CN103809803B - 输入系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种输入系统，所述输入系统包括：传感器板，其包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道，触笔，其包括彼此分开的第一芯体和第二芯体、缠绕在所述第一芯体和所述第二芯体上的一次线圈和二次线圈、夹在所述第一芯体和所述第二芯体之间的弹性构件、串联连接到所述第二线圈的谐振电容器和开关、以及连接到所述一次线圈的导电笔尖；接地单元，其连接到所述触笔；天线环，其形成在所述传感器板的边缘区域处；以及触摸控制器，其连接到所述第一通道、所述第二通道和所述天线环。

Description

输入系统
技术领域
本发明涉及输入系统，更具体地，涉及可以实现没有电池的触笔，检测手指的触摸和触笔的触摸两者并且增加对书写压力的灵敏度的输入系统。
背景技术
随着信息时代到来，视觉地表示电信息信号的显示器领域迅速发展，并且为了满足这种趋势，已经开发了具有诸如厚度薄、重量轻和功耗低这样的优异性能的各种平板显示装置，并且迅速代替了传统阴极射线管（CRT）。
平板显示装置包括液晶显示器（LCD）、等离子体显示板（PDP）、场发射显示器（FED）、电致发光显示器（ELD）等。这些显示装置大致都包括显示画面的平板显示板，并且平板显示板被构造为使得在发光材料层或者光学各向异性材料层被夹在一对透明绝缘基板之间的条件下将所述基板接合。
在这种显示装置中，对于增加识别通过人手或者单独输入单元的触摸区域并且发送对应的单独信息的触摸板的要求在增加。最近，这种触摸板被安装在显示装置的外表面。
触摸板根据触摸感测方法而被划分为电阻型、电容型、红外感测型等，并且考虑到制造方法容易和感测力，电容型备受关注。
最近，诸如智能电话或者智能书这样的人机接口装置（HID）作为移动装置逐渐更多地使用触笔作为输入单元，其实现书写和绘画以及通过手指的触摸输入。与通过手指进行输入相比，通过触笔进行输入执行了更精确的输入，并且支持诸如精确绘画和字符书写这样的功能。
在下文，将参照附图描述普通电容型触摸屏。
图1是例示普通电容型触摸检测电路的电路图；而图2是例示根据手指是否触摸使用图1的电路图的电路而划分的按照时间的电压输出的曲线图。
如图1所示例性地示出的，普通电容型触摸检测电路包括：彼此交叉的第一电极Tx和第二电极Rx，设置有接收第二电极Rx的输出的负（-）输入端子和接收基准电压Vref的正（+）输入端子的放大器5，以及在放大器5的输出端子和负（-）输入端子之间形成的电容器Cs。
在此，通过设置在第一电极Tx的一端的焊盘施加输入电压Vin，并且通过放大器5输出的输出电压Vout被设置在第二电极Rx的一端的焊盘所感测。
一般地，约2-3μs的方波的触摸驱动信号被作为输入电压Vin施加到第一电极Tx。在此，感测与第一电极Tx和第二电极Rx之间的互电容Cm成比例的电压值，作为输出电压Vout。
如图2示例性地示出的，当施加方波作为输入电压Vin时，随着时间流逝，输出电压Vout增加（如果电路不被手指触摸），而如果电路被手指触摸，则手指接触电极，互电容Cm减小因而输出电压Vout的增量减小。接着，在Tx通道和Rx通道的各个交叉处检测到这种减小，并且根据这些数据提取手指所触摸的电路区域的坐标。
另外，当触摸检测电路被触笔而不是被手指触摸时，触笔的笔尖与传感器板表面的接触面积相对小，电极之间的互电容变化量ΔCm小，因而当触摸检测电路被触笔触摸时互电容变化量ΔCm的感测可能困难。因而，坐标提取的准确性可能降低。
此外，如果触笔的笔尖小于传感器板上设置的用于感测的电极，则根据存在或者不存在电极，可能发生坐标变形，这直接影响灵敏度。
此外，在手指触摸和触笔触摸的情况下，当使用相同的触摸检测电路时，接触电极的手掌的触摸和在利用触笔输入期间触笔的触摸可能彼此无法区分。也就是说，当检测电路被触笔触摸时，图1的检测电路会难以进行手掌拒绝功能。
此外，提出了用与手指触摸的驱动类型不同的驱动类型（例如电磁驱动类型）来检测触笔触摸的方法。然而，在此情况下，除了电容型电极，还需要单独设置可以通过电磁驱动来执行检测的板，因而部件数量增加并且处理量增加。
以上描述的普通电容型触摸屏具有以下问题。
首先，由于触笔的笔尖与传感器板表面的接触面积相对小，电极之间的互电容变化量ΔCm小，因而当触摸检测电路被触笔触摸时难以检测互电容变化量ΔCm。因而，坐标提取的准确性可能降低。
第二，如果触笔的笔尖小于传感器板上设置的用于感测的电极，则根据存在或者不存在电极，可能发生坐标变形，这可能直接影响灵敏度。
第三，在手指触摸和触笔触摸的情况下，当使用了相同的触摸检测电路时，接触电极的手掌的触摸和在利用触笔输入期间触笔的触摸可能彼此无法区分。也就是说，当触摸屏被触笔触摸时，电容型触摸屏可能难以进行手掌拒绝功能。
第四，提出了以与手指触摸的驱动类型不同的驱动类型（例如电磁驱动类型）来检测触笔触摸的方法。然而，在此情况下，除了电容型电极，还需要单独设置可以通过电磁驱动来执行检测的板，因而部件的数量增加并且处理量增加。
发明内容
因此，本发明涉及基本避免了由于相关技术的限制和缺点造成的一个或者更多个问题的输入系统。
本发明的目的是提供可以实现没有电池的触笔，检测手指触摸和触笔触摸两者并且增加对书写压力的灵敏度的输入系统。
