변형 센서(102)에 대한 회로 다이어그램을 도시한다. 변형 게이지(S1) 및 3개의 정 저항기(R)는 완전 휘트스톤 브리지로 연결된다. 전압 공급(Vin)이 인가될 때, 출력 전압(Vout)이 생성된다. 빔이 휘어질 때, 표준형 휨 빔 변형 센서(102)의 저항을 변화시키고 출력 전압(Vout)을 변화시키는 변형이 생긴다.
도 1e는 다른 실시예에서 4개의 변형 게이지를 포함하는 표준형 휨 빔 변형 센서에 대한 회로 다이어그램을 도시한다. 표준형 휨 빔 변형 센서는 완전 휘트스톤 브리지로 전기적으로 연결되는 4개의 변형 게이지(S1A, S1B, S2A, S2B)를 포함할 수 있다. 변형 게이지들은 도 1e에 도시된 바와 같이 배열된다. 변형 센서들은, S1A 및 S1B가 X축에 대해 평행한 변형을 검출하며 S2A 및 S2B가 X축에 대해 평행한 변형에 의해 생기는 푸아송 변형(Poisson strain)을 검출하도록 함께 위치된다. 다시, 전압 공급(Vin)이 인가될 때, 출력 전압(Vout)이 생성된다.
도 3a는 일 실시예에서 하중 측정을 위한, 빔의 일 측면 상에 적어도 2개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 측면도를 예시한다. 모멘트 보상형 휨 빔 센서는 임의의 인가된 모멘트들을 감산하기 위하여 적어도 2개의 변형 게이지들을 차동적으로 사용한다. 도 3b는 일 실시예에서 2개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도를 예시한다. 도 3c는 다른 실시예에서 두 쌍의 변형 게이지 또는 4개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도를 예시한다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 제1 변형 게이지(302) 또는 한 쌍의 변형 게이지(302A, 302B)는 빔 베이스(304) 또는 X축으로서 지칭되는 자신의 축방향 축을 따라 배향되는 빔(306)의 루트(root)에서 또는 그 근처에 배치되며, 제2 변형 게이지(316) 또는 한 쌍의 변형 게이지(316A, 316B)는 또한 빔의 축을 따라 배향되는 빔(306)의 자유단(312) 근처에 배치된다. 변형 게이지들(302와 316, 또는 302A 및 302B와 316A 및 316B)은 그들이 X축을 따라 변형에 응답하도록 배향된다. 제2 변형 게이지 또는 쌍의 변형 게이지는 빔(306)과 플레이트(308) 사이의 지지부 또는 접속부(310)보다 빔 베이스(304) 또는 빔의 루트에 더 가까울 수 있다. 더욱 상세하게는, 제2 변형 게이지(316)의 중심은 빔(306)과 플레이트(308) 사이의 지지부 또는 접속부(310)의 중심보다 빔의 베이스에 더 가까울 수 있다. 자유단(312)이 인가된 힘(F) 하에서 빔 베이스(304)에서 빔의 단으로부터 기울어지도록 빔이 빔의 자유단(312) 근처에서 휘는 것에 주목해야 한다.
특정 실시예들에서, 지지부 또는 접속부(310)는 겔과 같은 점탄성 폴리머(viscoelastic polymer)일 수 있다. "겔"이라는 용어는 빔과 플레이트를 연결하는 임의의 적절한 변형가능한 물질을 지칭할 수 있다. 일부 실시예들에서, 접착제는 겔 대신 또는 겔에 부가하여 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 겔은 생략될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 기계적 체결구(fastener)가 빔과 플레이트를 부착할 수 있다.
도 3a에서, 빔(306)은 강성 지지부(320)에 부착되는 것으로서 도시된다. 대안적인 실시예에서, 강성 지지부(320)는 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이 가요성 지지부(332)에 의해 대체될 수 있다. 빔은 체결구(332)에 의해 가요성 지지부(332)에 클램핑(clamping)되거나 웰딩(welding)될 수 있다. 가요성 지지부(332)는 빔(306)보다 실질적으로 더 강성일 수 있다.
다른 실시예에서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 빔 베이스(304) 근처의 빔 단은 빔을 두껍게 함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 빔의 두께는 강도 변화를 생성하기 위해 현저하게 변화될 수 있다(1.5배 내지 5배의 두께). 도 3e에 도시된 바와 같이, 빔은 단쪽으로 두꺼워지는 어떠한 부분도 갖지 않을 수 있다.
또 다른 실시예에서, 빔 폭은 강도 변화를 생성하기 위해 변화될 수 있다. 여전히 또 다른 실시예에서, 빔 두께 변경, 빔 강도 변경, 빔 폭 변화의 임의의 조합은 빔보다 실질적으로 강성인 단을 또한 생성할 수 있다. 추가의 실시예에서, 빔들은 가요성 지지부 또는 강성 지지부에 연결되는 단들 둘 모두를 가질 수 있다. 또 추가의 실시예에서, 빔의 2개의 단은 빔 두께 변경, 빔 강도 변경, 빔 폭 변화의 조합을 가질 수 있으며, 이는 빔보다 실질적으로 강성인 2개의 단을 생성할 수 있다.
빔은 2개의 변형 게이지(302, 316) 사이에 균일한 두께를 가질 수 있다. 대안적으로, 빔의 두께 또는 폭은 2개의 변형 게이지 사이에서 변할 수 있다. 수학적으로, 2개의 변형 게이지(302, 316) 사이의 곡률(curvature)은 인가된 하중 또는 힘 하에 영(0)의 2차 도함수(second derivative)를 갖는다. 일반적으로, 동작 동안, 2개의 변형 게이지 사이에 인가된 외부 하중 또는 힘이 없다.
