KR101429925B1

KR101429925B1 - 입력 시스템

Info

Publication number: KR101429925B1
Application number: KR1020120127906A
Authority: KR
Inventors: 정일두
Original assignee: 엘지디스플레이 주식회사
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-08-13
Also published as: CN103809803A; CN103809803B; US20140132529A1; KR20140060933A; US9098131B2

Abstract

본 발명은 배터리 없이 스타일러스 펜의 구현이 가능하며, 또한 손가락과 스타일러스 펜에 의한 터치 검출이 모두 가능하며 더불어 필압에 대한 감지력이 높은 입력 시스템에 관한 것으로, 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널;과, 서로 나뉘어진 제 1 코어 및 제 2 코어와, 상기 제 1, 제 2 코어에 각각 감긴 1차 코일 및 2차 코일과, 상기 제 1 코어 및 제 2 코어 사이의 신축성 물질과, 상기 2차 코일과 직렬 연결된 공진 캐패시터 및 스위치와, 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜;과, 상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부;와, 상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프; 및 상기 제 1 채널 및 제 2 채널과, 상기 안테나 루프와 연결된 터치 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

입력 시스템 {Input System}

본 발명은 입력 시스템에 관한 것으로 특히, 표시 장치에 있어서, 배터리 없이 스타일러스 펜의 구현이 가능하며, 또한 손가락과 스타일러스 펜에 의한 터치 검출이 모두 가능하며 더불어 필압에 대한 감지력이 높은 입력 시스템에 관한 것이다.

최근 본격적인 정보화 시대로 접어듦에 따라 전기적 정보신호를 시각적으로 표현하는 디스플레이(display) 분야가 급속도로 발전해 왔고, 이에 부응하여 박형화, 경량화, 저소비전력화의 우수한 성능을 지닌 여러 가지 다양한 평판 표시장치(Flat Display Device)가 개발되어 기존의 브라운관(Cathode Ray Tube : CRT)을 빠르게 대체하고 있다.

이 같은 평판 표시장치의 구체적인 예로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display device: LCD), 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel device: PDP), 전계방출 표시장치(Field Emission Display device: FED), 전기발광 표시장치(Electro luminescence Display Device: ELD) 등을 들 수 있는데, 이들은 공통적으로 화상을 구현하는 평판 표시패널을 필수적인 구성요소로 하는 바, 평판 표시패널은 고유의 발광 또는 광학 이방성을 갖는 물질층을 사이에 두고 한 쌍의 투명 절연기판을 대면 합착시킨 구성을 갖는다.

이와 같이 형성된 표시 장치에, 최근 사람의 손이나 별도의 입력 수단을 통해 터치 부위를 인식하고 이에 대응하여 별도의 정보를 전달할 수 있는 터치 패널을 부가하는 요구가 늘고 있다. 현재 이러한 터치 패널은 표시 장치의 외부 표면에 부착하는 형태로 적용되고 있다.

그리고, 터치 감지 방식에 따라, 저항 방식, 정전 용량 방식, 적외선 감지 방지 등으로 나뉘며, 제조 방식의 편이성 및 센싱력 등을 감안하여 최근 정전 용량 방식이 주목받고 있다.

한편, 최근 주로 고려되는 모바일 장치로서, 스마트 폰, 스마트 북 등은 HID(Human Interface Device)로써 손가락을 이용한 터치 입력뿐만 아니라 펜을 이용한 필기 또는 그림 그리기가 가능한 스타일러스 펜을 입력 장치로 점점 더 많이 적용하는 추세이다. 스타일러스 펜 입력은 손가락에 의한 입력에 비해 더 세밀한 입력이 가능하고, 세밀한 그림 그리기 및 글씨 쓰기 등의 기능을 지원하는 등의 장점을 가지고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 일반적인 정전 용량 방식의 터치 스크린을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 정전 용량 방식의 터치 검출 회로를 나타낸 회로도이며, 도 2는 도 1의 회로도를 이용한 핑거 터치 여부에 따라 나뉘어지는 시간에 따른 전압 출력을 나타낸 그래프이다.