本发明的其它优点、目的及特征一部分将在以下的说明书中进行阐述，并且一部分对于本领域的技术人员来说将在研读以下内容后变得清楚，或者可以从本发明的实践获知。本发明的这些目的和其它优点可以通过在书面描述及其权利要求书及附图中具体指出的结构来实现和获得。
为了实现这些目的和其它优点，并且根据本发明的目的，如这里所具体实施和广泛描述的，一种输入系统包括：传感器板，其包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道；触笔，所述触笔包括彼此分开的第一芯体和第二芯体，缠绕在所述第一芯体和所述第二芯体上的一次线圈和二次线圈、夹在所述第一芯体和所述第二芯体之间的弹性构件、串联连接到所述第二线圈的谐振电容器和开关、以及连接到所述一次线圈的导电笔尖；接地单元，其连接到所述触笔；天线环，其在所述传感器板的外部区域处形成；以及触摸控制器，其连接到所述第一通道、所述第二通道和所述天线环。
当所述触笔按压所述传感器板的表面时，随着将所述触笔按压到所述传感器板的表面上而产生的压力增大，所述弹性构件的厚度可以减小，因而所述一次线圈和所述二次线圈之间的间隔可以减小。
第一芯体和第二芯体可以由铁氧体形成。
所述第一芯体和所述第二芯体中的至少一个的与所述弹性构件相对应的表面可以设置有凹部和凸部，因而所述弹性构件可以插入到所述凹部中。此外，所述弹性构件可以设置有与所述凸部相对应的开口。
所述弹性构件的截面可以具有圆形或者多边形形状。
所述触笔可以还包括导电主体，所述导电主体包括包括上面缠绕了所述一次线圈和所述二次线圈的所述第一芯体和所述第二芯体，所述第一芯体和所述第二芯体之间夹着所述弹性构件地串联连接，并且所述导电主体在所述第二芯体下方设置有使所述导电笔尖部分地突出的孔。
所述第一芯体可以在所述导电笔尖的对侧固定到所述导电主体的内部。
当所述触笔按压所述传感器板的表面时，所述导电主体可以根据所述触笔对所述传感器板的表面的按压，变得接近所述传感器板的表面。
所述导电主体可以连接到所述接地单元。
所述开关可以由弹性材料形成，与所述导电笔尖电绝缘，并且按照施加到所述导电笔尖的压力来工作。
所述开关可以连接到所述二次线圈，并且与所述第二芯体电绝缘。
所述一次线圈的一端可以连接到所述导电笔尖，并且所述一次线圈的另一端可以连接到所述导电主体。
当所述触笔触摸所述传感器板的表面时，所述天线环可以接收从所述触笔内的所述二次线圈谐振的感应信号。
为此，所述天线环可以围绕所述传感器板的所述外部区域，并且所述天线环的两个端部可以设置有焊盘并且通过所述焊盘连接到所述触摸控制器。
所述接地单元可以是用户或者连接在所述导电主体和所述传感器板之间的导线。
此外，触摸控制器可以包括：放大器，其连接到天线环并且放大在天线环的两个端部接收到的电压之间的差；模拟前端（AFE），其连接到放大器并且去除噪声；模数转换器（ADC），其连接到AFE并且将模拟信号转换为数字信号；数字信号处理器（DSP），其连接到ADC并且通过收集数字信号来提取坐标；以及驱动信号发生器，其产生施加到传感器板中的各个通道的信号。
当所述触笔触摸所述传感器板的表面时，所述开关可以闭合并且所述二次线圈和所述谐振电容器可以形成闭合电路。
从所述驱动信号发生器向各个通道施加的信号可以是与所述闭合电路中的谐振频率相同频率的方波或者正弦波。
应该理解的是，对本发明的以上概述和以下详述都是示例性和解释性的，并旨在对所要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图说明
附图被包括在本申请中以提供对本发明的进一步理解，并结合到本申请中且构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是例示普通电容型触摸检测电路的电路图；
图2是例示根据手指是否触摸使用图1的电路图的电路而划分的按照时间的电压输出的曲线图；
图3是例示根据本发明的一个实施方式的输入系统的有效区域的内部结构的平面图；
图4是例示图3的输入系统中的触笔和通道Tx之间的电容Csx和在通道Tx和通道Rx之间的电容Cm根据有无触笔的变化的曲线图；
图5是根据本发明的实施方式的输入系统的电路图；
图6是例示根据本发明的实施方式的输入系统的触摸传感器板的平面图；
图7是例示根据本发明的实施方式的输入系统的触笔的示意图；
图8是例示与图7的触笔相对应的部分的电路图；
图9是例示根据本发明的实施方式的触笔的详细内部构造的图；
图10是例示根据本发明的实施方式的触笔和触摸传感器板之间的对应关系的图；
图11是例示根据本发明的实施方式的输入系统的帧驱动方法的图；
图12是例示根据本发明的实施方式的与触笔的书写压力相对应的第一内部互感变化的曲线图；
图13是例示在根据本发明的实施方式的输入系统中与书写压力的强度相对应的、二次线圈的时间对信号的变化的曲线图；
图14是例示在根据本发明的实施方式的输入系统中与书写压力的强度相对应的、天线环的时间对信号的变化的曲线图；以及
图15A到图15D是例示根据本发明的各个实施方式的触笔中的一次线圈和二次线圈以及它们之间的部件的图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的优选实施方式，在附图中例示出了本发明的优选实施方式的示例。尽可能在整个附图中用相同的附图标记代表相同或类似元件。
