KR100920253B1 - 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정전용량의 변화를 감지하여 터치 포인트를 찾아내는 정전용량식 입력장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일 평면 상에서 인접하여 배치된 센싱전극 간의 전기력선 변화에 따른 정전용량 변화를 감지하여 센싱 포인트를 찾아내고, 유전체를 사이에 두고 센싱전극 하부에 배치되는 전극층을 접지(Ground)시키고 센싱전극들이 상호 공유하도록 하여 터치시 발생되는 기생진동을 최소화한 전기력선을 이용한 정전용량식 입력장치에 관한 것이다.

본 발명의 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치는 탄성을 갖는 유전체층; 상기 유전체층 상부에 배치되고 다수의 센싱전극을 가즌 센싱전극층; 상기 유전체층 하부에 배치되고, 상기 다수의 센싱전극에 공유되는 접지전극층;을 포함하여 이루어지고, 상기 센싱전극층 소정부위를 터치시에 터치되는 센싱전극과 이에 인접한 센싱전극 간의 전기력선 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하여 터치 포인트를 찾아내는 것을 특징으로 한다.

터치, 정전용량, 입력장치, 접지, 전기력선

Description

전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치{Capacitive Input Device using electric flux change}

본 발명은 정전용량의 변화를 감지하여 터치 포인트를 찾아내는 정전용량식 입력장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일 평면 상에서 인접하여 배치된 센싱전극 간의 전기력선 변화에 따른 정전용량 변화를 감지하여 센싱 포인트를 찾아내고, 유전체를 사이에 두고 센싱전극 하부에 배치되는 전극층을 접지(Ground)시키고 센싱전극들이 상호 공유하도록 하여 터치시 발생되는 기생진동을 최소화한 전기력선을 이용한 정전용량식 입력장치에 관한 것이다.

화면을 직접 터치하여 각종 명령을 입력하는 터치식 입력장치가 그 편의성으로 인해 근래 각광받고 있고, 그에 따라 급속히 다양한 터치식 입력장치가 개발되고 있다.

터치식 입력장치는 사용자가 손이나 터치펜을 이용해 각종 입력내용이 표시되는 화면을 터치하면 그 터치위치를 찾아내어 해당하는 명령이 수행되도록 하는 입력장치로서, 현재 휴대폰, MP3, PDA, PMP, 네비게이션 등에 널리 사용되고 있다.

터치식 입력장치에서 터치 포인트를 찾아내는 방식에는 압력식, 저항막 방식, 정정용량식, 초음파식, 적외선식 등 여러 가지가 있다.

이중 정전용량식은 유전체를 사이에 두고 있는 상부 전극과 하부 전극 사이에 형성(충전)되어 있는 정전용량이 사용자가 손이나 터치펜으로 상부 전극을 터치시에 변화되는 것을 감지하여 터치 포인트를 찾아내는 방식이다.

이러한 종래의 정전용량식의 터치식 입력장치는 등록특허 제10-787834호 "정전용량식 입력장치"에서 보는 바와 같이 사용자가 터치시에 상부 전극과 하부 전극의 거리변화에 따라 정전용량이 변화되는 것을 이용하여 터치 포인트를 찾아낸다.

종래의 정전용량식 입력장치는 상부전극과 하부전극의 거리변화가 있어야 하므로 이들 사이에 개재되는 유전체는 복원력(즉, 탄성력)을 가져야 한다. 복원력을 갖는 유전체로는 실리콘이 주로 사용되고 있고, 상기 등록특허는 다수의 기둥을 가갖는 받침대를 상부전극과 하부전극 사이에 개재시켜 공기를 유전체로 사용하고 있다.