도 1과 같이, 일반적인 정전 용량 방식의 터치 검출 회로는, 서로 교차하는 제 1 전극(Tx)과 제 2 전극(Rx)과, 제 2 전극(Rx)의 출력을 (-) 입력 단자로, 기준 전압(Vref)을 (+) 입력 단자로 인가받는 증폭기(5) 및 상기 증폭기(5)의 출력 단자와 (-) 입력 단자 사이에 형성된 캐패시터(Cs)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 입력 전압(Vin)이 상기 제 1 전극(Tx)은 일단에 구비된 패드를 통해 인가되고, 상기 제 2 전극(Rx)의 일단에 구비된 패드를 통해, 상기 증폭기(5)를 통해 출력된 출력 전압(Vout) 값을 센싱한다.

보통 2~3㎲의 정도의 구형파를 터치 구동 신호로 하여, 상기 제 1 전극(Tx)에, 입력 전압으로 인가되며, 이 때, 상기 제 1, 제 2 전극(Tx, Rx) 사이의 상호 정전용량(mutual capacitance: Cm)의 값에 비례한 전압 값이 상기 출력 전압(Vout)으로 센싱되는 것이다.

도 2와 같이, 구형파가 입력 전압으로 인가되면, 시간이 경과함에 따라, 출력 전압(Vout)이 증가(핑거 미터치시)하는데, 핑거(손가락) 터치시에는 핑거와 전극과 접촉하여, 상호 정전용량 Cm이 감소하게 되므로 출력전압(Vout)의 증가량이 감소하게 되어 이러한 감소량을 각각의 Tx 채널 및 Rx 채널의 교차점에서 구하고 이러한 데이터로부터 핑거 터치 부위의 좌표를 추출하게 된다.

그런데, 도 1의 터치 검출 회로를 핑거 터치 외에 스타일러스 펜 터치시 이용하게 되면, 상대적으로 스타일러스 펜의 팁의 센서 패널면의 접촉 면적이 작기 때문에, 전극 사이의 상호 정전 용량의 변화량 ΔCm이 작아 스타일러스 펜에 의한 터치시의 상호 정전용량의 변화를 센싱하기 어려운 점이 있다. 이에 따라, 좌표 추출의 정확도가 떨어진다.

또한, 센싱을 위해 센서 패널에 구비되는 전극에 비해 스타일러스 펜의 팁이 작은 경우, 전극의 유무에 따라 좌표 왜곡 현상이 있으며, 이는 센싱 감도에 직접적으로 영향을 준다.

그리고, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치의 경우 동일 터치 검출 회로로 이용시 스타일러스 펜에 의한 입력시 전극에 접하는 손바닥에 의한 터치와 스타일러스 펜에 의한 터치를 구분하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 도 1의 검출 회로의 경우, 스타일러스 펜 터치시 팜 리젝션(palm rejection)의 기능을 갖기 어렵다.

또한, 스타일러스 펜을 핑거 터치와는 다른 구동 방식, 예를 들어 전자기 방식의 구동 방식을 통해 터치 검출을 하는 방법도 소개되었으나, 이 경우, 별도의 정전용량 방식의 전극 외에도 별도의 전자기 구동에 의한 검출이 가능한 패널을 더 구비하여야 하므로, 이로 인한 구성 요소의 증가 및 공정 증가의 문제점이 있다.

상기와 같은 일반적인 정전용량 방식의 터치 스크린은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 상대적으로 스타일러스 펜의 팁의 센서 패널면의 접촉 면적이 작기 때문에, 전극 사이의 상호 정전 용량의 변화량 ΔCm이 작아 스타일러스 펜에 의한 터치시의 상호 정전용량의 변화를 센싱하기 어려운 점이 있다. 이에 따라, 좌표 추출의 정확도가 떨어진다.

둘째, 센싱을 위해 센서 패널에 구비되는 전극에 비해 스타일러스 펜의 팁이 작은 경우, 전극의 유무에 따라 좌표 왜곡 현상이 있으며, 이는 센싱 감도의 저하를 일으킨다.

셋째, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치의 경우 동일 터치 검출 회로로 이용시 스타일러스 펜에 의한 입력시 전극에 접하는 손바닥에 의한 터치와 스타일러스 펜에 의한 터치를 구분하지 못하는 문제점이 있다. 즉, 스타일러스 펜 터치시 팜 리젝션(palm rejection)의 기능을 갖기 어렵다.

