KR101355938B1 - 타블렛용 전자펜 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 타블렛의 안테나에 유도 전류를 발생시키기 위한 공진 회로를 갖는 전자펜에 관한 것으로서, 상기 전자펜의 몸체로부터 돌출되어 타블렛의 표면에 접촉하는 펜팁; 상기 펜팁이 타블렛과 접촉하여 눌려지거나 자유상태로 될 때, 상기 펜팁과 함께 이동하는 가동부; 적어도 2개의 스위칭 전극을 구비하며, 상기 스위칭 전극이 온/오프됨에 따라 상기 공진 회로의 공진 주파수를 변화하도록 구성된 스위칭 회로부; 상기 가동부의 일측에 배치되어 상기 펜팁의 이동에 따라 상기 스위칭 전극을 온/오프시키는 가동 전극을 포함하는 타블렛용 전자펜을 제공한다.

Description

타블렛용 전자펜{ELECTRONIC PEN FOR TABLET}

본 발명은 타블렛용 전자펜에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 타블렛의 안테나에 유도 전류를 발생시키기 위한 공진 회로를 갖는 전자펜에 있어서 전자펜의 터치-다운 및 터치-업을 정확하게 감지할 수 있도록 하는 전자펜에 관한 것이다.

최근에는 스마트폰이나 타블렛 컴퓨터와 같이 디스플레이면을 손가락 또는 전자펜으로 터치하여 조작할 수 있는 형태의 전자 기기가 각광받고 있다.

한편, 전자펜을 이용하여 전자 기기를 조작하기 위해서는 소정의 전자펜 감지 영역이 설정되어야 하고, 여기에 접촉하는 전자펜의 위치를 예를 들면 직교 좌표로서 계산해낼 수 있어야 한다.

또한, 전자펜은 타블렛의 전자펜 감지 영역과 전자기적으로 상호 작용하기 위하여 건전지와 같은 자체 전원을 구비하여야 한다. 하지만, 가볍게 하고 사용자의 편의성을 향상시키기 위하여, 전자펜은, 별도의 건전지를 구비하지 않고 외부로부터 무선으로 에너지를 공급받아 스스로 동작할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 별도의 건전지 없이 무선으로 구동 가능한 전자펜 및 이를 이용하는 타블렛 장치의 기술 내용에 대해서는, 한국등록특허 제10-910348호(이하, 종래 기술)를 참고할 수 있다. 이하에서는, 상기의 종래 기술을 참조하여, 타블렛에서의 전자펜에 대한 위치/좌표 감지 원리 및 동작을 설명한다.

도 1은 루프 안테나와 라인 안테나를 이용하여 공진 회로를 갖는 전자펜의 위치를 감지하는 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 1(a)을 참조하여 타블렛에서 전자펜(P)을 감지하기 위한 안테나들의 구조를 설명한다. 도면에는, 폐루프 형태로 구성된 루프 안테나(10)와, 루프 안테나(10)의 일측에 일단이 접속되어 있는 상태에서 루프 안테나(10)의 루프 형태를 가로지르는 방향으로 라인 안테나(20)가 배치되어 있다. 라인 안테나(20)의 타단은 증폭기(17)의 입력에 연결되어 있다. 증폭기(17)의 다른 입력은 루프 안테나(10)에 연결된다. 증폭기(17)는 예를 들면, 차동 증폭기로서, 라인 안테나(20)의 전위로부터 루프 안테나(10)의 전위를 차감하여 증폭한 전위차(Vout)를 출력한다. 이러한 안테나 구성에서는, 라인 안테나(20)의 패턴이 루프 안테나(10)의 패턴을 교차하여 지나가는 지점이 생기게 되는데, 이 지점에서는 라인 안테나(20)와 루프 안테나(10)가 서로 절연되어야만 한다.

한편, 도 1(a)은 인덕터와 교류 전원을 포함하는 전자펜(P)이 ① 지점에 위치하고 있는 상태를 나타내고 있다. 전자펜(P)은 교류 전원이 맥동함에 따라서 인덕터(L)로부터 전자기력이 발생하게 된다. 라인 안테나(20)와 루프 안테나(10)는 이러한 전자펜(P)으로부터의 전자기력을 감지하기 위한 것이다.

도 1(b)은 전자펜(P)이 도 1(a)과 같은 안테나 구조상에서 ① 지점, ② 지점, 및 ③ 지점에 위치할 때에 증폭기(17)에서 출력되는 전위차(Vout)를 보여준다. 먼저, 전자펜이 도 1(a)에서와 같이 루프 안테나(10)의 루프 형태 내의 ① 지점에 위치한다면, 라인 안테나(20)에는 실선 화살표 방향으로 흐르는 유도 전류가 발생한다. 한편, 발생한 유도 전류는 실선과 같은 전류의 흐름뿐만 아니라 점선과 같은 형태의 유도 전류의 흐름도 유발한다. 이와 같은 유도 전류가 발생하게 되면, 증폭기(17)에서는, 예를 들면, 음의 방향의 전위차를 출력하게 된다(도면에서는 아래쪽 화살표로 표시).

한편, 전자펜(P)이 ③ 지점에 위치하게 된다면, 라인 안테나(20)에서는 앞서와 반대 방향으로의 유도 전류가 발생할 것이며, 증폭기(17)에서는 양의 전위차를 출력할 것이다.

그리고, 전자펜(P)이 ② 지점, 즉, 라인 안테나(20)의 바로 위에 위치하게 된다면, 라인 안테나(20)에는 유도 전류가 서로 상쇄되어 발생하지 않으며, 증폭기(17)에서는 전위차가 나타나지 않는다.

이와 같은 안테나 구조에 의하면, 루프 안테나(10)의 루프 형태 내부에서 전자펜(P)이 라인 안테나의 우측에 위치하는지 또는 좌측에 위치하는지, 또는 라인 안테나 상에 위치하는지를 감지할 수 있게 된다.