터치 여부와 터치 포인트 감지의 정밀도를 높이기 위해서는 동일한 압력으로 터치할 때 동일하게 눌러져야 한다. 즉, 동일한 압력이 가해질 때 상부전극과 하부전극의 간격은 일정하여야 한다. 그런데 실리콘과 같은 유전체는 그 전면의 복원력(탄성력)이 동일하기 어렵고, 장기 사용시 차츰 경화되는데 부위마다 경화 속도가 다르고, 온도에 따라 복원력에 차이가 발생된다. 즉, 실리콘 전체의 복원력이 일정하지 아니하여 부분부분 마다 민감도가 다르다.

상기 등록특허는 공기를 유전체로 이용하므로 유전체 자체의 복원력은 일정할 수 있지만 다수의 기둥에 의해 공기층(유전체)을 형성하므로 터치 포인트와 기둥의 거리에 따라 눌려지는 깊이(즉, 상부전극과 하부전극의 간격)가 달라지므로 결국 전체의 복원력을 일정하지 아니하다.

이와 같이 상부전극과 하부전극의 거리변화에 따른 정전용량 변화를 발생시켜 터치 포인트를 감지하는 방식은 터치면 전체의 민감도가 일정하지 아니하므로, 다른 요인에 의해 정정용량 변화를 발생시킬 필요가 있다.

그리고 정전용량식 입력장치는 사용자의 터치시에 기생진동이 자주 발생된다. 이 기생진동은 전극에 인가되는 전원의 불안정성에 기인하기도 하지만, 사용자의 터치시에 옷에 있는 정전기가 입력장치로 유입되어 발생되기도 한다. 그리고 기생진동은 두 전극간에 형성되어 있는 정전용량의 크기에 비례한다.

기생진동의 원인이 되는 인가되는 전원의 불안정성이나 정전기의 유입에 의한 진동주파수의 발생 자체를 막을 수는 없지만, 발생된 진동주파수를 빠르게 흡수 소멸시켜 기생진동을 최소화할 수는 있다. 그런데 종래의 정전용량식 입력장치는 기생진동을 최소화할 수 있는 수단을 구비하고 있지 아니하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 상부전극과 하부전극 간의 거리변화에 따라 정전용량을 변화시키는 것이 아니라, 동일 평면상에 있는 상부전극 간에 형성되는 전기력선의 변화에 정전용량을 변화시켜 터치 포인트를 감지하도록 하여 터치면 전체의 민감도, 신뢰도를 향상시키고, 기생진동의 원인이 되는 원치 않는 진동주파수를 빠르게 흡수 소멸시키도록 하부전극을 상부전극들에 공유됨과 아울러 접지(Ground)시키고 전극 간의 평상시 기본 정전용량 크기를 작게 하여 기생진동을 최소화하고, 입력장치를 단말기 본체에 결합시에 접지된 하부전극이 본체에 구비되어 있는 EMI방지부재에 접촉결합되도록 하여 EMI방지 효율을 더욱 높인 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치를 제공함을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치는

탄성을 갖는 유전체층;

상기 유전체층 상부에 배치되고 다수의 센싱전극을 가즌 센싱전극층;

상기 유전체층 하부에 배치되고, 상기 다수의 센싱전극에 공유되는 접지전극층;을 포함하여 이루어지고,

상기 센싱전극층 소정부위를 터치시에 터치되는 센싱전극과 이에 인접한 센싱전극 간의 전기력선 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하여 터치 포인트를 찾 아내는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 센싱전극층 상부에 배치되는 보호층;

상기 보호층 상부에 배치되고, 각종 입력내용이 표시되는 표시층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 접지전극층은 단말기 본체와 결합시에 본체에 구비되어 있는 EMI방지부재와 접촉결합되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명은 사용자의 터치시에 터치 포인트에 위치한 센싱전극과 이 센싱전극에 인접한 다른 센싱전극 간의 전기력선 변화에 따른 정전용량 변화를 감지하여 터치 포인트를 찾아내는 방식으로, 터치면 전체의 터치 압력에 따른 정전용량의 변화 오차(즉, 부분부분 마다의 민감도 차)가 적고, 가볍게 터치하더라고 터치 여부를 정확히 감지할 수 있다.