넷째, 스타일러스 펜을 핑거 터치와는 다른 구동 방식, 예를 들어 전자기 방식의 구동 방식을 통해 터치 검출을 하는 방법도 소개되었으나, 이 경우, 별도의 정전용량 방식의 전극 외에도 별도의 전자기 구동에 의한 검출이 가능한 패널을 더 구비하여야 하므로, 이로 인한 구성 요소의 증가 및 공정 증가의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로 배터리 없이 스타일러스 펜의 구현이 가능하며, 또한 손가락과 스타일러스 펜에 의한 터치 검출이 모두 가능하며 더불어 필압에 대한 감지력이 높은 입력 시스템을 제공하는 데, 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 입력 시스템은, 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널;과, 서로 나뉘어진 제 1 코어 및 제 2 코어와, 상기 제 1, 제 2 코어에 각각 감긴 1차 코일 및 2차 코일과, 상기 제 1 코어 및 제 2 코어 사이의 신축성 물질과, 상기 2차 코일과 직렬 연결된 공진 캐패시터 및 스위치와, 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜;과, 상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부;와, 상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프; 및 상기 제 1 채널 및 제 2 채널과, 상기 안테나 루프와 연결된 터치 컨트롤러를 포함하여 이루어진 것에 그 특징이 있다.

또한, 상기 스타일러스 펜이 상기 센서 패널 면을 가압할 때, 가압에 따른 압력이 늘수록 상기 신축성 물질의 두께가 줄어들어 상기 1차 코일과 2차 코일간 간격이 줄어들 수 있다.

상기 제 1 코어 및 제 2 코어는 페라이트(ferrite)일 수 있다.

한편, 상기 제 1 코어 및 제 2 코어 중 적어도 어느 하나에 상기 신축성 물질과 대응되는 표면에 요부 및 철부를 구비하여, 상기 요부 내에 상기 신축성 물질이 끼워질 수 있다. 또한, 상기 신축성 물질은 상기 철부에 대응하여 홀을 가질 수 있다.

또한, 상기 신축성 물질의 평면 형상은 원형 또는 다각형일 수 있다.

한편, 상기 스타일러스 펜은, 상기 1차 코일과 2차 코일이 각각 감긴 상기 제 1 코어 및 제 2 코어를, 사이에 상기 신축성 물질을 끼워 직렬로 내부에 포함하며, 상기 전도성 팁이 상기 제 2 코어의 하측에서, 일부 돌출되는 홀을 갖는 도전성 몸체를 가질 수 있다.

상기 제 1 코어는 상기 전도성 팁의 반대편 측의 도전성 몸체 내에 고정된 것일 수 있다.

그리고, 상기 스타일러스 펜이 상기 센서 패널 면을 가압할 때, 가압에 따라 상기 도전성 몸체가 상기 센서 패널 면과 가까워질 수 있다.

또한, 상기 도전성 몸체는 상기 접지부와 연결될 수 있다.

상기 스위치는 탄성 소재이며, 상기 전도성 팁과는 절연되어, 상기 전도성 팁에 가해지는 압력에 의해 동작할 수 있다.

상기 스위치는 2차 코일과 연결되며, 상기 제 2 코어와 절연될 수 있다.

또한, 상기 1차 코일의 일단은 상기 전도성 팁에, 타단은 상기 도전성 몸체에 연결될 수 있다.

한편, 상기 안테나 루프는 상기 스타일러스 펜의 상기 센서 패널 면 터치시 상기 스타일러스 펜 내 2차 코일로부터 공진된 인덕턴스 신호를 수신한다.

이를 위해 상기 안테나 루프는 상기 센서 패널의 외곽을 둘러싸도록 형성되며, 양단에 각각 패드가 구비되어 상기 터치 컨트롤러에 연결될 수 있다.

또한, 상기 접지부는 상기 도전성 몸체와 접하는 사용자 또는 상기 도전성 몸체와 상기 센서 패널과의 사이에 연결된 와이어일 수 있다.

상기 터치 컨트롤러는 상기 안테나 루프와 연결되어, 상기 안테나 루프 양단에 수신된 전압 차를 증폭하는 증폭기;와, 상기 증폭기와 연결되어 노이즈를 제거하는 필터부;와, 상기 필터부와 연결되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 컨버터;와, 상기 컨버터와 연결되어 디지털 신호를 수집하여 좌표를 추출하는 신호 처리부; 및 상기 센서 패널 내 각 채널에 인가하는 신호를 발생하는 구동 신호 발생부를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 센서 패널 면에 스타일러스 펜이 터치할 때, 상기 스위치가 닫히고, 상기 2차 코일 및 공진 캐패시터가 폐회로를 이룰 수 있다.