또한, 출력되는 전위차(Vout)의 크기를 이용하면 전자펜과 라인 안테나와의 거리도 판단할 수 있다.

한편, 위의 설명은, 전자펜(P)에서 출력하는 전자기력의 방향이 일정한 경우를 가정한 것이다. 하지만, 전자펜에서 발생하는 전자기력의 방향은 실제로는 교류 전원의 맥동에 따라 전환된다. 따라서, 증폭기(17)에서 출력되는 전위차 역시 교류 전원의 맥동 주파수에 맞추어 진동할 것이다. 이에 대해서는 도 2를 참조하여 후술한다.

도 2는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 안테나와 루프 안테나를 이용하는 구조에 있어서, 공진 회로를 구동시키기 위하여 건전지와 같은 소모성 전원을 이용하지 않고 외부로부터 에너지를 무선으로 공급받아 동작할 수 있는 전자펜 및 이러한 전자펜과 타블렛의 동작시 각부에서 나타나는 전압의 파형을 설명하기 위한 도면이다.

도 2(a)를 참조하면, 루프 안테나(10)의 외곽을 둘러싸는 형태로 파워 코일(30)이 배치되어 있고, 파워 코일(30)은 전력 공급 드라이버(PWD)(32)로부터 전자펜(P)에 내장된 공진 회로의 공진 주파수(f0)로 맥동하는 교류 전력을 공급받는다.

이때, 파워 코일(30)에서는 전력 공급 드라이버(32)로부터 공급되는 진동하는 전력에 의해 전자기력을 출력하고, 전자펜(P)의 공진 회로에는 이 전자기력에 의하여 유도 전류가 발생한다. 전자펜(P)에서의 유도 전류는 내장된 공진 회로의 용량만큼 에너지를 충전한다. 이후, 전력 공급 드라이버(32)에서 파워 코일(30)로의 전력 공급을 중단하여도, 전자펜(P)은 공진 회로에 충전된 에너지에 의해 일정 시간 동안 공진을 계속할 수 있다.

한편, 전자펜(P)의 공진 회로가 공진하면, 타블렛측의 라인 안테나(20)에는 도 1에서 설명한 바와 같은 유도 전류가 발생하게 되고, 증폭기(17)에서는 라인 안테나와 루프 안테나 사이의 전위차(Vout)가 출력된다.

이와 같이, 전력 공급 드라이버(32)에 의한 파워 코일 구동을 제어하면서, 전력 공급 드라이버(32)를 통해 파워 코일(30)로 전력을 공급하지 않는 구간에서 증폭기(17)로부터 출력되는 전위차를 이용함으로써, 전자펜(P)의 위치를 검출할 수 있게 된다.

도 2(b) 내지 2(e)의 그래프들은, 도 2(a)의 회로 구성에서 ① 지점, ② 지점, ③ 지점, ④ 지점, 및 ⑤ 지점에서 감지되는 전압 파형을 나타낸다.

도 2(b)는, 전력 공급 드라이버(32)를 구동시키기 위한 제어 신호로서, 파워 코일(30)에 공진 주파수(f0)로 진동하는 전력을 출력하도록 한다. 또한, 공진 주파수의 전력을 공급하는 구간과 전력을 공급하지 않는 구간을 설정함으로써, 전자펜에 에너지를 공급하는 구간과 전자펜이 자체 공진하도록 하여 전자펜의 위치를 감지하는 구간을 구성한다. 도면에 도시된 몇 개의 상승하는 펄스는 예시적인 것으로서, 실제의 구현에서는 수백 Hz로부터 수 MHz까지 또는 그 이상의 주파수로 구성된다.

도 2(c)는 파워 코일(30)에서 나타나는 전압 파형으로서, 전력 공급 드라이버(32)에서 공진 주파수의 구형파 전력을 공급하더라도, 파워 코일(30)에서는 역기전력 현상에 의하여 완만하게 상승하는 사인파의 형태로 나타나는 것을 알 수 있다. 이때, 파워 코일(30)에서는 지면(紙面)에 수직하는 방향으로 전자기력이 출력될 것이다. 한편, 파워 코일(30)에는 파워 코일과 결합되어 공진 회로를 구성하는 소자(예를 들면, 커패시턴스)가 없으므로, 전력 공급 드라이버(32)에서 전력 공급이 중단되면 전압 파형이 급격하게 중단된다.

도 2(d)는 파워 코일(30)에서 출력되는 전자기력에 의해 전자펜(P)의 공진 회로에 유도되는 유도 전류에 의한 전압의 파형이다. 전자펜(P)의 공진 회로에서는 자체 용량만큼 에너지가 충전되고, 파워 코일(30)에서 전자기력의 출력이 중단되더라도 충전된 에너지에 의해 소정의 시간 동안 공진을 계속한다.

도 2(e)는, 전력 공급 드라이버(32)에서 전력 공급이 중단된 후에도 계속 공진하는 전자펜의 공진 회로에 의해 라인 안테나(20) 및 루프 안테나(10)에 전류가 유도되고, 이 유도 전류에 의해 라인 안테나(20)와 루프 안테나(10) 사이에서 발생하게 되는 전위차의 파형을 보여준다. 이렇게 증폭기(17)에서 출력되는 전위차의 파형 중 임의의 시점(T)에서 전압을 샘플링(H)하고(도 1(b)의 형태와 같은 전압이 얻어짐), 샘플링된 값을 이용하여 라인 안테나(20)에 대한 전자펜(P)의 위치를 판정한다.