일 실시예에서, 2개의 변형 게이지(302, 316)는 휘트스톤 브리지의 하나의 아암(arm)으로서 전기적으로 연결된다(도 4 참조). 휨 빔의 자유단에 인가된 힘은 빔의 길이에 따라 변화하는 모멘트를 유도할 것이다. 이는 2개의 변형 게이지에서의 저항의 상이한 크기 변화를 유도하고 하프 휘트스톤 브리지의 출력이 변화하게 할 것이다. 이러한 출력은 2개의 변형 게이지(302, 316)로부터의 차동 출력이다. 대안적인 실시예에서, 변형 게이지들은 별개의 하프 브리지들에 연결될 수 있다. 이러한 별개의 브리지들로부터의 신호는 아날로그 또는 디지털 회로를 사용하여 감산될 수 있다. 일부 경우에, 그들이 감산되기 전에 각 신호에 별개의 스케일링을 적용할 필요가 있을 수 있다.
모멘트 보상형 휨 빔 센서를 위한 출력 전압은 2개의 변형 게이지들(302(S1), 316(S2))로부터의 출력의 차동 신호이다. 변형 게이지(302)에서,
[수학식 1]
M1 = F(L-x1-a)
[수학식 2]
ε1 = M1t/2EI
[수학식 3]
dR1 = RG ε1
변형 게이지(316)에서,
[수학식 4]
M2 = F(L-x2-a)
[수학식 5]
ε2 = M2t/2EI
[수학식 6]
dR2 = RG ε2
여기서, M1 및 M2은 모멘트이며,ε1 및 ε2 은 변형이고, E는 영률(Young's modulus)이고, I는 빔의 관성 모멘트이고, dR1 및 dR2는 각자의 변형 게이지(302, 316)의 저항 변화이고, R은 각 변형 게이지(302, 316)의 저항이고, G는 변형 게이지들의 게이지 인자이고, t는 빔의 두께이고, w는 빔 폭이며, L은 빔의 길이이다. a는 힘의 위치 또는 빔(306)의 자유단(312)으로부터의 하중의 거리이다. 일부 실시예들에서, 2개의 변형 게이지의 저항은 동일하지 않을 수 있다.
dR1 및 dR2 둘 모두는 빔 길이(L) 및 힘의 위치(a)에 좌우된다는 점에 주목해야 한다. 그러나, 차동 신호(△)는 빔 길이(L) 및 힘의 위치(a)와는 관계없다. 차동 신호는 dR1과 dR2 사이의 차이이며, 이는 다음과 같이 표현된다:
[수학식 7]
△ =dR1-dR2 = RGtF(X2-X1)/2EI
대안적인 실시예에서, 4개의 변형 게이지(302A, 302B, 316A, 316B)는 완전 휘트스톤 브리지로서 전기적으로 연결된다. 도 5는 다른 실시예에 따른, 4개의 변형 게이지를 포함하는, 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 위한 휘트스톤 브리지의 전기적 연결에 대한 회로 다이어그램이다. 출력 전압(Vout)은 힘의 위치 또는 빔의 길이에 좌우되지 않는다. 휘트스톤 브리지는 브리지 회로의 2개의 레그(leg)를 밸런싱(balancing)함으로써 알려지지 않은 전기 저항을 측정하는 데 사용되는 전기 회로이다. 하나의 레그는 알려지지 않은 컴포넌트를 포함하며, 3개의 레그는 알려진 전기 저항을 갖는 저항기에 의해 형성된다. 이러한 구성에서, 4개의 변형 게이지는 3개의 알려진 저항기 및 하나의 알려지지 않은 컴포넌트를 대체한다. 거의 영(0) 출력을 얻기 위하여 저항기들을 밸런싱하는 대신에, 출력 전압(Vout)은 변형 게이지들(302A(S1A), 302B(S1B), 316A(S2A), 316B(S2B))의 저항들을 사용하여 생성된다. 빔(306)의 자유단(312)에 인가된 모멘트는 각 변형 게이지에서의 저항 변화를 유도한다. 출력 노드들은 512a, 512b, 512c 및 512d이며, 이는 또한 전기 접촉부(512)로서 도 6b 및 도 6c에 도시된다.
도 6a는 일 실시예에 따른 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스의 평면도이다. 센서 디바이스(600)는, 휨 빔(306), 및 공통 캐리어(602A) 상에 있으며 휨 빔(306)과 정렬되는 2개의 변형 게이지를 포함한다. 빔 센서(600A)는, 변형 게이지(S1)가 (빔 베이스(304)에 더 가까운) 전기 접촉부(614) 근처에 있고 변형 게이지(S2)가 힘이 인가되는 자유단(312)에 더 가깝게 되도록 빔 상에 배치된다. 센서(600A)의 전기 접촉부(614)가 접촉부들에 대한 손상 및 빔의 길이를 따라 전기 접촉부들을 불필요하게 연장하는 것을 피하기 위하여 하중 위치로부터 이격하여 위치설정되는 것이 유용할 수 있지만, 대안적인 실시예들이 센서를 상이하게 배향할 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 캐리어(602A) 또는 센서(600A)는 빔의 중심 X축과 정렬된다. 이러한 실시예에서, Vexc+는 빔 센서(302)에 연결되고, Vexc-는 빔 센서(316)에 연결된다. 출력(Voutput)은 센서들(302, 316) 사이에 연결된다.
도 6b는 다른 실시예에서 휨 빔(306)과 정렬되는 공통 캐리어(602B) 상에 4개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서의 평면도이다. 다시, 센서(600B)는, 전기 접촉부(512)가 빔 베이스(304)에 더 가깝고 빔의 자유단(312)으로부터 더 이격되도록 빔(306) 상에 배치된다. 전기 접촉부(512)는 휘트스톤 브리지로부터의 4개의 출력 노드를 포함한다. 전기 접촉부(512)는 또한 온도 보상을 위한 와이어 본딩 패드를 포함할 수 있다. 다시, 변형 게이지들(S1A, S1B, S2A, S2B)을 갖는 캐리어는 빔의 중심 X축과 정렬된다.
도 6b는 또한 일 실시예에서의 모멘트 보상형 휨 빔 센서에서 휘트스톤 브리지로 연결되는 4개의 변형 게이지의 배선 레이아웃을 도시한다. 이러한 구성에서, 전기 접촉 패드들(604B)은 도 5에 도시된 바와 같이 노드들(512a 내지 512d)에 연결된다. 이러한 실시예에서, 양의 입력 전압(Vexc+)은 빔 센서들(S1A(302A), S2B(316B))에 연결되며, 음의 입력 전압(Vexc-)은 센서들(S1B(302B), S2B(316B))에 연결된다. 차동 출력의 일 측, 음의 출력(Vout-)은 센서들(S1A(302A), S2A(316A)) 사이에 연결되며, 차동 출력의 제2 측, 양의 출력(Vout+)은 빔 센서들(S1B(302B), S2B(316B)) 사이에 연결된다.