在下文，将参照附图描述根据本发明的一个实施方式的输入系统和使用该输入系统的触摸检测方法。
根据本发明的实施方式的输入系统大致具有检测手指触摸的电容型的结构，并且可以通过触笔的内部谐振电路与传感器板的边缘区域处的天线环的谐振检测触笔触摸。也就是说，该输入系统可以通过改变传感器板的边缘区域的构造和触笔的内部电路在不使用单独的板的情况下，检测到在电容型检测中受限制的触笔触摸，而不影响电极图案的接触面积或者形状。
在下文，将描述有效区域内的电容型电极的构造和使用该构造的触笔触摸。
图3是例示根据本发明的一个实施方式的输入系统的有效区域的内部结构的平面图；而图4是例示在图3的输入系统中触笔和通道Tx之间的电容Csx和根据有无触笔在通道Tx和通道Rx之间的电容Cm的变化的曲线图。
如果通道Tx和通道Rx形成为条形形状，则如图3示例性地示出的，电极被彼此交叉排列。将参照图4描述在触笔在图3的区域中移动时电容的变化。
在图4的曲线图中，基于用作原点的通道Tx和通道Rx的中心，一个轴被定义为X轴并且垂直于该X轴的轴被定义为Y轴，并且根据触笔的位置检测电容的变化。在附图中，竖直轴被例示为X轴（通道Rx的方向），并且水平轴被例示为Y轴。通过在将Y轴值设置为0的同时仅仅改变X轴值来进行测试。
在此，ΔCm代表根据有无触笔，通道Tx和通道Rx的互电容的差；并且Csx代表触笔和通道Tx之间的电容分布。应理解的是在全部区域中，Csx的值大于ΔCm的值，并且随着X轴的值逼近于0，Csx的变化大于ΔCm的变化。此外，应理解的是在0的区域中ΔCm的值小于在其它区域处的值。因此，为了检测触笔的触摸，使用Csx而不是使用ΔCm，在灵敏度和位置分辨率上是有利的。
因此，在根据本发明的实施方式的输入系统中，测量触笔的位置，但是使用具有更高灵敏度的针对Csx的检测方法。
图5是根据本发明的实施方式的输入系统的电路图；图6是例示根据本发明的实施方式的输入系统的触摸传感器板的平面图；而图7是例示根据本发明的实施方式的输入系统的触笔的示意图。
如图5和图6示例性地示出的，根据本发明的实施方式的输入系统总体上被划分为传感器板201（参照图6）和触笔接地单元500，传感器板201包括触笔100、触摸传感器200、天线环410和触摸控制器300。
触摸传感器200包括彼此交叉的多个第一通道Tx和多个第二通道Rx，并且位于与传感器板201的中央相对应的有效区域中。此外，两个端部彼此略微分开的天线环410围绕在传感器板201的有效区域的外部。这种天线环410用作与触笔100内的线圈感应互感的三次线圈（L3）。
此外，如图7示例性地示出的，触笔100包括彼此分开的一次线圈（L1）140和二次线圈（L2）120、谐振电容器（C2）110和串联连接到二次线圈120的开关（SW）130，和连接到一次线圈L1140的导电笔尖101。
在此，当触笔100接触传感器板201时，天线环410用作三次线圈（L3）。
触笔100连接到触笔接地单元500，并且使触笔100的内部电路稳定。
在传感器板210的边缘区域中形成的天线环410和在传感器板210的有效区域中形成的第一通道Tx和第二通道Rx分别连接到触摸控制器300，因而被来自触摸控制器300的信号控制。
如图6所示例性地示出的，根据本发明的实施方式的输入系统的传感器板210在总体上被划分为有效区域和边缘区域。
多个第一通道Tx210和多个第二通道Rx220具有条形形状，并且在有效区域中彼此交叉。尽管例示了条形形状的第一通道Tx210和第二通道Rx220，但是第一通道Tx210和第二通道Rx220可以按照需要形成为电容型的其它形状图案。例如，第一通道Tx210和Rx220可以形成为菱形形状或者其它对角形状。在任何情况下，根据本发明的实施方式的输入系统要求按照关于中心竖直且水平对称的形状形成第一通道Tx210和第二通道Rx220，以增加触笔触摸的准确性。
此外，为了接收从触笔100内的谐振电路产生的电磁信号，在传感器板201的边缘区域中形成天线环410。天线环410被形成为具有比大致进行触笔输入并且进行坐标提取的有效区域更大的尺寸。这用于解决在使用触笔100的触摸检测中由于通道的不对称在传感器板的边缘区域的坐标提取的准确性降低的边缘效应。
天线环410是执行感应电感的三次线圈，并且不具有单独的具有物理形状的磁芯。在此，天线环410可以是通过空芯线圈操作的线圈。
第一通道Tx210和第二通道Rx220可以是用于在显示装置中执行光透射的透明电极。在手指触摸区间，第一通道Tx210用于施加驱动信号，第二通道Rx220用于接收检测信号，并且第一通道Tx210和第二通道Rx220通过引导线225电连接到在传感器板210的一个边缘处设置的焊盘230。
此外，在天线环410的两个端部形成与在传感器板201的一个边缘处设置的焊盘230平行设置的环路焊盘240，并且触摸控制器300可以检测两个环路焊盘240之间的电压差。
天线环410可以通过相同处理与引导线225一起形成。否则，为了提高天线环410的电磁感应，可以在传感器板100中进一步设置接触天线环410的片形平板磁芯。
此外，当传感器板201的表面被触笔100接触时，通过用作三次线圈（L3）的天线环410和二次线圈（L2）之间的互感（M23）或者用作三次线圈（L3）的天线环410和一次线圈（L1）之间的互感（M13）的感应，天线环410接收从触笔100的二次线圈L2谐振的电感信号。