상기 구동 신호 발생부에서 각 채널로 인가하는 신호는 상기 폐회로 내 공진 주파수와 동일한 주파수로 구형파 또는 정현파를 인가할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 기본 구성으로 핑거 터치에 대해 정전용량 방식의 터치 검출을 하는 구조를 이용하며, 스타일러스 펜의 터치 검출시는 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널 외곽의 안테나 루프를 통한 공진에 의한 터치 검출이 가능하다. 즉, 정전 용량 방식으로 터치 검출에 한계가 있는 스타일러스 펜 터치 검출을, 별도의 패널을 구성하지 않고, 센서 패널 외곽 구성과 스타일러스 펜 내부 회로를 변경하여 접촉 면적이나 전극 패턴의 형상에 영향을 받지 않고 가능하게 한다.

둘째, 스타일러스 펜 내의 코일 구성을 서로 나누어 1, 2차 코일로 구성하고, 각각의 코일이 감싸여진 제 1, 제 2 코어를 서로 이격하여 직렬 구성하고 그 사이에 신축성 물질을 끼움으로써, 필압이 변화에 따라 상기 신축성 물질의 두께가 변화하게 한다. 이로써, 필압이 변화하면, 1, 2차 코일간 간격 변화가 나타나 필압 변화에 따른 1, 2차 코일간의 상호 인덕턴스가 변화하여 스타일러스 펜의 터치시 필압에 따른 글씨 굵기 조절이 가능하다.

셋째, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치에 대해 별도의 다른 패널을 둔 구성에 비하여 입력 시스템의 제작 비용을 절감할 수 있고, 공정의 간소화가 가능하다. 또한, 입력 시스템으로서 얇은 센서 패널의 구현이 가능하다.

넷째, 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널의 안테나 루프간 공진 작용으로 터치 검출이 가능하여, 스타일러스 펜 내부에 배터리를 장착할 필요가 없게 되므로, 별도의 전원이 요구되는 액티브 스타일러스 펜 대비 제작 비용이 감소된다. 또한, 가볍고 크기가 작은 스타일러스 펜 구현이 가능하다.

다섯째, 스타일러스 펜 터치와 핑거 터치를 다른 구동 방식에 의해 서로 구분하여 센싱할 수 있어, 스타일러스 펜 터치의 경우에 팜 리젝션(palm rejection)이 용이해지며, 결과적으로 터치 감도의 정확성이 향상된다.

여섯째, 정전 용량 방식에서 이용하는 서로 교차된 전극간 상호 정전 용량 의 변화량(ΔCm)이 아닌 스타일러스 펜과 하나의 전극 사이에서 발생된 센싱 정전 용량(Csx)을 터치 검출에 이용할 수 있어, 종전과 대비하여 보다 값이 큰 센싱 정전 용량을 스타일러스 펜 터치 검출에 이용할 수 있다. 따라서, 감도의 향상이 기대된다.

일곱째, 스타일러스 펜에 의한 터치 검출에 이용되는 안테나 루프를 서로 교차하는 전극이 형성된 액티브 영역에서 이격하여 감도가 떨어지는 에지 영역보다 바깥쪽에 안테나 루프를 위치시킴으로써, 스타일러스 펜의 감도를 영역에 관계없이 동등하게 유지할 수 있다.