알루미늄 및 강철은 빔 재료를 위한 일반적인 선택이다. 그것들은 많은 유용한 수행된 크기들에서 통상적으로 이용가능하며, 변형 센서들은 열 팽창을 위한 보상 시에 장착되도록 이용가능하다. 티타늄, 플라스틱, 황동(brass) 등을 포함하는 다른 재료들이 가능하다.
추가적으로, 본 개시 내용은 플레이트가 4개의 휨 빔에 의해 그것의 4개의 코너 상에 지지되는 플레이트 장착 방식을 구현하기 위한 방법을 제공한다. 플레이트는 점탄성 폴리머에 의해서와 같은 임의의 적절한 방식으로 빔들에 부착된다. 대안적인 실시예들에서, 플레이트는 접착제, 웰딩을 통한, 기계적 고정부들 등을 사용하여 빔들에 부착될 수 있다.
4개의 휨 빔 각각은 변형 게이지들을 포함하는 휨 빔 센서를 갖는다. 겔(310)은 초(second)들의 시상수를 갖는 인가되는 힘에 응답하여 점탄성 응답 및 변화 형상을 나타낼 수 있다. 겔이 형상을 변화시킴에 따라, 인가된 힘의 위치가 이동한다. 변형 게이지들이 모멘트 영향을 받지 않으므로, 변형 게이지들의 출력은 폴리머의 이러한 점탄성 응답에 의해 영향을 받지 않는다.
도 7a는 트랙패드(700)를 위한 시스템 다이어그램의 평면도이다. 점선은 도 7a에서는 보통 때는 볼 수 없는 요소들을 나타내지만, 본 발명의 특정 개념들을 예시하기 위해 보여진다. 트랙패드(700)는 4개의 휨 빔(702A 내지 702D)에 의해 지지될 수 있는 플랫폼 또는 플레이트(708)를 포함하며 또한 4개의 모멘트 보상형 휨 빔 센서(704A 내지 704D)를 포함한다. 트랙패드 플레이트(708)는 플레이트의 4개의 코너 근처에서 4개의 휨 빔에 결합된다. 결합은 전술한 겔(706A 내지 706D)에 플레이트를 접합함으로써 달성된다. 겔들은 원형 및 비원형 형상들을 포함하는 임의의 형상일 수 있다. 예를 들어, 도 6a는 원형 단면을 갖는 겔을 도시하는 반면, 도 7a는 타원형 단면을 갖는 겔을 도시한다. 다른 형상들(평면 또는 3차원)이 다양한 실시예들에서 사용될 수 있다. 겔들이 도면들에 도시되지만, 겔들은 일부 실시예들에서 제거될 수 있다. 위치 센서(710)는 플레이트(708)의 표면을 따라 겔/플레이트 결합에 또는 그 근처에 배치될 수 있다. 위치 센서(710)는 점선으로 도시된 바와 같이 트랙패드 아래에 있다. 또한, 위치 센서는 그리드의 형태에서 트랙패드의 플랫폼(708) 만큼 큰 위치 감지 층을 포함할 수 있다.
각 모멘트 보상형 빔 센서는 하나의 실시예에서 차동 신호를 생성하도록 함께 연결되는 적어도 2개의 변형 게이지를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 각 모멘트 보상형 빔 센서는 휘트스톤 브리지로서 연결될 수 있는 4개의 변형 게이지를 포함한다. 플레이트에 대하여, 하중 신호들은 트랙패드 상에 가해지는 힘을 결정하도록 휨 빔 센서들로부터 획득될 수 있으며, 하중 위치 신호들은 위치 센서들로부터 획득될 수 있다.
특정 실시예에서, 휨 빔은 대략 10mm 폭, 10mm 길이 및 0.5mm 두께일 수 있으며, 트랙패드는 0.8mm 내지 2.3mm의 범위 내에 있는 두께를 갖는 대략 105mm 길이 및 76mm 폭일 수 있다.
빔의 치수는 플랫폼의 치수 및 형상 뿐만 아니라 다양한 원하는 하중 및 전기 출력에 따라 달라질 수 있다는 점이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 것이다.
특정 실시예들에서, 위치 감지 층은 플레이트의 아래에 놓일 수 있다. 위치 감지 층은, 예를 들어 많은 터치 스크린에 의해 채택되는 것과 유사한 용량성 감지 층일 수 있다. 용량성 감지 층은 행들 및 열들로 배열되고 그리고 터치의 특정 위치를 감지하도록 동작하는 전극들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 위치 감지 층은 스마트폰, 태블릿 컴퓨팅 디바이스, 미디어 재생기 등과 같은 제품들로 통합되는 터치 스크린의 그것과 유사한 방식으로 다수의 동시 터치들을 감지할 수 있다. 터치-감응 층의 동작은 본 기술 분야에서 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 논의하지 않을 것이다.
그러나, 트팩패드의 위치 감지 및 힘 감지가 조합될 수 있다는 점이 인식되어야 한다. 따라서, 힘 감지에 관하여 본 명세서에서의 다양한 논의가 용량성 감지 층 및/또는 용량성 감지 디스플레이 뿐만 아니라 터치되거나, 눌러지거나 그렇지 않으면 상호작용할 수 있는 임의의 다른 컴퓨팅 요소 또는 인클로저에 적용될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 디스플레이 또는 다른 컴퓨팅 요소에 인가되는 힘들이 감지될 수 있도록 구성될 수 있다. 트랙패드 플레이트는 모바일 디바이스 등의 커버 유리 또는 표면에 의해 대체될 수 있으며, 그러한 표면 상의 힘들이 감지된다.