在此，天线环410被形成以围绕传感器板201的边缘区域，并且在天线环410的两个端部设置的环路焊盘240连接到触摸控制器300。
此外，触摸控制器300包括：放大器310，其连接到天线环410并且放大在天线环410的两个端部接收到的电压之间的差；模拟前端（AFE）320，其连接到放大器310并且去除噪声；模数转换器（ADC）330，其连接到AFE320并且将模拟信号转换为数字信号；数字信号处理器（DSP）340，其连接到ADC330并且通过收集数字信号来提取坐标；和驱动信号发生器305，其产生施加到传感器板201中的各个通道的信号。
当触笔100触摸传感器板201时，触笔100的开关（SW）130闭合，并且二次线圈（L2）120和谐振电容器（C2）110形成作为一种谐振电路的闭合电路。
作为驱动信号发生器305施加到各个通道的信号，可以施加与闭合电路内的谐振频率（f=1/[2π×(L2×C2)0.5）相同频率的方波或者正弦波。施加到各个通道的信号是一种AC电压，并且具有与施加到各个线圈的信号类似的波形或者随着时间流逝而增加的信号形状。
触笔接地单元500可以是在接触触笔100的用户或者触笔100和传感器板201连接的导线。在此，未描述的标记Ch代表接地单元电容器，该接地单元电容器当用户接触触笔100时在用户用作电介质的情况下产生触笔100和地端子之间的接地单元电容。
触笔100内的一次线圈（L1）140和二次线圈（L2）120分别缠绕穿过触笔100的内部中轴的第一芯体135a（参照图7）和第二芯体135b（参照图7），并且通过耦合在两个线圈140和120之间产生第一互感（M12）。在第一芯体135a和第二芯体135b之间夹着弹性构件155（参照图7）。可以通过根据书写压力调整弹性构件155的厚度来调整第一互感（M12）的值，从而可以灵敏地感测这种书写压力。
二次线圈（L2）120和谐振电容器（C2）110具有适当值，以产生电磁谐振，该电磁谐振具有通过与包括传感器板201的彼此交叉的第一通道TX和第二通道Rx的触摸传感器200的电容耦合形成的感测电容器（Csx）250输入的信号的频率。在此，谐振频率具有f=1/[2π×(L2×C2)0.5]的要求。感测电容器（Csx）250不是具有物理电路构造的元件，并且是通过当触笔100的导电笔尖接触传感器板201时触笔100的导电笔尖与传感器板201在接触区域处的电容耦合产生的。
此外，在电磁谐振期间从触笔100产生的磁场信号通过一次线圈（L1）140或者二次线圈（L2）120和在传感器板210上形成的天线环410之间的第二互感（M23或者M13），在与天线线圈相对应的三次线圈（L3）上产生感应电动势。在这种感应电动势被可以放大施加到天线线圈410两个端部的电压差的放大器310放大之后，通过包括滤波器的AFE320以去除噪声，接着被ADC330转换为数字信号，DSP340通过适当算法根据数字信号提取坐标，接着将坐标数据发送到主机系统。
触笔100内的一次线圈（L1）140的一端连接到导电笔尖101，并且一次线圈（L2）120的另一端连接到触笔100的由导电材料形成的导电主体150（参照图7）并且被接地。当用户形成接地单元500时，按照需要，一次线圈（L2）120的另一端连接到与用户身体相对应的接地单元电容器（Ch）。
在此，未描述的附图标记157表示将第一芯体135a固定到主体150内部的芯体支撑件15。
图8是例示与图7的触笔相对应的部分的电路图；以及图9是例示根据本发明的实施方式的触笔的详细内部构造的图。
如图8示例性地示出的，根据本发明的实施方式的触笔100具有以下内部结构：其中一次线圈（L1）140和二次线圈（L2）120分别缠绕在彼此分开并且串联布置的第一芯体135a和第二芯体135b上。弹性构件155设置在第一芯体135a和第二芯体135b之间，并且随着导电笔尖101按压传感器板面的压力增大，弹性构件155的厚度t减小。
在此，第一芯体135a和第二芯体135b由磁性材料形成，例如，铁氧体。
一次线圈（L1）140和二次线圈（L2）120、谐振电容器（C2）110和第一芯体135a和第二芯体135b被设置在触笔100的导电主体150内，并且可以在导电主体150上形成孔，导电笔尖101通过该孔部分地突出到外部。
导电笔尖101与导电主体150电绝缘，为此，可以在孔周围进一步设置包围导电笔尖101的绝缘部件（未示出）。
此外，导电主体150可以连接到上述触笔接地单元500。
开关（SW）130由弹性材料形成，并且为了维持开关（SW）130和导电笔尖101之间的电绝缘，可以在开关（SW）130和导电笔尖101之间设置第一绝缘体103。此外，为了维持开关（SW）130和在不施加书写压力的情况下位于开关（SW）130上的第二芯体135b之间的绝缘，可以在开关（SW）130和第二芯体135b之间形成第二绝缘体107。
当导电笔尖100按压传感器板201时，通过导电笔尖100施加的压力确定触笔100中的开关（SW）130的打开和闭合。也就是说，导电笔尖100以指定压力或者更大的压力按压传感器板，开关（SW）130闭合，因而谐振电容器110和二次线圈120直接连接以形成闭合内部谐振电路。
此外，开关（SW）130的一端连接到二次线圈（L2）120。
一次线圈（L1）140的一端连接到导电笔尖101，并且一次线圈（L1）140的另一端连接到导电主体150的接地端子125。
在下文，将描述触笔100的操作。