도 3은 루프 안테나(10)와 복수의 라인 안테나(20)를 이용하여 전자펜(P)의 위치를 더욱 정확하게 감지할 수 있는 구조 및 동작을 설명하는 도면이다. 여기에서, 복수의 라인 안테나(20) 각각은, 일측단들은 루프 안테나(10)에 전기적으로 접속된 상태로 루프 형태를 서로 평행하게 가로지르고 있으며, 타단들은 멀티플렉서(15)의 입력에 연결되는 구조이다. 라인 안테나들(20)은 일단이 루프 안테나(10)에 접속되어 있다는 것을 제외하고는, 루프 안테나(10)와 접속되어서는 안된다(절연된다).

한편, 멀티플렉서(15)는 출력이 증폭기(17)의 입력에 연결되고, 외부(예를 들면, MCU)로부터 입력되는 선택 신호에 따라서 어느 하나의 라인 안테나의 타단을 선택할 수 있다. (파워 코일 및 전력 공급 드라이버의 구성은 도 3의 설명에서 생략함)

이러한 안테나 구조에서, 예를 들어 도 3(a)에 도시된 바와 같은 위치에 전자펜(P)이 위치하는 상태에서, 멀티플렉서(15)를 제어하여 복수의 라인 안테나(20)를 ①로부터 ⑤의 방향으로 순차적으로 선택하게 되면, 도 3(b)과 같은 형태의 전위차(Vout)를 얻을 수 있다.

즉, 라인 안테나 ①이 선택되었다면, 전자펜(P)이 라인 안테나 ①의 우측 가까이에 위치하고 있으므로, 증폭기(17)에서는 예를 들면 양의 전위차가 출력될 수 있다.

이어서, 라인 안테나 ②가 선택되었다면, 전자펜(P)이 라인 안테나 ②상에 위치하므로, 증폭기(17)에서는 전위차가 출력되지 않는다.

다음으로, 라인 안테나 ③이 선택되면, 전자펜(P)이 선택된 라인 안테나 ③의 좌측에 위치하게 되어, 증폭기(17)에서는 음의 전위차(Vout)가 출력될 수 있다.

이후에, 라인 안테나 ④ 또는 ⑤가 선택되면, 역시 라인 안테나의 좌측에 전자펜(P)이 존재하는 형태가 되므로 음의 전위차가 출력되는데, 라인 안테나 ④ 또는 ⑤로부터의 거리가 상대적으로 멀기 때문에, 라인 안테나 ③을 선택했을 때 출력되는 전위차보다 작은 전위차가 출력된다.

이와 같이 모든 라인 안테나들에서 전위차를 획득하면, 도 3(b)과 같은 도면을 얻을 수 있으며, 전자펜(P)의 위치는 전위차의 크기가 역전되는 곳, 즉, 라인 안테나 ②의 위치로 판정할 수 있다. 한편, 전자펜(P)이 라인 안테나 상에 위치하지 않고 라인 안테나들의 사이에 존재하더라도, 전자펜(P)에 인접한 양쪽의 라인 안테나에서는 서로 역전되는 형태로 전위차가 나타나게 될 것이므로, 전자펜의 위치를 판정하는 데에는 문제가 없다.

이렇게 라인 안테나들(20)을 하나씩 선택하여 전위차를 탐지하는 동작을 '스캔한다'고 표현한다. 한편, 스캔의 방식은, 위와 같이 한쪽 끝의 라인 안테나로부터 다른쪽 끝의 라인 안테나까지 순차적으로 행해질 수도 있으며, 임의의 위치에 배치된 라인 안테나를 다양한 방식으로 선택함으로써 더욱 신속하게 전자펜의 위치를 검출하도록 구현할 수도 있다.

다음, 도 4를 참조하여, 전자펜의 구조와 전자펜의 위치를 검출하기 위한 타블렛의 개략적인 구조를 설명한다. 먼저, 도 4(a)를 참조하면, 세로 방향(Y축 방향)으로 길게 배치되며 세로 방향(X축 방향)으로 나란하게 복수 개 배열된 X축 라인 안테나들(20X)과, X축 방향으로 길게 배치되며 Y축 방향으로 나란하게 복수 개 배열된 Y축 라인 안테나들(20Y)의 구조를 볼 수 있다(이때, X축 라인 안테나들과 Y축 라인 안테나들의 각각은 서로 절연되어 있다). 이렇게 X축 라인 안테나들(20X)과 Y축 라인 안테나들(20Y)에 의하여 각각 전자펜의 X축 위치 및 Y축 위치를 검출할 수 있게 되며, 결과적으로는 전자펜의 2차원 좌표를 산출할 수 있게 된다.

이때, X축 라인 안테나들(20X)과 Y축 라인 안테나들(20Y)이 형성된 영역(점선으로 표시된 영역)은 전자펜(P)의 위치가 검출될 수 있는 전자펜 감지 영역(A)이 된다.

전자펜 감지 영역(A)의 외부측(전자펜 감지 영역의 외부측)에는 X축 라인 안테나들(20X)과 Y축 라인 안테나들(20Y)을 둘러싸는 형태로 파워 코일(30)이 배치되어 있어서, 전자펜에 전자기력에 의하여 에너지를 공급할 수 있게 된다.

X축 라인 안테나들(20Y)의 일단들은 X축 루프 안테나(10A)에 접속되며, 타단들은 멀티플렉서(15)에 입력으로서 연결된다. 멀티플렉서(15)의 출력은 증폭기(17)의 하나의 입력에 연결된다.

또한, Y축 라인 안테나들(20Y)의 일단들도 Y축 루프 안테나(10B)에 접속되며, 타단들은 멀티플렉서(25)의 입력으로 연결되고, 멀티플렉서(25)의 출력은 증폭기(17)의 입력이 된다.

증폭기(17)는 멀티플렉서들(15 및 25)의 출력들과 루프 안테나들 중 어느 하나의 전위를 입력으로 하고(루프 안테나들은 동일한 전위로 유지된다), 양자의 전위차를 출력한다. 출력되는 전위차는 MCU(18)에 입력된다.