특정 실시예에서, 빔은 트랙패드의 전체 치수들을 줄이기 위하여 균일한 두께를 갖는다. 특정 애플리케이션들에 대하여, 예컨대 태블릿 컴퓨팅 디바이스, 미디어 재생기, 휴대용 컴퓨터, 스마트폰 등에서, 겔과 같은 점탄성 폴리머를 개재한 플레이트와 빔들 사이의 연결이 얇을 것이다.
도 7b는 도 7a의 휨 빔(702A)을 통한 단면도이다. 이 도면에서, 트랙패드 플레이트(708)는 부착된 위치 센서(710)를 갖는다. 위치 센서(710)는 겔(706A)을 개재하여 빔(702A)에 부착된다. 모멘트 보상형 휨 빔 센서들(704A, 704B, 704C, 704D) 각각은 적어도 2개의 변형 게이지(S1, S2) 또는 두 쌍의 변형 게이지, 즉 4개의 변형 게이지를 포함한다는 점에 주목해야 한다.
도 7c는 플랫폼(708) 상의 3개의 힘 위치를 예시한다. 힘 1은 다른 3개의 휨 빔보다 빔(702B)에 더 가까울 수록, 더 많은 힘이 다른 빔들보다 휨 빔(702B)에 의해 유지될 것이다. 힘 1의 크기를 정확하게 결정하기 위하여, 개별적인 힘 센서들(704A, 704B, 704C, 704D) 각각에 의해 검출된 힘들이 합산될 수 있다. 대안적으로, 위치 센서(710)의 출력은 터치의 위치 또는 하중 크기를 갖는 다른 입력을 상관하기 위하여 하나 이상의 모멘트 보상형 휨 빔 센서들로부터의 출력과 함께 사용될 수 있다. 힘 2를 위해 트랙패드의 중심 근처에서 하중이 인가되든 힘 1과 힘3이 위치되어 있는 바와 같은 플랫폼(708)의 표면 상의 임의의 위치에서 하중이 인가되든, 힘 크기를 결정하는 이들 방법들이 사용될 수 있다.
일부 경우들에서, 위치 센서 또는 위치 감지 층(710)을 사용하지 않고 힘 위치를 대략 결정하는 것이 바람직하다. 각 모멘트 보상형 빔 센서에 대하여, 빔 센서에 의해 검출되는 힘은, 힘이 개별적인 빔에 인가되는 빔의 중심축을 따른 위치에 의해 곱해져, 힘 거리 곱을 형성한다. 4개의 빔들 모두의 힘 거리 곱은 합산되고 전체 힘에 의해 나눠진다. 최종 위치는 트랙패드의 중심에 대하여 힘의 위치에 접근한다. 본질적으로, 도 7c에는 4개의 휨 빔들이 도시되지만, 3개의 빔 센서의 사용은 각 빔 센서에 의해 감지되는 힘들의 상대적인 크기를 비교함으로써 힘의 위치의 삼각측량을 허용한다. 따라서, 빔 센서들 각각은 프로세서 또는 힘이 인가되는 위치를 삼각측량하기 위하여 빔 센서들의 출력을 사용할 수 있는 다른 컴퓨팅 요소에 연결될 수 있다. 이 위치 데이터는, 특정 힘이 특정 터치 입력과 상관될 수 있도록 위치 센서로부터 획득된 하중 데이터와 비교하거나 그에 대하여 상관될 수 있다.
게다가, 다중 터치 제스처의 경우에, 다수의 힘의 위치 및 크기는 위치 센서 및 휨 빔 센서의 출력으로부터 결정될 수 있으며, 이때 각 하중은 트랙패드 또는 기타 입력 메커니즘 상의 상이한 터치와 상관된다. 예를 들어, 트랙패드를 동시에 터치하기 위하여 2개 이상의 손가락을 사용할 때, 다중 힘들의 위치 및 크기를 결정하는 것이 요구된다.
도 8a는 다른 실시예에서 코너들에 4개의 휨 빔을 갖는 트팩패드의 저부의 사시도이다. 휨 빔들(806A 내지 806D)은 전체적으로 트랙패드 플레이트(810)의 공간 내에 있다는 점에 주목해 보자. 반대로, 휨 빔들은 도 7a에 도시되는 바와 같이 트랙패드 플레이트의 에지들을 넘어서 연장될 수 있다.
도 8b는 다른 실시예에서 코너에서의 4개의 휨 빔 중 하나의 확대도이다. 겔(804)은 원형 단면을 가지며, 휨 빔(802)의 자유단(806)을 덮거나 거의 덮는다는 점에 주목해 보자. 빔의 대향 단은 베이스(808), 예컨대 컴퓨팅 디바이스 하우징의 측벽, 또는 컴퓨팅 디바이스 하우징으로부터 연장되는 지지부 또는 컴퓨팅 디바이스 하우징의 일부에 부착된다. 겔, 빔 및 베이스를 포함하는 트랙패드의 임의의 부분의 크기, 형상, 구성은 실시예들 간에 달라질 수 있다는 점을 인식해야만 한다. 따라서, 도 8a 및 도 8b에 도시된 구성들은 2개의 구현예를 예시하지만 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
도 9는 일 실시예에서 터치 입력 디바이스에 결합되는 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 제조하기 위한 단계들을 예시하는 플로 차트이다. 방법(900)은 단계(902)에서 휨 빔을 제공하는 것으로 시작한다. 방법(900)은 단계(906)에서 빔의 제1 단 근처의 빔의 표면 상에 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 배치하는 단계 및 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 축을 따라 빔과 정렬하는 단계로 이어진다. 제1 단은 베이스에 부착된다. 방법(900)은 또한 단계(910)에서 터치 입력 디바이스의 플레이트에 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 결합하는 단계를 포함한다. 방법(900)은 단계(914)에서 하중이 터치 입력 디바이스의 플레이트 상에 인가될 때 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지로부터 차동 전압 신호가 획득되도록 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함한다.