一次线圈（L1）140的一端通过导电笔尖101与传感器板的触摸传感器200（参照图5）执行电容耦合，因而形成感测电容器（Csx）250。
因此，来自触摸传感器的各个通道的输入信号通过感测电容器（Csx）250驱动一次线圈（L1）140，接着通过电磁耦合形成的第一互感M12驱动包括二次线圈（L2）120和谐振电容器（C2）110在内的谐振电路。电路被构造为使得从驱动信号发生器305输入到触摸传感器200的各个通道Tx和Rx的信号与包括二次线圈（L2）120和谐振电容器（C2）110在内的谐振电路的电磁谐振频率相同。在此情况下，由于电磁谐振，信号强度根据时间而增加。一次线圈（L1）140的另一端通过与触笔100的导电主体150接触的人手和人体形成的接地电容器（Ch）接地。
当导电笔尖101以指定压力按压传感器板201的表面时，开关（SW）130闭合，并且仅仅此时产生电磁谐振，因而允许感测通过触笔100的输入。也就是说，即使触笔100接近传感器板201，当触笔100不以指定压力按压传感器板201的表面时，触笔100不操作，因而防止了触笔100误操作。在电磁谐振期间产生的磁场信号被发送到位于传感器板201的边缘区域中并且用作一种三次线圈（L3）的天线环410，并且触摸控制器300感测天线环410的两个端部处的电压的差。
在根据本发明的实施方式的触笔100中，通过根据书写压力的变化改变夹在一次线圈（L1）120和二次线圈（L2）140之间的弹性构件155的厚度t，改变第一芯体134a和第二芯体135b的表面上缠绕的一次线圈（L1）120和二次线圈（L2）140之间的在长度方向上的间隔，因而可以通过与一次线圈（L1）120和二次线圈（L2）140之间的间隔变化相对应的第一互感（M12）的值的变化，来检测这种书写压力。
在此，随着书写压力增大，弹性构件155的厚度t减小，并且当不施加书写压力时弹性构件155保持初始厚度。不施加书写压力的情况表示触笔100不触摸传感器板表面的情况，并且在此情况下，不进行触摸感测。
触笔100内的一次线圈（L1）140缠绕在由支撑件157固定的第一芯体135a上因而被固定，并且当施加书写压力时，传递到导电笔尖101的书写压力将第二芯体135b的位置向上移动，并且二次线圈（L2）120和一次线圈（L1）140之间的距离减小。在此情况下，通过算式（k是耦合系数）来计算一次线圈（L1）140和二次线圈（L2）120之间的互感（M12）的值。在此，由于随着距离减小，耦合系数k增大，所以随着距离减小，互感M12的值增大。
图10是例示根据本发明的实施方式的触笔和触摸传感器板之间的对应关系的图。
例如，当书写压力增加并且一次线圈（L1）和二次线圈（L2）之间的间隔减小时，与书写压力低时相比，第一互感（M12）的值相对增大，从触笔100产生的信号值增大，并且这种第一互感（M12）的值增加在触笔100和天线环410之间产生的第二互感（M23或者M13）的值。因此，如果书写压力高，则感测到的信号值增大。按此方式，根据触摸控制器300最终检测到的信号值，可以确定书写压力的强度，并且可以确定与各书写压力的强度相适应的绘画中的字符风格或者字符浓度。
也就是说，由于使用了弹性构件155，感应与书写压力的变化相对应的第一互感（M12）的变化，并且与第一互感（M12）成比例的、天线环410和触笔100之间的第二互感（M23或者M13）也改变。也就是说，书写压力的变化可以造成天线环410实际感测到的值的变化，因而，可以基于感测到的值的变化来测量书写压力的变化程度。
弹性构件155的初始厚度被设置为0.7～2.0mm。这种弹性构件155可以根据压力在约0.7mm的厚度范围内改变。
图11是例示根据本发明的实施方式的输入系统的帧驱动方法的图。
如图11示例性地示出，根据本发明的实施方式的输入系统按照时分驱动方式驱动一个帧，即，将一个帧划分为用于检测手指触摸的区间和用于检测触笔触摸的区间。用于检测手指触摸的区间和用于检测触笔触摸的区间交替进行。
例如，如果一个帧对应于5～10ms的时间，则帧率对应于100～200Hz。在此情况下，当一个帧被划分为用于检测手指触摸的区间和用于检测触笔触摸的区间时，各个区间对应于2.5～5ms的时间。这应用于一个帧被划分为用于检测手指触摸和用于检测触笔触摸的两个相等区间的情况，并且按照需要，在一个帧内两个区间中的一个的时间可以延长。
在检测触笔触摸期间，假定第一通道Tx的数量是m个并且第二通道Rx的数量是n个，如图6示例性地示出的，m个第一通道Tx(1)～Tx(m)和n个第二通道Rx(1)～Rx(n)被顺序驱动和感测。
也就是说，在用于检测触笔触摸的区间中，顺序地驱动总共“m+n”个通道。因此，例如，假定m+n=50，驱动一个通道花费的时间是2.5～5ms除以50而获得的50～100μs。
接着，在检测手指触摸期间，驱动信号顺序地施加到第一通道Tx，并且感测第二通道Rx处的检测信号，因而通过检测与触摸相对应的变化而检测触摸位置。因此，在检测手指触摸期间，驱动信号仅仅施加到第一通道Tx，在检测手指触摸期间每一个第一通道Tx的驱动信号施加时间（2.5～5ms/m）可以比在检测触笔触摸期间每一个通道Tx或Rx的驱动信号施加时间（2.5～5ms/(m+n)）更长。
在此情况下，以后将描述驱动各通道的信号波形和感测波形通过时分驱动方式交替地驱动触笔输入和手指触摸。