또한, 하부의 전극(즉, 접지전극층)이 상부의 전극(즉, 센싱전극)들에 공유되어 있고 접지(Ground)되어 있어 기생진동의 원인이 되는 기생주파수를 접지전극층이 빠르게 흡수 소멸시키고 동일 평면상에 있는 센싱전극 간의 기본 정전용량이 적어 기생진동이 적다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 정전용량식 입력장치의 단면도이고, 도2는 분해 사시도이고, 도3은 센싱전극간의 전기력선 변화의 일례를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 정전용량식 입력장치는 휴대폰, PMP, 네비게이션 등의 단말기에 장착되어 각종 조작 명령을 입력하는데 사용되며, 단말기 본체에 구비되어 있는 마이컴에 전기적으로 연결되어 전원을 입력받고 사용자의 터치를 감지하여 마이컴으로 전송한다.

도면에서 보는 바와 같이 본 발명의 정전용량식 입력장치는 표시층(10), 보호층(20), 센싱전극층, 유전체층(40), 접지전극층(50), 기저층(60)이 차례로 적층되어 구성된다.

상기 표시층(10)은 액정화면으로 단말기로부터 전송되는 각종 입력내용 디스플레이한다. 사용자는 표시된 입력내용들 중 필요한 입력내용이 표시된 부분을 터치하여 그에 해당하는 명령을 입력하게 된다.

상기 보호층(20)은 센싱전극(30)들의 표면을 감싸 보호한다. 상기 보호층(20)과 표시층(10)은 터치시 가해지는 압력이 센싱전극층과 유전체층(40)에 전해 질 수 있도록 탄성을 갖는다.

상기 센싱전극층을 다수의 센싱전극(30)들로 구성되고, 센싱전극(30)들은 보호층(20) 하부면이 유전체층(40) 상부면에 접착되고, 센싱전극(30) 각각은 단말기 본체의 마이컴에 전기적으로 연결되는 배선(미도시)을 갖는다.

센싱전극(30)은 동판과 같은 도전체이며, 그 모양, 개수, 크기, 배열 간격 등은 장착될 단말기의 종류와 표시층(10)이 디스플레이되는 입력내용들의 배치 등을 고려하여 터치 포인트 감지의 정확성과 오동작 되지 않도록 적절히 선택한다.

상기 유전체층(40)은 상기 센싱전극층과 접지전극층(50) 사이, 그리고 센싱전극(30)들 사이에 개재되어 이들을 전기적으로 분리시켜 이들 사이에 정전용량이 형성(충전)되도록 한다.

상기 유전체층(40)은 실리콘, 공기 등과 같이 절연체이며 복원력(탄성)을 갖는 물질로 이루어진다. 도면에서는 센싱전극(30)들 사이의 공기가 유전체 역할을 한다.

상기 접지전극층(50)은 상기 센싱전극(30)과 같이 도전체이며 배선(미도시)으로 본체의 마이컴에 전기적으로 연결된다.

그리고 접지전극층(50)은 하나의 판 형상으로 이루어져 센싱전극(30)들이 공유하고 있으며, 접지(Gronnd)되어 있다.

또한, 단말기 본체에 장착시에 단말기에 구비되어 있는 EMI(전자파장애)방지부재(일반적으로 도전성물질)에 직접 접촉결합되어 단말기 전체의 EMI를 방지(감소)한다.

상기 기저층(60)은 위에 적층되는 다른 구성요소들을 지지하는 베이스 역할을 하며, 굳이 없어도 되는 임의선택적인 구성이다.

도3은 사용자의 터치 전후의 센싱전극(30) 사이의 전기력선을 도시한 것으로서, 터치 전에는 센싱전극(30)이 동일 평면상에서 나란히 배열되고 두 센싱전극(30)이 형성하는 전기력선은 곡률반경이 작은 반원 형상을 하고 있으나, 사용자가 터치하여 가압하면 가압되는 힘에 의해 가압부위(터치 포인트)의 유전체층(40)과 센싱전극(30)이 눌리고, 눌림에 따라 센싱전극(30)이 약간 라운드지고 두 센싱전극(30)이 동일 평면상을 벗어나다. 그리하여 두 센싱전극(30)이 형성하는 전기력선은 곡률반경이 큰 라운드진 형상으로 변형된다.