도 10은 빔과 정렬되는 2개의 변형 게이지를 포함하는 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 이용하는 예시적인 변형 프로파일을 예시한다. 변형 프로파일은 트랙패드가 도 7에 도시된 바와 같이 4개의 빔에 의해 지지될 때 도 3e에 도시된 설계를 사용하여 단일 빔의 중심 축을 따라 측정된다. 영(0) 위치는 가요성 지지부(332) 위에 놓이는 빔의 좌측면에서 설정된다. 변형 프로파일에서 피크는 지지 선반의 에지에서 발생한다. 겔은 위치 21mm 내지 위치 27mm에 위치된다. 휨 빔은 가요성 지지부(332)로부터 겔의 에지까지 연장되며 길이가 17mm이다. 도 7c의 힘 2와 유사하게, 하중이 트랙패드의 중심에 인가될 때, 변형 프로파일(1002)이 획득된다. 반대로, 도 7c의 힘 3과 유사하게, 하중이 겔 위에 직접 인가되면, 변형 프로파일(1004)이 발생한다. 중심 하중은 빔 베이스 또는 빔의 루트(304) 근처에서 25% 초과의 변형을 생성한다. 루트 근처에 위치된 표준형 휨 빔 변형 센서는 빔에 의해 유지되는 힘의 정확한 판독값(reading)을 주지 않을 것이다. 본 개시 내용에서 설명되는 차동 센서 또는 모멘트 보상형 센서는 힘 위치와 별개인 판독값을 줄 수 있다. 변형 게이지(302)는 좌측 그레이 밴드(1008) 위의 평균 변형에 비례하는 신호를 제공한다. 변형 게이지(316)는 우측 그레이 밴드(1010) 내의 평균 변형에 비례하는 신호를 제공한다. 2개의 변형 게이지(302, 316)를 포함하는 휨 빔 센서가 이러한 2개의 신호를 감산하므로, 출력은 2개의 곡선의 기울기의 함수일 뿐이다. 겔 위의 하중 곡선(1004)은, 그것이 양(1006) 만큼 아래로 이동되더라도, 트랙패드의 중심 위의 하중 곡선(1002)과 동일한 기울기를 갖는다는 점에 주목해야 한다. 따라서, 모멘트 보상형 변형 센서는 인가된 힘의 위치와 거의 별개인 출력을 제공한다. 불균일성은 대략 1 내지 2%이다.
도 11은 샘플 실시예에 따른 예시적인 트랙패드이다. 트랙패드(1100)는 4개의 코너(C1, C2, C3, C4)를 포함한다. 트랙패드(1100)는 중심(1102), 중심을 통해 X축을 따르는 경로 A, 및 트랙패드의 에지로부터의 한 거리에서 Y축을 따르는 경로 B를 갖는다. 트랙패드(1100)는 또한 둥근 코너들을 구비한 실질적으로 직사각형 형상을 갖는다. 형상 및 치수는 달라질 수 있다는 점이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 것이다.
모멘트 보상형 휨 빔 센서는 대략 0.8 내지 1.0 밀리미터 두께 이하와 같은 상대적으로 얇은 플랫폼들, 및 상대적으로 두꺼운 플랫폼들 둘 모두에 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "상대적으로 두꺼운"은 대략 2.3 밀리미터와 동일하거나 그보다 큰 두께를 갖는 플랫폼들을 지칭하고, 일부 예들은 이하에 도시된다.
도 12a는 210 그램의 힘이 트랙패드 상에 인가될 때 0.8 mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 A를 따르는 개별적인 센서들 각각에 의해 측정되는 힘들의 합에 의해 형성된 힘 출력을 예시한다. 도시된 바와 같이, 모멘트 보상형 휨 빔 센서는 2% 미만의 불균일성을 나타내며, 이는 곡선(1204)로 예시된다. 반대로, 표준형 휨 빔 변형 센서는 곡선(1202)의 힘 출력 및 대략 13.5%의 불균일성을 나타내며, 이는 곡선(1202)에 의해 도시되는 바와 같다. 도 12a에 도시된 출력은 다양한 인자들, 물리적 제약 등에 좌우되며 그에 따라 예시되는 것으로 의도된다는 점이 인식되어야 한다. 대안적인 실시예들은 상이한 힘들에 응답하여 상이한 힘 출력들을 가질 수 있으므로, 도시된 그래프들은 제한이 고려되지 않아야 한다.
도 12b는 210 그램의 힘이 트랙패드에 인가될 때 0.8mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 B를 따르는 힘 출력을 예시한다. 도시된 바와 같이, 모멘트 보상형 휨 빔 센서는 2% 미만의 불균일성을 나타내며, 이는 곡선(1208)에 의해 도시되는 바와 같다. 반대로, 표준형 휨 빔 변형 센서는 대략 13.5%의 불균일성을 산출하는 대략 209 그램 내지 대략 221 그램의 하중 변동을 나타내며, 이는 곡선(1206)에 의해 도시되는 바와 같다. 도 12a에 도시된 출력은 다양한 인자들, 물리적 제약 등에 좌우되며 그에 따라 예시되는 것으로 의도된다는 점이 인식되어야 한다. 대안적인 실시예들은 상이한 힘들에 응답하여 상이한 힘 출력들을 가질 수 있다.
도 13a는 210 그램의 힘이 트랙패드에 인가될 때 2.3mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 A를 따르는 힘 출력을 예시한다. 센서 출력은 경로 A를 따라 대략 209 그램 내지 211.5 그램에서 변경된다는 점에 주목해야 한다. 하중 변경은 경로 A를 따라 대략 2.5 그램이며, 이는 경로 A를 따라 대략 99%의 하중의 균일성을 제안한다. 도 13b는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대해 모멘트 보상형 휨 빔 센서로부터 도 11의 경로 B를 따르는 힘 출력을 예시한다. 다시, 210 그램 하중이 트랙패드 상에 인가된다. 측정된 센서 하중은 경로 B를 따라 210 그램 내지 대략 213 그램에서 변경되며, 이는 경로 B를 따라 대략 98.6%의 하중 균일성을 산출한다.