接着，将描述在检测触笔触摸期间各个通道的驱动和感测方法。
将描述根据本发明的实施方式的输入系统的两个相邻第一通道Tx(n)和Tx(n+1)的驱动和感测处理。
尽管图11例示了通道Tx(n)和Tx(n+1)的驱动处理，但是可以通过顺序地向通道Tx(1)～Tx(m)和Rx(1)～Rx(n)施加信号，并且根据各个通道基于在天线环410的两个端部接收到的电压之差执行触摸检测，来实行这种处理。
为了执行触摸检测，通过导电笔尖101（参照图7）和传感器板201之间的耦合形成的感测电容器（Csx）电连接到一次线圈（L1）。之后，开关（SW）闭合以形成二次线圈（L2）和谐振电容器（C2）的谐振电路。因而，由于一次线圈（L1）和二次线圈（L2）之间的第一互感（M12）造成的谐振电路中的电磁谐振，二次线圈（L2）的电感值增大，并且天线环410接收第二互感（M13或者M23）而电磁谐振的感应电动势。
也就是说，当第一互感M12的值增大时，信号从一次线圈（L1）更有效地发送到二次线圈（L2）并且二次线圈（L2）处的谐振信号增大。二次线圈（L2）的增大的谐振信号被成比例地发送到用作三次线圈（L3）的天线环410。因此，当书写压力增大时，三次线圈（天线环）L3接收到的信号与书写压力的增大成比例地增大。
如图11示例性地示出的，施加到多个第一通道Tx(1)～Tx(m)和多个第二通道Rx(1)～Rx(n)的信号可以是与谐振电路的谐振频率相同频率的方波或者正弦波。
当触笔触摸传感器板表面时，触笔可以被用户接地。在此，尽管被接地，用户可以直接接触触笔的导电主体或者将导电主体通过导线连接到传感器板。
如果驱动通道Tx(n)，则来自触摸控制器的指定频率的方波或者正弦波的信号施加到通道Tx(n)达时间T1。
当方波或者正弦波的信号施加到通道Tx(n)达时间T1时，触笔的一次线圈（L1）形成在通道Tx(n)和导电笔尖之间通过电容耦合产生的感测电容器（Csx）达该时间T1。此外，当触笔触摸传感器板表面时，形成感测电容器（Csx）和导电笔尖之间的电连接，因而，从一次线圈产生与方波同步的小的波形。这通过一次线圈和二次线圈之间的耦合形成第一互感（M12），由此驱动二次线圈。在此，二次线圈的波形随着时间流逝而增大。其原因是通过与闭合的谐振电路串联连接的谐振电容器（C2）发生电磁谐振，并且电磁谐振的谐振频率和振幅根据时间而增大。
此外，当触笔触摸传感器板时，一次线圈（L1）或者二次线圈（L2）通过第二互感（M13或者M23）与传感器板中的天线环耦合，因而，天线环可以感测通过触笔的谐振产生的电磁信号。
天线环通过检测在天线环的两个端部接收到的电压之间的差，放大该电压差，从放大的电压差去除噪声，将去除了噪声的放大的电压差从模拟信号转换为数字信号，并且在存储器中存储该数字信号，来存储关于在对应通道处天线环两个端部之间的电压差的信号强度数字数据。
之后，在通道Tx(n+1)的情况下，驱动信号被施加到通道Tx(n+1)，感测电磁信号，并且按照与上述方法相同方式，与这种信号的强度成比例的数字数据被存储在存储器中。
当收集通过这种处理获得的一个帧的各个通道的信号强度数字信号时，触摸控制器的数字信号处理器提取触笔所位于的位置的坐标。
触笔的信号接收区间可以对应于时间T1+T2的区间或者时间T2的区间。如果信号接收区间是时间T1+T2的区间，则接收信号的时间可以延长，因而可以期待增加测量信号的准确性。然而，通道Tx或者通道Rx可以被驱动达时间T1，并且由这些通道形成的寄生环路可以感应磁场信号，这种信号可以用作天线环的噪声分量，并且天线环可以和从触笔中的谐振电路产生的信号一起接收这种噪声。
因此，如果由于寄生环路的磁场干扰导致触摸检测难以准确，则可以通过仅仅在时间T2的区间检测来自触笔的谐振信号执行信号检测。在此情况下，由于谐振信号被接收未达到时间T1，所以信号接收时间和数据准确性可能降低，但是磁场信号造成的噪声不影响天线环。
图12是例示根据本发明的实施方式的、与触笔的书写压力相对应的第一内部互感变化的曲线图。
如图12示例性地示出，在根据本发明的实施方式的触笔中，应理解的是，随着书写压力增大，第一芯体和第二芯体之间的弹性构件的厚度t（在图12的曲线图中表示为距离）减小并且第一互感（M12）逐渐增大。
当书写压力变化时，第二互感（M23或者M13）具有固定值，但是第一互感（M12）根据书写压力的变化而变化。因此，可以通过感测第一互感（M12）的变化检测书写压力的变化。
图13是例示在根据本发明的实施方式的输入系统中，与书写压力的强度相应的、二次线圈的时间对信号的变化的曲线图；而图14是例示在根据本发明的实施方式的输入系统中，与书写压力的强度相对应的、天线环的时间对信号的变化的曲线图。
在曲线图中，书写压力均匀地从1增加到5。
尽管波形根据时间变化，但是应理解的是书写压力越高，检测到的二次线圈（L2）和三次线圈（天线环，L3）的信号值越大。
也就是说，通过实验确认当一次线圈和二次线圈之间的间隔与书写压力的增大相对应地减小时，第一互感（M12）的值增大，并且各个线圈的检测到的信号值与第一互感（M12）的值的增大成比例地增大。也就是说，当书写压力增大时，接收到的信号与书写压力的增大成比例地增大。
由于大致在连接到触摸控制器的三次线圈（天线环）处进行检测，所以触摸控制器可以通过三次线圈的两个端部来检测书写压力的增大。
图15A到图15D是例示根据本发明的各个实施方式的触笔中的一次线圈和二次线圈以及它们之间的部件的图。