MCU(18)는 멀티플렉서들(15 및 25)에 선택 신호를 전송하여 어느 하나의 라인 안테나(X축 라인 안테나들 및 Y축 라인 안테나들 중 하나)의 타단을 선택하도록 하여, 선택된 타단으로부터의 전압을 증폭기(17)에 입력시킨다. 그리고 선택 신호를 변화하여 계속 출력함으로써 다른 라인 안테나들을 스캔하도록 제어하고, 어느 하나의 라인 안테나가 선택될 때마다 증폭기(17)로부터 출력되는 전위차들을 입력받아 선택된 라인 안테나에 대한 전자펜(P)의 위치 관계를 감지한다. 전체 또는 일부의 라인 안테나들이 스캔되면 감지된 위치 관계들을 이용하여 전자펜(P)의 좌표를 산출한다.

또한, MCU(18)는 공진 주파수에 따른 제어 신호를 생성하여 전력 공급 드라이버(32)의 동작을 제어할 수 있다.

다음, 도 4(b)는 전자펜의 개략적인 구성을 보여준다. 전자펜(P)은, 적어도 인덕터(L)와 커패시터(C)를 포함하는 공진 회로 구비하고, 공진 회로가 전자기력이 작용하는 전자기장 내에 위치할 때 인덕터(L)에 발생하게 되는 유도 전류에 의하여 커패시터(C)가 충전 및 방전하면서 공진 현상을 일으킨다. 이러한 공진 현상은 전자기력이 제거된 후에도 공진 회로의 시정수에 따라 소정의 시간 동안 지속된다.

한편, 상기한 바와 같은 안테나 구성을 갖는 타블렛과 공진 회로를 구비한 전자펜을 이용한 타블렛 시스템에 있어서, 타블렛에서는 전자펜이 안테나에 직접 접촉하지 않더라도 전자펜의 위치를 감지할 수 있다. 따라서, 사용자가 전자펜을 타블렛의 표면에 가까이 가져가는 것만으로도 전자펜의 위치를 알 수 있다. 그러나 기존의 필압을 측정하기 위한 센서들을 이용하는 경우, 전자펜이 타블렛의 표면에 접촉되는 것을 인지하는 것은 센서의 정밀도 및 접촉/비접촉을 인지하는 임계값에 따라 부정확한 결과를 초래할 수 있으며, 인지 정확도를 높이기 위하여 임의 압력 이상으로 필압이 상승하는 경우에만 동작하도록 설계하면 전자펜 접촉 여부 확인이 둔감하게 된다는 문제가 있다.

즉, 종래의 타블렛 시스템에 있어서, 전자펜으로 타블렛을 누르는 필압을 감지함으로써, 그리는 선의 굵기, 색상, 명암 등을 변화시키고자 하였다. 이때, 필압을 감지하기 위한 방법으로는, 타블렛의 표면에서 압력을 감지하는 방법과, 전자펜에서 펜팁에 작용하는 압력을 감지하여 필압 신호를 출력하는 방법이 있다.

이 중에서 전자펜에서 필압을 감지하는 방식으로는 다음과 같은 구성이 있다.

먼저, 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 전자펜의 필압에 따라 공진 회로의 커패시턴스를 변화시키는 방법이 있다. 이 방법에 따른 전자펜은, 전자펜으로부터 노출된 펜팁과 정전용량형 압력 센서가 기계적으로 연결되어 있어서, 사용자가 전자펜의 펜팁으로 타블렛의 표면을 접촉하게 되면, 접촉 압력이 압력 센서에 작용하게 되고, 접촉 압력의 크기에 따라 압력 센서의 정전 용량(커패시턴스)이 변화하도록 구성된다.

한편, 정전용량형 압력 센서(Cv)는 오른쪽의 회로도에 나타난 바와 같이 인덕터(L)와 커패시터(C)를 구비한 공진 회로의 커패시터(C)와 병렬로 배치됨으로써, 정전용량형 압력 센서(Cv)에 작용하는 압력에 따라 공진 회로의 공진 주파수가 변화하게 된다.

이때, CPU를 포함할 수 있는 제어 회로를 적용하여 공진 회로에서 발생하는 유도 전류의 파형을 검사하고, 검사된 파형에 기초하여 정전용량형 압력 센서(Cv)의 커패시턴스를 산출하고, 산출된 커패시턴스에 대응하는 필압을 아날로그 또는 디지털 정보로 변환하여 유선 또는 무선 신호를 통해 출력할 수 있다.

필압 감지의 다른 구성으로는, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 공진 회로의 레지스턴스를 변화시키는 방법이 있다. 본 구성에서는, 전자펜의 내부에, 작용하는 압력에 따라 레지스턴스가 변화하는 저항형 압력 센서(FSR)를 펜팁에 작용하는 압력이 직접 인가되도록 배치한다.

그리고, 저항형 압력 센서(FSR)를 인덕터(L)와 커패시터(C)를 포함하는 공진 회로와 연결하고, 저항 양단에서 분배되는 전압을 측정하는 방식 등을 통해 저항형 압력 센서(FSR)의 레지스턴스를 산출하고, 산출된 레지스턴스에 대응하는 필압을 출력한다.

사용자에 의한 필압을 감지하기 위한 또다른 구성으로는, 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 공진 회로의 인덕턴스를 변화시키는 방법이 있다. 이 방법에서는, 코일의 내부에 페라이트 코어를 배치하고, 이 페라이트 코어가 케이스에 고정된 코일의 내부에서 상대적으로 이동하면, 코일의 인덕턴스가 변화한다는 원리를 이용한다. 즉, 도 5(c)에서 코일 내부의 페라이트 코어를 펜팁과 함께 움직이도록 구성한다면, 전자펜이 타블렛의 표면에 접촉하게 되어 펜팁에 압력이 작용함에 따라 공진 회로의 인덕턴스가 변화하게 될 것이다. 인덕턴스의 변화량은 제어 회로에 의해 감지되고, 감지된 결과에 따라 필압을 판단할 수 있다.