도 14a는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대한 하중의 함수로서 모멘트 보상형 휨 빔 센서 출력의 선형성을 예시한다. 모멘트 보상형 휨 빔 센서는 그것의 하중 응답에서 매우 선형적이라는 점에 주목해야 한다. 하중은 0 내지 700 그램의 범위 내에 있다. 도 14b는 2.3mm 두께의 플랫폼에 대한 선형성으로부터의 모멘트 보상형 휨 빔 센서 편차를 예시한다. 하중 내의 에러는 500 그램 이하의 하중에 대해 대략 0.3 그램 미만이라는 점이 도시된다. 도 13a, 도 14b 및 도 14에 도시된 출력들은 다양한 인자들, 물리적 제약들 등에 좌우되며, 그에 따라 예시적인 것으로 의도된다는 점이 인식되어야 한다. 대안적인 실시예들은 상이한 힘들에 응답하여 상이한 힘 출력들을 가질 수 있으므로, 도시된 그래프들은 제한하는 것으로 고려되지 않아야 한다.
도 15는 일 실시예에서 모멘트 보상형 휨 빔 센서를 갖는 트랙패드에 대한 힘 및 힘의 위치를 결정하는 단계들을 예시하는 플로 차트이다. 방법(1500)은 단계(1502)에서, 제1 및 제2 변형 게이지에서 플레이트 상의 전압 변화를 감지하는 것으로 시작한다. 제1 및 제2 변형 게이지는 플레이트에 결합되는 단일 빔의 공통 측면 상에 위치설정된다. 이어서, 방법(1500)은 제1 변형 게이지와 제2 변형 게이지 사이의 차동 전압을 획득하기 위한 단계(1504)로 이어진다. 방법(1500)은 차동 전압을 프로세서로 전송하기 위한 단계(1506) 및 차동 전압을 플레이트 상의 힘으로 변환하기 위한 단계(1508)로 계속된다.
도 16은 일 실시예에서 트랙패드로부터의 신호들을 처리하기 위한 간략한 시스템 다이어그램이다. 시스템(1600)은 적어도 하나의 휨 빔 또는 다수의 휨 빔에 의해 지지되는 플랫폼을 구비하는 트랙패드(1612)를 포함한다. 각 휨 빔은 하나의 모멘트 보상형 휨 빔 센서(1602)를 포함한다. 모멘트 보상형 휨 빔 센서(1602)는 아날로그-디지털(A/D) 변환기(1608)에 결합되는 증폭기(1606)에 결합된다. 각 휨 빔은 또한 하나의 위치 센서(1604)를 포함한다. 위치 센서(1604)는 아날로그-디지털(A/D) 변환기(1618)에 결합되는 증폭기(1616)에 결합된다. 프로세서(1610)는 힘 또는 다중 힘들의 크기 및 위치를 결정하기 위하여 힘 신호 및 위치 신호를 처리하도록 A/D들(1608, 1618)에 결합된다.
모멘트 보상형 휨 빔 센서들은 힘을 측정하기 위해 하나 이상의 변형 게이지를 포함할 수 있다. 위치 센서들(1604)은 용량성 측정 전극들을 포함할 수 있다. 트랙패드는 "온" 또는 "오프" 상태에 있을 수 있는 단순한 이진 기계적 스위치와 상이한 터치 입력 디바이스이다. 터치 입력 디바이스는 가변 힘 또는 일정한 힘을 측정할 수 있고, "임계치 위" 또는 "임계치 아래" 초과를 출력할 수 있다. 플랫폼은 광학적으로 투명하거나 불투명할 수 있다.
본 실시예는 이중 휨 빔 변형 게이지를 채택하지만 비-표준형 빔 상에 채택한다는 점이 인식되어야 한다. 즉, 빔 자체는 이중 휨(또는 반곡된(contraflexured)) 빔이 아니다. 이중 휨 빔들에 대하여, 그것의 루트에서의 빔(306)의 각도 또는 자유단에서의 빔의 각도 어느 것도 고정되거나 평행하게 되도록 제한되지 않는다. 힘이 인가될 때 이중 휨 빔과 같은 S 형상으로 휘는 대신에 단일 곡선을 따라 빔이 크게 변형된다. 게다가, 많은 반곡된 빔들과 달리, 본 빔들은 상대적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 많은 반곡된 빔들은 빔에 하중이 가해질 때 S 형상의 만곡부를 유도하도록 그것의 길이를 따른 하나의 지점에서 단면이 더 얇다. 대안적인 실시예에서, 빔 두께가 달라질 수 있다. 예를 들어, 변형 게이지 영역 또는 활성 영역에서의 빔 두께는 변형 게이지가 없는 비활성 영역과 다를 수 있다. 더욱이, 본 명세서에서 논의되는 일부 실시예들은 대향 측면들에 걸쳐 모든 변형 게이지를 분포시키기 보다는 일반적으로 각 빔의 단일 측면 상에 그것들을 배치하며, 이는 반곡된 빔들과 단일 휨 빔들 둘 모두와 함께 행해질 수 있는 바와 같다. 본 발명에서, 변형 센서들은 저항이 빔 변형에 비례하는 저항성 게이지들로서 설명되어 왔다. 반도체 변형 게이지들, 미세 기계 변형 게이지들 또는 광학 변형 게이지들이 하중 위치와 별개인 신호를 제공하기 위한 유사한 방식으로 또한 채택될 수 있다는 점이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 것이다.
게다가, 차동 변형 게이지들(302, 316)로부터의 신호들은 휘트스톤 브리지로 조합될 수 있다; 그러나, 일부 경우에서, 차동 변형 게이지로부터의 전기 신호들을 개별적으로 디지털 형태로 변환하는 것이 바람직할 수 있다. 다음에, 이러한 디지털 신호들은 모멘트 보상형 신호를 제공하기 위하여 스케일되고 감산될 수 있다. 2개의 게이지 신호들의 독립적인 스케일링은 빔의 두께가 변형 게이지(302)와 변형 게이지(316)의 위치 사이에서 변화할 때 특히 바람직할 수 있다.
수 개의 실시예들이 설명되었지만, 다양한 변형, 선택적인 제조, 및 균등물이 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않고 이용될 수 있다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 인식될 것이다. 또한, 다수의 잘 알려진 공정들 및 요소들은 본 발명을 불가피하게 애매하게 하는 것을 회피하도록 설명되지 않았다. 따라서, 상술된 설명은 발명의 범위를 제한하는 것으로 인정되지 않아야 한다.