如图15A到图15D示例性地示出的，根据本发明的实施方式的各触笔被构造为使得在第一芯体和第二芯体中至少一个的与弹性构件相对应的表面上设置凹部和凸部，并且弹性构件被插入在凹部中。
在此，尽管附图中未示出，但是一次线圈和二次线圈在长轴方向上从上部到下部分别缠绕在第一芯体和第二芯体的表面上。
根据本发明的这些实施方式的触笔被设计为使得随着一次线圈和二次线圈之间的间隔t减小，触摸控制器最终检测到的信号增大，因而当书写压力最大时一次线圈和二次线圈之间的间隔变为0。
在图15A所示触笔中，在第一芯体615的与弹性构件655相对应的表面的边缘处设置有凸部，并且在第一芯体615的表面的中央处相应地设置有与弹性构件655相对应的凹部。接着，弹性构件655插入到凹部中。弹性构件655具有当书写压力实际施加到该弹性构件655时改变的厚度，并且被设计为使得弹性构件655在初始状态下的厚度大于凹部和凸部之间的距离h。在此情况下，第二芯体616的与弹性构件655相对应的表面是平坦的。
尽管附图中未示出，但第一芯体615和第二芯体616可以被设计为使得第一芯体615和第二芯体616的与弹性构件655相对应的表面的形状彼此相反。
尽管图15A例示了弹性构件655具有圆形截面，但是弹性构件655不限于此。弹性构件655可以具有各种多边形形状的截面。
在图15B所示触笔中，在第一芯体715的与弹性构件755相对应的表面的中央处设置有凸部，并且在第一芯体715的表面的边缘处相应地设置有与弹性构件755相对应的凹部。在此情况下，弹性构件755的中心是开放的，并且第一芯体715的凸部可以插入到弹性构件755的开放的中心。
在此情况下，第二芯体716的与弹性构件755相对应的表面是平坦的。
尽管附图中未示出，但第一芯体715和第二芯体716可以被设计为使得第一芯体715和第二芯体716的与弹性构件755相对应的表面的形状彼此相反。
按照相同方式，弹性构件755具有当书写压力实际施加到其上时改变的厚度，并且被设计为使得弹性构件755在初始状态下的厚度大于凹部和凸部之间的距离h。在此情况下，第二芯体716的与弹性构件755相对应的表面是平坦的。
图15B例示弹性构件755具有带有开放中心的方形截面。
与图15B相比，图15C例示具有带有开放中心的六边形截面的弹性构件855。
与图15B相比，图15D例示具有带有开放中心的环形截面弹性构件955。
如果第一芯体715在其中心处设置有凸部，则第一芯体715不限于图15B到图15D的形状，并且可以具有带有开放中心的各种多边形截面。
使用根据本发明的一个实施方式的输入系统检测触摸具有以下优点。
与具有用于检测手指触摸和用于检测触笔触摸的不同的板的输入系统相比，根据本发明的实施方式的输入系统可以降低制造成本并且简化制造处理。此外，根据本发明的实施方式的输入系统可以形成薄的传感器板。
根据本发明的实施方式的输入系统的触笔包括一次线圈和二次线圈，上面缠绕了相应线圈的第一芯体和第二芯体彼此分开并且串联连接，并且在第一芯体和第二芯体之间夹着弹性构件，使得弹性构件的厚度根据书写压力的变化而变化。因此，当书写压力变化时，一次线圈和二次线圈之间的间隔变化，一次线圈和二次线圈之间的互感根据书写压力的变化而改变，因而可以根据触笔触摸传感器板时的书写压力改变字符的浓度。
此外，可以通过在触笔内的谐振电路和传感器板的天线环之间传输磁场信号来检测触摸，并且不需要触笔中的电池，因而与需要单独电源的有源触笔相比，根据本发明的实施方式的触笔的制造成本降低。此外，可以制造出轻便小巧的触笔。
此外，根据本发明的实施方式的输入系统可以通过不同驱动方法分别感测触笔触摸和手指触摸，在触笔触摸期间可以容易地实现手掌拒绝，因而可以提高触摸灵敏度的准确性。
此外，由于检测触摸时使用在触笔和一个电极之间产生的感测电容（Csx）而不是在电容型中使用的交叉电极之间的互感（ΔCm），所以在检测触笔触摸时使用了相对更大的感测电容，因而期待灵敏度提高。
触笔中的谐振电路的频率信号被设置为与施加到传感器板中的电极（通道）的驱动信号同步，可以容易地施加书写压力或者是否按下特定按钮。
此外，由于在检测触笔触摸时使用的天线环与形成交叉电极的有效区域分开并且位于比具有低灵敏度的边缘区域更外侧的区域中，所以可以保持触笔灵敏度统一而与区域无关。
从以上描述明显可见，根据本发明的一个实施方式的输入系统和使用该输入系统的触摸检测方法具有以下效果。
首先，根据本发明的实施方式的输入系统基本上具有以电容型检测手指触摸的结构，并且可以通过触笔的谐振电路和在传感器板的边缘区域的天线环的谐振，检测触笔触摸。也就是说，该输入系统通过改变传感器板的边缘区域的构造和触笔的内部电路在不使用单独的板的情况下，可以检测在电容型检测中受限制的触笔触摸，而不影响电极图案的接触面积或者形状。
第二，根据本发明的实施方式的输入系统的触笔包括一次线圈和二次线圈，上面缠绕了相应线圈的第一芯体和第二芯体彼此分开并且串联连接，并且在第一芯体和第二芯体之间夹着弹性构件，使得弹性构件的厚度根据书写压力的变化而变化。因此，当书写压力变化时，一次线圈和二次线圈之间的间隔变化，一次线圈和二次线圈之间的互感根据书写压力的变化而改变，因而可以根据触笔触摸传感器板时的书写压力调节字符的浓度。
第三，与具有用于检测手指触摸和用于检测触笔触摸的不同的板的输入系统相比，根据本发明的实施方式的输入系统可以降低制造成本并且简化制造处理。此外，根据本发明的实施方式的输入系统可以形成薄的传感器板。