이러한 전기력선의 변화는 정전용량의 변화를 가져오고, 단말기 본체의 마이컴은 배선을 통해 정전용량 변화 신호를 받아 터치 포인트를 연산하게 된다.

참고로, 두 전극판 사이의 정전용량 C는 수식 C=ε*S/d에서 보는 바와 같이 두 전극판의 대향면적(S)에 비례하고, 두 전극판의 간격(d)에 반비례하고, 두 전극판 사이에 개재되는 유전체의 유전률(ε)에 비례한다. 그리고 유전률(ε)은 두 전극판이 형성하는 전기력선에 영향을 받는다. 따라서 사용자가 센싱전극 상부를 가 압하면 가압되는 센싱전극들이 형성하는 전기력선의 변화를 가져오고, 이는 센싱전극 간에 개재되는 유전체의 유전률을 변화시키고, 이는 결국 센싱전극 간의 정전용량을 변화시킨다.

그리고 전술한 바와 같이 기생진동은 전극에 인가되는 전원의 불안정과 터치시 유입되는 정전기 등에 기인한다. 즉, 불안정한 전원이나 정전기가 원치않는 기생주파수를 발생시켜 기생진동을 일으킨다.

불안정한 전원이나 정전기에 의한 기생주파수 발생 자체를 없앨 수는 없고, 발생된 기생주파수를 빠르게 소멸시키거나 기생진동이 작게 발생되도록 하여 영향을 최소화하여야 한다.

본 발명은 접지전극층(50)이 접지(Ground)되어 있으며, 센싱전극(30)에 일대일로 배치되는 것이 아니고 센싱전극(30)들 모두에 공유되어 있어, 발생된 기생주파수를 빠르게 흡수하여 소멸시킴으로서 기생진동을 최소화하고,

기생진동의 크기는 두 전극 간에 형성된 정전용량의 크기에 비례하는데, 종래와 같이 상부전극과 하부전극이 상하로 마주보면서 형성하는 정전용량은 상부전극과 하부전극의 마주보는 면적이 커 형성된 정전용량의 크기가 커 기생진동도 크지만, 본 발명은 동일 평면상에서 서로 마주보는 두 센싱전극(30)의 마주보는 면적이 적어 그만큼 형성된 정전용량도 작아 발생되는 기생진동도 작다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구 조를 갖는 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치에 대해 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치의 단면도.

도 2 는 도1의 분해 사시도.

도 3 은 터치 전후의 두 센싱전극이 형성하는 전기력선을 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 표시층 20 : 보호층

30 : 센싱전극 40 : 유전체층

50 : 접지전극층 60 : 기저층

Claims (3)

1. 탄성을 갖는 유전체층;

   상기 유전체층 상부에 배치되고 다수의 센싱전극을 갖는 센싱전극층;

   상기 유전체층 하부에 배치되고, 상기 다수의 센싱전극에 공유되는(즉, 다수의 센싱전극에 공동으로 전기적 연결되는) 접지전극층;을 포함하여 이루어지고,

   상기 센싱전극층 소정부위를 터치시에 터치되는 센싱전극과 이에 인접한 센싱전극 간의 전기력선 변화에 따른 정전용량의 변화를 감지하여 터치 포인트를 찾아내는 것을 특징으로 하는 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 센싱전극층 상부에 배치되는 보호층;

   상기 보호층 상부에 배치되고, 각종 입력내용이 표시되는 표시층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 접지전극층은 단말기 본체와 결합시에 본체에 구비되어 있는 EMI방지부재와 접촉결합되는 것을 특징으로 하는 전기력선 변화를 이용한 정전용량식 입력장치.

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