본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 현재 개시된 실시예들이 예를 통해 교시하고 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 상기 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 주제는 제한적인 측면에서가 아니라 일례로서 해석되어야 한다. 이하의 특허청구범위는 본 명세서에 설명된 포괄적인 특징과 특정한 특징 뿐만 아니라 언어의 문제로서 그 사이에 속할 수 있는 본 발명의 방법 및 시스템의 범위의 모든 명세서를 포함하도록 해석된다.

Claims (22)

  1. 터치 입력 디바이스에 결합되는 휨 빔 센서(bending beam sensor)를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 입력 디바이스의 강성 지지부로부터 연장하는 캔틸레버형 구조(cantilevered structure)를 정의하는 휨 빔을 제공하는 단계;
    상기 휨 빔의 제1 단(end) 근처의 상기 휨 빔의 표면 상에 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 배치하는 단계;
    상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지를 축을 따라 상기 휨 빔과 정렬하는 단계; 및
    상기 터치 입력 디바이스의 플레이트를 상기 휨 빔의 제2 자유단 근처의 상기 휨 빔 위에 위치설정하는 단계 - 상기 제2 자유단은 상기 제1 단에 대향함 - 를 포함하며,
    상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지는 상기 터치 입력 디바이스의 상기 플레이트 상에 힘이 수신될 때 상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지로부터 차동 신호가 획득되도록 전기적으로 연결되고, 상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지는 상기 제2 자유단 보다 상기 제1 단에 더 가까이 배치되는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 점탄성 폴리머를 사용함으로써 제2 자유단(free end)에서 상기 휨 빔에 상기 플레이트의 저부 표면을 부착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 휨 빔은 상기 휨 빔의 상기 제2 자유단이 상기 휨 빔의 상기 제1 단으로부터 기울어지도록 상기 제2 자유단의 근처에서 휘도록 구성되는, 방법.
  4. 휨 빔 센서들과 결합된 터치 입력 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,
    적어도 3개의 휨 빔을 제공하는 단계 - 상기 3개의 휨 빔 각각은 상기 터치 입력 디바이스의 강성 지지부로부터 연장하는 캔틸레버형 구조를 정의함 -;
    제1 휨 빔의 표면 상에 제1 휨 빔 센서를 배치하는 단계 - 상기 제1 휨 빔 센서는 두 개의 변형 게이지들을 포함함 -;
    상기 제1 휨 빔의 제1 단과 제2 자유단 사이에서 상기 제1 휨 빔 센서를 상기 제1 휨 빔과 정렬하는 단계 - 상기 제1 휨 빔의 상기 제1 단은 상기 강성 지지부에 부착되고, 상기 제1 휨 빔 센서는 상기 제1 휨 빔의 상기 제2 자유단 보다 상기 제1 휨 빔의 상기 제1 단에 더 가까이 배치됨 -;
    제2 휨 빔의 표면 상에 제2 휨 빔 센서를 배치하는 단계 - 상기 제2 휨 빔 센서는 두 개의 변형 게이지들을 포함함 -;
    상기 제2 휨 빔의 제1 단과 제2 자유단 사이에서 상기 제2 휨 빔 센서를 상기 제2 휨 빔과 정렬하는 단계 - 상기 제2 휨 빔의 상기 제1 단은 상기 강성 지지부에 부착되고, 상기 제2 휨 빔 센서는 상기 제2 휨 빔의 상기 제2 자유단 보다 상기 제2 휨 빔의 상기 제1 단에 더 가까이 배치됨 -;
    제3 휨 빔의 표면 상에 제3 휨 빔 센서를 배치하는 단계 - 상기 제3 휨 빔 센서는 두 개의 변형 게이지들을 포함함 -;
    상기 제3 휨 빔의 제1 단과 제2 자유단 사이에서 상기 제3 휨 빔 센서를 상기 제3 휨 빔과 정렬하는 단계 - 상기 제3 휨 빔의 상기 제1 단은 상기 강성 지지부에 부착되고, 상기 제3 휨 빔 센서는 상기 제3 휨 빔의 상기 제2 자유단 보다 상기 제3 휨 빔의 상기 제1 단에 더 가까이 배치됨 -;
    상기 터치 입력 디바이스의 플레이트를 상기 제1, 제2, 및 제3 휨 빔들 위에 위치설정하는 단계; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 휨 빔 센서들 각각을 프로세서에 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 제1, 제2, 및 제3 휨 빔 센서들 각각으로부터의 출력에 기초하여 상기 플레이트에서 수신된 힘을 결정하도록 구성되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플레이트의 저부 표면에 위치설정을 위해 제2 센서를 부착하는 단계; 및
    점탄성 폴리머를 사용함으로써 상기 제2 자유단에서 각각의 휨 빔의 상부 표면에 위치설정을 위해 상기 제2 센서를 부착하는 단계 - 상기 제1 단은 빔 베이스에 부착됨 - 를 더 포함하는, 방법.
  6. 제4항에 있어서, 각각의 휨 빔의 표면 상에 각각의 휨 빔 센서를 배치하는 단계는,
    하중이 상기 플레이트 상에 인가될 때 상기 각각의 휨 빔 센서가 신호를 출력하도록 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)로서 상기 각각의 휨 빔 센서의 상기 두 개의 변형 게이지들을 전기적으로 연결하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3 휨 빔들 각각은 상기 휨 빔의 상기 제2 자유단이 상기 휨 빔의 상기 제1 단으로부터 기울어지도록 상기 제2 자유단의 근처에서 휘도록 구성되는, 방법.