하지만, 이러한 방법들은, 사용자가 전자펜을 이용하는 필압을 다단계로 구분하여 감지하고 그에 따른 다수 레벨의 필압 신호를 출력하는 기능을 제공하기 위한 것으로서, 전자펜에 CPU를 포함하는 복잡한 제어 회로가 구비되어야만 하였다. 따라서, 전자펜의 소형화를 저해하고 제조 비용을 증가시키게 된다.

또한, 전자펜을 스마트폰 또는 타블렛 컴퓨터 등에서 기존의 마우스를 대체하여 위치 입력 수단으로만 사용하고자 하는 일반적인 사용자에 대해서는, 전자펜에서 필압을 다단계로 정밀하게 감지하는 기능이 오히려 불편하게 작용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 타블렛 시스템에 있어서, 전자펜이 타블렛의 표면에 접촉하거나 떼어지는 상황을 정확하게 감지할 수 있도록 하고자 한다.

또한, 전자펜의 필압을 단지 온/오프의 2단계로 감지함으로써, 일반적인 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 하고자 한다.

또한, 본 발명은 1단계 필압 감지 기능을 간단한 구조로 구현함으로써, 전자펜을 고장 없이 사용할 수 있도록 제품 신뢰성을 향상시키고, 전자펜의 소형화 및 저가화를 실현하고자 한다.

또한, 매우 작은 필압에도 정확하게 반응하여 동작할 수 있는 타블렛 시스템을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 타블렛의 안테나에 유도 전류를 발생시키기 위한 공진 회로를 갖는 전자펜으로서: 상기 전자펜의 몸체로부터 돌출되어 타블렛의 표면에 접촉하는 펜팁; 상기 펜팁이 타블렛과 접촉하여 눌려지거나 자유상태로 될 때, 상기 펜팁과 함께 이동하는 가동부; 적어도 2개의 스위칭 전극을 구비하며, 상기 스위칭 전극이 온/오프됨에 따라 상기 공진 회로의 공진 주파수를 변화하도록 구성된 스위칭 회로부; 상기 가동부의 일측에 배치되어 상기 펜팁의 이동에 따라 상기 스위칭 전극을 온/오프시키는 가동 전극을 포함하는 타블렛용 전자펜을 제공한다.

또한, 상기 스위칭 회로부의 상기 스위칭 전극은, 상기 펜팁이 자유상태일 때 온되고 상기 펜팁이 눌려질 때 오프되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펜팁이 타블렛과 접촉하지 않은 자유상태일 때 상기 펜팁을 상기 전자펜의 몸체로부터 돌출시키기 위한 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스위칭 회로부는, 상기 전자펜의 몸체 내에 길이 방향으로 배치되며 관통공이 형성된 PCB를 포함하고, 상기 스위칭 전극은, 상기 관통공의 내벽으로 노출된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가동 전극은, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 2개의 스위칭 전극과 접촉하여 자체를 통해 서로 전기적으로 온/오프시킬 수 있도록, 상기 관통공을 관통하는 전도성 재질의 막대 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공진 회로는, 복수의 인덕터를 포함하고, 상기 스위칭 전극의 온/오프에 따라 상기 복수의 인덕터 중 적어도 하나가 상기 공진 회로에 온/오프되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공진 회로는, 복수의 커패시터를 포함하고, 상기 스위칭 전극의 온/오프에 따라 상기 복수의 커패시터 중 적어도 하나가 상기 공진 회로에 온/오프되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스위칭 회로부는, 상기 스위칭 전극의 온/오프에 따라, 상기 공진 회로의 커패시턴스, 인덕턴스, 및 레지스턴스 중 적어도 하나를 변화하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 전자펜에 의하면, 스윙칭 회로부가 간단한 기능만을 지원하며 간결한 구성으로 이루어지므로, 회로 부품의 동작 신뢰성이 높으며, 제품의 제조 비용을 줄일 수 있다.

또한, 작은 필압에도 정확하게 터치-다운 및 터치-업을 감지할 수 있어서, 빠른 입력에 대해서도 정확하게 반응할 수 있다.

도 1은, 루프 안테나와 라인 안테나를 이용하여 공진 회로를 갖는 전자펜의 위치를 감지하는 타블렛의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2(a)는, 도 1에 도시된 바와 같은 라인 안테나와 루프 안테나를 이용하는 구조에 있어서 자체 동작할 수 있는 전자펜의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2(b) 내지 2(e)는 전자펜과 타블렛의 동작시 각부에서 나타나는 전압의 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은, 루프 안테나와 복수의 라인 안테나를 이용하여 전자펜의 위치를 감지하는 다른 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는, 전자펜의 구조와 전자펜의 위치를 검출하기 위한 타블렛의 개략적인 구조를 설명한다.
도 5(a) 내지 5(c)는, 전자펜에서 필압을 감지하기 위한 구성의 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 필압 감지 원리를 설명하기 위한 간략한 회로도이다.
도 7은 타블렛의 안테나에서 출력되는 전압의 파형도로서, 본 발명에 따른 필압 감지 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자펜의 단면도이다.
도 9는 도 8에서의 전자펜 중 스위칭 회로부를 포함하는 주요 부분을 확대한 도면이다.
도 10은 스위칭 회로부의 동작을 설명하는 도면이다.

본 발명은, 앞서 설명한 종래 기술의 라인 안테나와 루프 안테나와 파워 코일을 구비한 타블렛에 사용할 수 있는 전자펜으로서, 전자펜에 의한 타블렛 표면에 대한 접촉 및 접촉을 떼는 상황을 정확하게 감지할 수 있는 전자펜을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명을 구현하기 위한 동작 원리를, 도 6의 등가 회로도 및 도 7의 파형도를 참조하여 설명한다.