도 1은 일반적인 정전 용량 방식의 터치 검출 회로를 나타낸 회로도
도 2는 도 1의 회로도를 이용한 핑거 터치 여부에 따라 나뉘어지는 시간에 따른 전압 출력을 나타낸 그래프
도 3은 본 발명의 입력 시스템의 액티브 영역 내 구조를 나타낸 평면도
도 4는 도 3의 입력 시스템에 있어서, 스타일러스 펜과 Tx 채널간 캐패시턴스(Csx)와, 스타일러스 펜의 유무에 따른 Tx 채널과 Rx 채널간 캐패시턴스 변화(ΔCm)을 도 3의 X 좌표에 따라 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 입력 시스템을 나타낸 회로도
도 6은 본 발명의 입력 시스템의 터치 센서 패널을 나타낸 평면도
도 7은 본 발명의 입력 시스템의 스타일러스 펜을 나타낸 개략도
도 8은 도 7의 스타일러스 펜에 대응되는 부분을 나타낸 회로도
도 9는 본 발명의 스타일러스 펜의 내부 구체 구성을 나타낸 도면
도 10은 본 발명의 스타일러스 펜과 터치 센서 패널의 대응 관계를 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 입력 시스템의 프레임 구동 방법을 나타낸 도면
도 12는 본 발명의 스타일러스 펜의 필압에 따른 내부 제 1 상호 인덕턴스의 변화를 나타낸 그래프
도 13은 본 발명의 입력 시스템에 있어서, 제 2 코일의 필압 강도에 따른 시간 대 신호 변화를 나타낸 그래프
도 14는 본 발명의 입력 시스템에 있어서, 안테나 루프의 필압 강도에 따른 시간 대 신호 변화를 나타낸 그래프
도 15a 내지 도 15d는 본 발명의 스타일러스 펜의 여러가지 실시예별 내부 제 1, 제 2 코어 및 그 사이의 구성을 나타낸 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 입력 시스템 및 이를 이용한 터치 검출 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 입력 시스템은 기본 구성으로 핑거 터치에 대해 정전용량 방식의 터치 검출을 하는 구조를 이용하며, 스타일러스 펜의 터치 검출시는 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널 외곽의 안테나 루프를 통한 공진에 의한 터치 검출이 가능하다. 즉, 정전 용량 방식으로 터치 검출에 한계가 있는 스타일러스 펜 터치 검출을, 별도의 패널을 구성하지 않고, 센서 패널 외곽 구성과 스타일러스 펜 내부 회로를 변경하여 접촉 면적이나 전극 패턴의 형상에 영향을 받지 않고 가능하게 한다.

이하, 액티브 영역 내 구성된 정전 용량 방식의 전극 구성과 이를 이용하여 스타일러스 펜 터치시 현상을 살펴본다.

도 3은 본 발명의 입력 시스템의 액티브 영역 내 구조를 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 3의 입력 시스템에 있어서, 스타일러스 펜과 Tx 채널간 캐패시턴스(Csx)와, 스타일러스 펜의 유무에 따른 Tx 채널과 Rx 채널간 캐패시턴스 변화(ΔCm)을 도 3의 X 좌표에 따라 나타낸 그래프이다.

도 3과 같이, 각각 Tx 채널 및 Rx 채널을 바 형상으로 구현하는 경우, 이들 전극은 서로 교차하는 방향으로 배치된다. 임의로 도 3의 영역 중 스타일러스 펜 이동에 따라 정전용량 변화를 도 4를 참조로 살펴본다.

도 4의 그래프에 나타낸 정전용량 값은, Tx 채널과 Rx 채널의 중점을 원점으로 하여, 이를 기준으로 일축을 X축으로 그와 교차하는 축을 Y축으로 정의하여, 스타일러스 펜의 위치에 따라, 정전용량의 변화를 검출한다. 도면 상에 세로 축이 X축 (Rx의 방향), 가로 축이 Y축으로 도시되어 있으며, 실험은 Y 축은 좌표 값을 0점으로 하고, X축의 값만 변경하여 진행하였다.

여기서, ΔCm은 스타일러스 펜 유무에 따른 Tx 채널과 Rx 채널간 상호 정전용량의 차이를 나타내는 것이고, Csx는 스타일러스와 Tx 채널간의 정전용량의 분포를 나타낸 것이다. ΔCm 값에 비해 Csx 값의 크기가 상대적으로 전 영역에서 더 큰 것을 알 수 있으며, Csx 값이 X축의 값이 0 점에 가까워질수록 변화하는 정도 역시 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, ΔCm의 값 중 0점에서는 오히려 인접 영역보다 값이 저하함을 알 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜에 의한 터치를 검출하기 위해 데이터로서 ΔCm 보다는 Csx 를 이용하는 것이 감도(sensitivity) 및 위치 분해능 측면에서 유리함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 입력 시스템에 있어서, 스타일러스 펜의 위치를 측정하지만, 감도가 더 좋은 Csx를 위한 검출 방법을 이용한다.

도 5는 본 발명의 입력 시스템을 나타낸 회로도이며, 도 6은 본 발명의 입력 시스템의 터치 센서 패널을 나타낸 평면도이다. 또한, 도 7은 본 발명의 입력 시스템의 스타일러스 펜을 나타낸 개략도이다.

도 5 및 도 6과 같이, 본 발명의 입력 시스템은 크게 스타일러스 펜(100), 터치 센서(200), 안테나 루프(410) 및 터치 컨트롤러(300)를 포함한 센서 패널(도 6의 201 참조), 스타일러스 접지부(500)로 나뉜다.