第四，可以通过触笔内的谐振电路和传感器板的天线环之间的谐振来检测触摸，并且不需要触笔中的电池，与需要单独电源的有源触笔相比，根据本发明的实施方式的触笔的制造成本降低。此外，可以制造出轻便小巧的触笔。
第五，根据本发明的实施方式的输入系统可以通过不同驱动方法分别感测触笔触摸和手指触摸，在触笔触摸期间可以容易地实现手掌拒绝，因而可以提高触摸灵敏度的准确性。
第六，由于检测触摸时使用在触笔和一个电极之间形成的感测电容（Csx）而不是在电容型中使用的交叉电极之间的互感（ΔCm），所以与传统输入系统相比，可以在检测触笔触摸时使用相对更大的感测电容器。因此，期待灵敏度的提高。
第七，在检测触笔触摸时使用的天线环与形成有交叉电极的有效区域分开并且位于比具有低灵敏度的边缘区域更外侧的区域中，所以可以保持触笔灵敏度统一而与区域无关。
对于本领域技术人员而言，很明显，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下对本发明做出各种修改和变型。因此，本发明旨在涵盖本发明的落入所附权利要求书及其等同物范围内的这些修改和变化。
本申请要求于2012年11月13日提交的韩国专利申请10-2012-0127906的优先权，通过引用结合于此，如同全面在此阐述一样。

Claims (19)

1.一种输入系统，所述输入系统包括：
传感器板，其包括彼此交叉的多个第一通道和多个第二通道；
触笔，其包括彼此分开的第一芯体和第二芯体、缠绕在所述第一芯体和所述第二芯体上的一次线圈和二次线圈、夹在所述第一芯体和所述第二芯体之间的弹性构件、串联连接到所述二次线圈的谐振电容器和开关、以及连接到所述一次线圈的导电笔尖，其中，通过根据书写压力调整所述弹性构件的厚度来调整在所述一次线圈和所述二次线圈之间的第一互感(M12)的值；
接地单元，其连接到所述触笔；
天线环，其形成在所述传感器板的边缘区域；以及
触摸控制器，其连接到所述第一通道、所述第二通道和所述天线环。
2.根据权利要求1所述的输入系统，其中，当所述触笔按压所述传感器板的表面时，随着通过将所述触笔按压到所述传感器板的表面上而产生的压力增大，所述弹性构件的厚度减小，因而所述一次线圈和所述二次线圈之间的间隔减小。
3.根据权利要求1所述的输入系统，其中，所述第一芯体和所述第二芯体由铁氧体形成。
4.根据权利要求2所述的输入系统，其中，所述第一芯体和所述第二芯体中的至少一个的与所述弹性构件相对应的表面设置有凹部和凸部，因而所述弹性构件插入到所述凹部中。
5.根据权利要求4所述的输入系统，其中，所述弹性构件设置有与所述凸部相对应的开口。
6.根据权利要求4所述的输入系统，其中，所述弹性构件的截面具有圆形或者多边形形状。
7.根据权利要求2所述的输入系统，其中，所述触笔还包括导电主体，所述导电主体包括上面缠绕了所述一次线圈和所述二次线圈的所述第一芯体和所述第二芯体，所述第一芯体和所述第二芯体之间夹着所述弹性构件地串联连接，并且所述导电主体在所述第二芯体下方设置有使所述导电笔尖部分地突出的孔。
8.根据权利要求7所述的输入系统，其中，所述第一芯体在所述导电笔尖的对侧固定到所述导电主体的内部。
9.根据权利要求8所述的输入系统，其中，当所述触笔按压所述传感器板的表面时，所述导电主体根据所述触笔对所述传感器板的表面的按压变得接近所述传感器板的表面。
10.根据权利要求7所述的输入系统，其中，所述导电主体连接到所述接地单元。
11.根据权利要求7所述的输入系统，其中，所述开关由弹性材料形成，与所述导电笔尖电绝缘，并且按照施加到所述导电笔尖的压力来工作。
12.根据权利要求11所述的输入系统，其中，所述开关连接到所述二次线圈，并且与所述第二芯体电绝缘。
13.根据权利要求12所述的输入系统，其中，所述一次线圈的一端连接到所述导电笔尖，并且所述一次线圈的另一端连接到所述导电主体。
14.根据权利要求13所述的输入系统，其中，当所述触笔触摸所述传感器板的表面时，所述天线环接收从所述触笔内的所述二次线圈谐振的感应信号。
15.根据权利要求14所述的输入系统，其中，所述天线环围绕所述传感器板的所述边缘区域，并且所述天线环的两个端部设置有焊盘并且通过所述焊盘连接到所述触摸控制器。
16.根据权利要求7所述的输入系统，其中，所述接地单元是用户或者连接在所述导电主体和所述传感器板之间的导线。
17.根据权利要求7所述的输入系统，其中，所述触摸控制器包括：
放大器，其连接到所述天线环并且放大在所述天线环的两个端部接收到的电压之间的差；
模拟前端AFE，其连接到所述放大器并且去除噪声；
模数转换器ADC，其连接到所述模拟前端AFE并且将模拟信号转换为数字信号；
数字信号处理器DSP，其连接到所述模数转换器ADC并且通过收集数字信号来提取坐标；以及
驱动信号发生器，其产生施加到所述传感器板中的各个通道的信号。
18.根据权利要求17所述的输入系统，其中，当所述触笔触摸所述传感器板的表面时，所述开关闭合并且所述二次线圈和所述谐振电容器形成闭合电路。
19.根据权利要求18所述的输入系统，其中，从所述驱动信号发生器向各个通道施加的信号是与所述闭合电路中的谐振频率相同频率的方波或者正弦波。
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