본 발명에서는, 전자펜을 타블렛에 접촉하였는지의 여부만을 판단하고자 하므로, 공진 회로의 공진 주파수의 변화를 여러 단계로 구분한 후 측정되는 주파수가 어느 단계에 속하는지 판단할 필요가 없으며, 단지 공진 주파수의 파형에 변화가 발생했는지의 여부에만 관심을 갖는다.

따라서, 본 발명에서는, 종래 기술에서 설명한 바와 같은 압력 센서를 사용하는 것이 아니라, 공진 회로의 공진 주파수를 변화시킬 수 있는 소자와 사용자에 의해 발생하는 필압에 따라 온/오프되는 소정의 스위치를 기존의 공진 회로에 추가적으로 배치한다. 그리고, 사용자가 전자펜을 사용하여 스위치가 온/오프됨에 따라 추가된 소자가 회로에 연결 또는 분리되어, 공진 회로의 공진 주파수가 변화되도록 한다.

즉, 도 6(a)에서는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 공진 회로에 있어서, 커패시터(C)와 병렬로 추가 커패시터(ΔC)를 스위치(SW)를 통해 연결하고 있다. 이러한 구성에서는, 스위치(SW)가 온되면 공진 회로의 전압이 커패시터(C)와 추가 커패시터(ΔC)에 동시에 인가되기 때문에 전체 커패시턴스가 C+ΔC로 되고, 스위치(SW)가 오프된 상태에서는 전체 커패시턴스가 C로 된다. 이처럼, 스위치(SW)의 동작에 따라, 추가 커패시터(ΔC)의 커패시턴스의 영향으로 공진 회로의 공진 주파수(또는 시정수)가 변화된다.

한편, 도 6(b)에서는 공진 회로에 추가 인덕터(ΔL)를 직렬로 연결하고, 추가 인덕터(ΔL)에는 병렬로 스위치(SW)가 배치되어 있다. 이러한 구성에서는, 스위치(SW)가 온되면 전류가 추가 인덕터(ΔL)에도 흐르게 되기 때문에 공진 회로의 인덕턴스가 L+ΔL로 나타나고, 스위치가 온되면 전류는 스위치(SW)를 통해 흐르게 되므로 인덕턴스가 L로 된다. 이처럼, 스위치(SW)가 동작함에 따라, 추가 인덕터(ΔL)의 인덕턴스에 의해 공진 회로의 공진 주파수(또는 시정수)가 변화된다.

이러한 구성에서의 스위치(SW)의 각 상태에서의 공진 주파수는 다음과 같다.

도면	스위치(SW) 온	크기비교	스위치(SW) 오프
도 6(a)		≤
도 6(b)		≥

이와 같이, 추가 커패시터(ΔC)를 이용하는 도 6(a)의 경우에서는, 펜 터치가 발생하여 스위치(SW)가 오프되면 공진 주파수가 증가하게 된다. 반대로, 추가 인덕턴스(ΔL)를 이용하는 경우에서는, 펜 터치가 발생하여 스위치(SW)가 오프되면 공진 주파수가 감소하게 되는 특성을 나타낸다.

이러한 스위치를 포함하는 전자펜을 이용하면, 전자펜이 안테나에 접근할 때의 공진 주파수와 타블렛의 표면에 접촉하여 펜팁(스위치와 연결되어 있음)이 눌려졌을 때의 공진 주파수가 서로 다르기 때문에, 타블렛의 안테나(라인 안테나 또는 루프 안테나)에서 감지되어 증폭기에서 출력되는 전압은 펜팁의 동작(즉, 스위치의 동작)에 따라서 다르게 나타난다.

즉, 도 7을 참조하면, 전자펜의 공진 회로와 공진하는 안테나(즉, 도 4를 참조하는 라인 안테나 및/또는 루프 안테나)에서 출력되는 유도 전압(도 2(e) 참조)은, 전자펜에서의 공진 주파수가 변화됨에 따라, 위상이 앞서거나 지연되는 형태로 나타난다. 예를 들어, 출력이 d만큼 지연되었다면, 임의의 시점(T)에서 샘플링되는 전압은, Hd로 나타나게 될 것이다. 이는 앞선 주기에서 샘플링된 전압(H)에 비하여 급격한 차이를 나타낸다.

이와 같이, 어느 위치에서 전자펜에 의해 감지되어 증폭기를 통해 출력되는 전압의 크기가 급격하게 변화되는 시점을 전자펜이 타블렛의 표면에 접촉한 시점으로 판정할 수 있다. 또는, 필압이 없을 때의 신호를 기준으로 발생하는 위상차를 측정하여 접촉이 이루어졌는지 판단할 수 있다.

이하에서는, 상술한 필압 감지 원리를 구현한 본 발명에 따른 전자펜의 구조를 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자펜의 전체 단면도이다. 또한, 도 9는 도 8에 도시된 전자펜의 단면도 중에서 주요 부분을 확대하여 보여주는 도면이다.

도면들을 참조하면, 전자펜 몸체(100)의 전방에는 타블렛에 직접 접촉하는 부분인 펜팁(110)이 배치되어 있으며, 펜팁(110)에 근접한 위치에는 타블렛의 안테나와 유도 전자기장을 작용하는 코일(120)이 배치되어 있다. 이때, 코일(120)에는 인덕턴스를 향상시키기 위하여 페라이트 코어(122) 등이 삽입될 수도 있다. 코일(120)은 전자펜 몸체(100)의 내부에서 고정되어 있는 것이 바람직하다. 반면에, 페라이트 코어(122)는, 펜팁(110)이 연결되는 경우, 코일(120) 내부에서 전자펜의 길이 방향으로 어느 정도 왕복 이동 가능하게 구성되는 것이 바람직하다. 물론, 페라이트 코어(122)와 코일(120)이 결합된 상태에서 일체로 왕복 이동 가능하도록 구성할 수도 있다.