  8. 휨 빔에 결합되는 플레이트를 위한 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스(moment compensated bending beam sensor device)로서, 상기 플레이트는 상기 플레이트의 상부 표면 상에 힘이 수신되도록 구성되며,
    상기 센서 디바이스는,
    제1 단 및 상기 제1 단에 대향하는 제2 자유단을 갖는 휨 빔 - 상기 휨 빔은 상기 디바이스의 강성 지지부로부터 연장하는 캔틸레버형 구조를 정의함 -; 및
    상기 휨 빔에 부착되는 휨 빔 센서
    를 포함하며,
    상기 휨 빔 센서는 제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지를 포함하고,
    각각의 변형 게이지는 상기 휨 빔과 정렬되어 각각의 변형 게이지를 상기 제1 단과 상기 제2 자유단 사이에 배치하고,
    상기 제1 및 제2 변형 게이지들은 상기 플레이트에 상기 힘이 수신될 때 차동 출력을 생성하도록 전기적으로 결합되고, 상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지는 상기 제2 자유단 보다 상기 제1 단에 더 가까이 배치되는, 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 휨 빔은 상기 휨 빔의 제2 자유단 근처에서 점탄성 폴리머를 개재하여 상기 플레이트에 결합되며, 상기 휨 빔 센서는 상기 점탄성 폴리머보다 상기 제2 자유단으로부터 더 먼 거리에 있는, 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스.
  11. 제8항에 있어서, 상기 휨 빔 센서는 캐리어를 포함하며, 상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지는 상기 캐리어 상에 배치되는, 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스.
  12. 제8항에 있어서, 상기 휨 빔은 상기 휨 빔의 상기 제2 자유단이 상기 휨 빔의 상기 제1 단으로부터 기울어지도록 상기 제2 자유단 근처에서 휘도록 구성되는, 모멘트 보상형 휨 빔 센서 디바이스.
  13. 터치 입력 디바이스로서,
    플레이트의 상부 표면 상에 힘을 수신하도록 구성된 상기 플레이트;
    상기 플레이트에 부착되는 위치 센서;
    상기 플레이트 및 상기 위치 센서에 결합되는 4개의 휨 빔 - 각각의 휨 빔은 제1 단 및 상기 제1 단에 대향하는 제2 자유단을 가지고, 상기 4개의 휨 빔 각각은 상기 디바이스의 강성 지지부로부터 연장하는 캔틸레버형 구조를 정의함 -; 및
    각각의 휨 빔에 부착되는 휨 빔 센서를 포함하며,
    각각의 휨 빔 센서는 상기 휨 빔과 정렬되며 상기 제1 단과 상기 제2 자유단 사이에 배치되는 제1 쌍의 변형 게이지 및 제2 쌍의 변형 게이지를 포함하고,
    상기 제1 쌍의 변형 게이지 및 상기 제2 쌍의 변형 게이지는, 상기 터치 입력 디바이스의 상기 플레이트에 힘이 수신될 때 상기 제1 쌍의 변형 게이지 및 상기 제2 쌍의 변형 게이지 사이에 차동 신호가 획득되도록 전기적으로 연결되고, 상기 제1 쌍의 변형 게이지 및 상기 제2 쌍의 변형 게이지는 상기 각각의 휨 빔의 상기 제2 자유단 보다 상기 각각의 휨 빔의 상기 제1 단에 더 가까이 배치되는, 터치 입력 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 쌍의 변형 게이지 및 상기 제2 쌍의 변형 게이지는 상기 힘이 인가될 때 상기 각각의 휨 빔 센서가 신호를 출력하도록 휘트스톤 브리지로서 전기적으로 연결되는, 터치 입력 디바이스.
  15. 제13항에 있어서, 상기 휨 빔 센서는 캐리어를 포함하며, 상기 제1 쌍의 변형 게이지 및 상기 제2 쌍의 변형 게이지는 상기 캐리어 상에 배치되는, 터치 입력 디바이스.
  16. 제13항에 있어서, 각각의 휨 빔은 상기 휨 빔의 상기 제2 자유단이 상기 휨 빔의 상기 제1 단으로부터 기울어지도록 상기 제2 자유단의 근처에서 휘도록 구성되는, 터치 입력 디바이스.
  17. 플레이트 상의 힘을 결정하기 위한 방법으로서,
    제1 변형 게이지 및 제2 변형 게이지에서 전압 변화를 감지하는 단계 -
    상기 제1 및 제2 변형 게이지는 상기 플레이트에 결합되는 단일 빔의 공통 측면 상에 위치설정되고, 상기 단일 빔은 상기 플레이트 아래에 배치되고 사용자 입력 장치의 강성 지지부로부터 연장하는 캔틸레버형 구조를 정의하고, 상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지는 상기 단일 빔의 제2 자유단 보다 상기 단일 빔의 제1 단에 더 가까이 배치되고, 상기 제2 자유단은 상기 제1 단에 대향함 -;
    상기 제1 변형 게이지와 상기 제2 변형 게이지 사이의 차동 전압을 획득하는 단계;
    상기 차동 전압을 프로세서로 전송하는 단계; 및
    상기 차동 전압을 상기 플레이트 상의 힘으로 변환하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 힘의 위치를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 터치 입력 디바이스로서,
    플랫폼(platform);
    상기 플랫폼을 지지하는 적어도 하나의 휨 빔 - 상기 휨 빔은 상기 터치 입력 디바이스의 강성 지지부로부터 연장하는 캔틸레버형 구조를 정의함 - ; 및
    상기 적어도 하나의 휨 빔 상에 배치되는 적어도 하나의 힘 센서를 포함하며,
    상기 힘 센서는 상기 플랫폼 상에 가해지는 힘을 상기 휨 빔에 부착되는 제1 변형 게이지 및 상기 휨 빔에 부착되는 제2 변형 게이지로부터 획득되는 차동 신호에 기초하여 측정하도록 동작하고,
    상기 적어도 하나의 힘 센서는 적어도 3개의 별개의 힘 레벨을 출력하도록 동작하고, 상기 제1 변형 게이지 및 상기 제2 변형 게이지는 상기 휨 빔의 제2 자유단 보다 상기 휨 빔의 제1 단에 더 가까이 배치되고, 상기 제2 자유단은 상기 제1 단에 대향하는, 터치 입력 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 플랫폼에 결합되는 위치 센서를 더 포함하는, 터치 입력 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 힘 센서는 적어도 하나의 변형 게이지를 포함하며, 상기 위치 센서는 용량성 측정 전극들을 포함하는, 터치 입력 디바이스.
  22. 삭제
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