한편, 전자펜 몸체(100)의 일측에는 PCB 기판(140)이 배치되어 있으며, 전자펜을 구성하는 각종 회로 소자들이 탑재되어 있다. 이때, 탑재될 수 있는 소자로는, 하나 또는 복수의 커패시터(예를 들면, 커패시터(C) 및 추가 커패시터(ΔC)), 인덕터(예를 들면, 인덕터(L) 및 추가 인덕터(ΔL)), 저항 등이 있다. 이하의 설명에서는, 도 6(a)에 도시된 추가 커패시터를 이용하는 구성을 기초하여 설명한다.

또한, PCB(140)의 일측에는 관통홀(142)이 형성되어 있다. 더욱, 이 관통홀(142)의 근방(특히, 전자펜의 전방측을 향하는 벽면)에는 적어도 2개의 스위칭 전극(136)이 배치되어 있다. PCB(140)는 전자펜 몸체(100)의 내부에 고정되어 있다.

또한, PCB(140)의 관통홀(142)에는, 관통홀 내부에서 전자펜의 길이 방향으로 어느 정도 이동할 수 있도록 관통홀의 크기보다 작은 지름을 갖는 막대 모양의 가동 전극(134)이 관통홀(142)을 관통하는 형태로 삽입되어 있다. 가동 전극(134)은 전도성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 가동 전극(134)은 가동부(130)에 장착되어 있다.

가동부(130)는 전자펜의 길이 방향으로 자유롭게 왕복 이동할 수 있도록 구성되며, 스프링(132)에 의해 전자펜의 전방으로 밀려지는 힘이 작용하고 있다. 따라서, 외부로부터 어떠한 힘도 작용하지 않는다면, 가동부(130)는 전자펜의 전방으로 밀려져 펜팁을 전방으로 밀어내고 있는 상태(자유상태)이며, 외부로부터 눌려지는 힘이 작용하는 동안(예를 들면, 사용자가 전자펜을 타블렛의 표면에 접촉시킨 경우)에는 전자펜의 후방으로 눌려질 수 있으며, 전자펜을 타블렛으로부터 떼어내어 펜팁을 누르는 힘이 제거되면 즉시 자유상태로 복귀한다. 이때, 가동부(130)가 왕복 이동 가능한 거리(가동부가 자유상태로부터 눌려지는 거리)는 가능한 작게 설정되는 것이 바람직하며, 예를 들면, 1mm 이내인 것이 더욱 바람직하다.

한편, 가동부(130)에 장착된 가동 전극(134)은, 가동부(130)가 자유 상태인 경우에 관통홀(142)의 벽면 중 전자펜의 전방측 벽면에 접촉하도록 구성된다. 이때, 관통홀(142)의 전방측 벽면에 적어도 2개의 스위칭 전극(136)을 노출된 상태로 배치한다면, 가동부(130)의 자유 상태에서는 가동 전극(134)의 몸체를 통해 2개의 스위칭 전극(136)의 각각이 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고 가동부(130)가 후방으로 이동할 때에는 가동 전극(134)이 관통홀(142)의 벽면으로부터 분리될 수 있으며, 가동 전극(134)은 2개의 스위칭 전극(136)과 분리된다.

가동부(130)는, 또한, 펜팁(110)과 기계적으로 연결되어 있다. 이때, 가동부(130)와 펜팁(110)은, 코일(120)의 내부에 삽입되어 코일(120)과 상대적으로 왕복이동 가능한 페라이트 코어(122)를 통해 연결될 수 있다.

이러한 구성에 의하여, 펜팁(110)에는 스프링(132)이 가동부(130)를 밀어내는 힘에 의하여 전자펜의 전방으로 돌출되는 힘이 항상 작용하게 된다. 따라서, 전자펜이 사용되지 않고 있는 경우는 펜팁(110)이 전방을 향하여 돌출된 자유상태가 되어 적어도 2개의 스위칭 전극(136)이 서로 전기적으로 온된 상태이고, 전자펜의 펜팁(110)이 타블렛의 표면에 접촉하게 되는 경우(사용자가 전자펜을 사용하고 있는 경우)에는 펜팁(110)이 눌려지는 상태로서 가동부(130)를 통해 적어도 2개의 스위칭 전극(136)이 서로 오프된 상태가 된다.

공진 회로는 코일(120)과 PCB(140)의 일측에 탑재된 커패시터 등을 결합하여 구성될 수 있다. 스위칭 전극(136)은, 추가 커패시터(ΔC)를 공진 회로에 연결시키거나 분리시키도록 구성된다(도 6(a) 참조). 스위칭 전극(136)에 의해 추가 커패시터(ΔC)가 공진 회로에 온/오프됨에 따라 공진 회로의 공진 주파수 또는 시정수가 크게 변화되고, 이에 의해 타블렛의 안테나에서는 감지되는 전압 파형의 위상이 변화될 것이다.

관통홀(142)이 형성된 PCB(140)의 적어도 일부와, 스위칭 전극(136)과 추가 커패시터(ΔC)는 스위칭 회로부를 구성한다.

다음, 스위칭 회로부의 동작을 설명한다. 도 10은 스위칭 회로부의 동작을 설명하는 도면이다. 도 10(a)은 펜팁(110)이 자유 상태인 경우를 보여주며, 도 10(b)은 펜팁(110)이 타블렛의 표면에 접촉하여 눌려진 상태의 동작을 보여준다.

먼저, 도 10(a)에서는, 관통홀(142)의 전자펜측 벽면(아래쪽)에 형성된 2개의 스위칭 전극(136)이 가동 전극(134)에 의해 서로 전기적으로 연결된 상태로서, 추가 커패시터(ΔC)가 공진 회로에 연결된 상태를 보여준다. 이때, 공진 회로의 전체 커패시턴스는 C+ΔC로 나타난다.

그리고, 도 10(b)에서는, 전자펜의 펜팁(110)이 전자펜의 후방으로 눌려져서, 가동 전극(134)이 관통홀(142) 내의 스위칭 전극(136)으로부터 분리된 상태이다. 이로써, 추가 커패시터(ΔC)가 공진 회로로부터 분리되며, 전체 커패시턴스는 C가 된다.

이와 같은 구성의 스위칭 회로부를 구비한 전자펜에 의하면, 회로의 온/오프가 가동 전극의 미세한 움직임에도 제어될 수 있기 때문에, 결과적으로는 펜팁의 미세한 움직임을 감지해낼 수 있게 된다. 따라서, 펜팁의 이동 거리를 최소화하여 전자펜을 사용하는 사용자가 펜팁이 움직이는 것에 대한 거부감을 줄일 수 있게 된다.

또한, 간결한 회로 구성에 의한 간단한 스위칭 동작을 통해 전자펜의 타블렛 표면에 대한 접촉 여부를 감지해낼 수 있기 때문에, 회로 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 전자펜을 제조하는 비용을 줄일 수 있다.

또한, 전자펜이 자유 상태일 때 스위칭 회로부가 온상태이고, 전자펜의 펜팁이 눌려졌을 때 스위칭 회로부를 오프상태로 구성하므로, 작은 필압에 의해 가동 전극이 조금만 이동하여도 스위칭 회로부가 정확하게 회로를 오프시킬 수 있게 된다. 이는, 스위칭 전환 시간을 단축시킬 수 있어서, 빠른 필기 동작 등에 있어서 입력의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 작은 필압에도 추가 커패시터만큼에 대응하는 공진 주파수의 변화이 발생하므로, 터치의 시점을 정확하게 감지할 수 있으며, 더욱, 터치를 시작한 시점과 터치를 뗀 시점을 정확하게 판단할 수 있다.

또한, 펜팁이 눌려진 상태에서는 누르는 압력이 변화하더라도, 여전히 가동 전극이 스위칭 전극과 분리되어 스위칭 회로부를 오프 상태로 유지할 수 있기 때문에, 전자펜의 필압 변화에 따라 입력이 단절되는 등의 오류가 발생하지 않게 된다.

만약, 본 발명의 구성과 반대로, 스위칭 전극을 관통홀의 후방에 배치함으로써 자유 상태에서 스위칭 회로부가 오프이고 펜팁이 눌려진 상태에서 가동 전극이 스위칭 전극과 접촉하여 스위칭 회로부를 온시키도록 구성한다면, 관통홀의 크기에 따라 펜팁의 이동 거리가 달라질 수 있으며, 비교적 긴 거리를 이동시켜야만(펜팁을 깊게 눌러야만) 스위칭 제어부를 온시킬 수 있을 것이다.

따라서, 이러한 구성에서는, 전자펜에 타블렛의 표면으로부터 떼어진 자유 상태로부터 깊게 눌려질 때까지의 시간 동안에는 입력이 이루어지지 않게 되어, 사용자의 의도하는 정확한 입력이 이루어지지 않을 수 있다. 또한, 전자펜을 타블렛의 표면에 접촉한 상태에서 이동할 때, 필압이 조금만 변하더라도 스위칭 전극으로부터 가동 전극이 떨어질 수 있어서, 입력의 단절이 발생할 가능성이 매우 높다.

Claims (8)

1. 타블렛의 안테나에 유도 전류를 발생시키기 위한 공진 회로를 갖는 전자펜으로서:
   상기 전자펜의 몸체로부터 돌출되어 타블렛의 표면에 접촉하는 펜팁;
   상기 펜팁이 타블렛과 접촉하여 눌려지거나 자유상태로 될 때, 상기 펜팁과 함께 이동하는 가동부;
   적어도 2개의 스위칭 전극을 구비하며, 상기 스위칭 전극이 온/오프됨에 따라 상기 공진 회로의 공진 주파수를 변화하도록 구성된 스위칭 회로부;
   상기 가동부의 일측에 배치되어 상기 펜팁의 이동에 따라 상기 스위칭 전극을 온/오프시키는 가동 전극을 포함하는 타블렛용 전자펜.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 회로부의 상기 스위칭 전극은, 상기 펜팁이 자유상태일 때 온되고 상기 펜팁이 눌려질 때 오프되는 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.
3. 제1항에 있어서,
   상기 펜팁이 타블렛과 접촉하지 않은 자유상태일 때 상기 펜팁을 상기 전자펜의 몸체로부터 돌출시키기 위한 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 회로부는, 상기 전자펜의 몸체 내에 길이 방향으로 배치되며 관통공이 형성된 PCB를 포함하고,
   상기 스위칭 전극은, 상기 관통공의 내벽으로 노출된 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.
5. 제4항에 있어서,
   상기 가동 전극은, 상기 가동부의 이동에 따라 상기 2개의 스위칭 전극과 접촉하여 자체를 통해 서로 전기적으로 온/오프시킬 수 있도록, 상기 관통공을 관통하는 전도성 재질의 막대 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.
6. 제1항에 있어서,
   상기 공진 회로는, 복수의 인덕터를 포함하고,
   상기 스위칭 전극의 온/오프에 따라 상기 복수의 인덕터 중 적어도 하나가 상기 공진 회로에 온/오프되도록 구성된 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.
7. 제1항에 있어서,
   상기 공진 회로는, 복수의 커패시터를 포함하고,
   상기 스위칭 전극의 온/오프에 따라 상기 복수의 커패시터 중 적어도 하나가 상기 공진 회로에 온/오프되도록 구성된 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.
8. 제1항에 있어서,
   상기 스위칭 회로부는, 상기 스위칭 전극의 온/오프에 따라, 상기 공진 회로의 커패시턴스, 인덕턴스, 및 레지스턴스 중 적어도 하나를 변화하도록 구성된 것을 특징으로 하는 타블렛용 전자펜.

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