상기 터치 센서(200)는 서로 교차하는 복수개의 제 1 채널(Tx) 및 제 2 채널(Rx)을 갖고 상기 센서 패널(201)의 중앙에 해당하는 액티브 영역에 위치한다. 그리고, 상기 센서 패널의 액티브 영역 외곽을 둘러싸는 형상이며, 양단 사이가 약간 이격된 형태의 루프(loop) 상으로 상기 안테나 루프(410)가 형성된다. 이러한 안테나 루프(410)는 기능적으로 상기 스타일러스 펜(100) 내의 코일들과 상호 인덕턴스를 유도하는 3차 코일(L3)의 기능을 한다.

또한, 상기 스타일러스 펜(100) 내부에는, 도 7과 같이, 서로 나뉘어진 1차 코일(L1)(140) 및 2차 코일(L2)(120)과, 상기 2차 코일(120)과 직렬 연결된 공진 캐패시터(C2)(110) 및 스위치(SW)(130)와, 상기 1차 코일(140)과 연결된 전도성 팁(Conductive tip)(101)을 포함한다.

여기서, 상기 안테나 루프(410)는, 상기 스타일러스 펜(100)이 센서 패널(201)을 접할 때, 회로적으로 3차 코일(L3)로 기능한다.

한편, 상기 스타일러스 펜(100)은 스타일러스 접지부(500)와 연결되어 있어, 스타일러스 펜 내부 회로를 안정화한다.

상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프(410) 및 센서 패널의 액티브 영역에 형성된 상기 제 1 채널(Tx) 및 제 2 채널(Rx)은 각각 터치 컨트롤러(300)와 연결되어, 신호 제어를 받는다.

한편, 도 6과 같이, 본 발명의 입력 시스템의 센서 패널(201)은 크게 액티브 영역과 그 외곽 영역으로 나뉜다.

복수개의 제 1 채널(Tx)(210) 및 제 2 채널(Rx)(220)은 각각 바 형상을 갖는 것으로, 제 1 채널(Tx)(210)과 제 2 채널(Rx)(220) 채널이 서로 교차하여 액티브 영역에 배치된다. 도시된 형태는 바(bar) 형상의 채널로, 경우에 따라 상기 바 형상은 정전용량 방식의 다른 형태의 패턴으로 변경될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 다이아몬드 패턴이나 다른 형태의 다각형 형태일 수 있다. 어느 경우에나, 본 발명의 입력 시스템에 있어서는, 스타일러스 펜 터치의 정확성을 위해 중심에서 상하 좌우 어디에서도 대칭성을 갖는 형태로 형성되는 것이 요구된다.

또한, 스타일러스 펜(100) 내 공진 회로로부터 발생하는 전자기 신호를 수신하기 위해 상기 센서 패널(201)의 외곽 영역에 안테나 루프를 형성한다. 안테나 루프(410)는 실제로 스타일러스 입력이 이루어지고 좌표 추출이 이루어지는 액티브 터치 영역보다 가능하면 크게 형성한다. 이는 스타일러스 펜(100)을 이용한 터치 검출에 있어서, 센서 패널(201) 가장자리 부분에서, 채널의 비대칭성으로 인해 좌표 추출의 정확도가 떨어지는 에지 이펙트(edge effect)를 해소하고자 함이다.

한편, 상기 안테나 루프(410)는 인덕턴스 유도가 가능한 일종의 3차 코일인데, 별도의 물리적 형상을 갖는 자기 코어는 구비하지 않는다. 여기서, 상기 안테나 루프(410)는 에어 코어(air core)를 매개로 하여 동작하는 코일일 수 있다.

상기 제 1 채널(Tx)(210) 및 제 2 채널(Rx)(220)은 디스플레이 장치에서 광 투과를 위해 투명 전극으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 핑거 터치 구간에 상기 제 1 채널(Tx)(210)은 구동 신호 인가용으로, 제 2 채널(Rx)(220)은 검출 신호 수신용으로 이용되며, 각각 센서 패널(201)의 일측 가장자리에 구비된 패드(230)와 라우팅 배선(225)을 통해 전기적으로 연결된다.

그리고, 상기 안테나 루프(410)의 양단 또한, 상기 센서 패널(201)의 일측 가장자리에 구비된 패드(230)와 나란히 형성된 루프 패드(240)가 형성되며, 둘 사이의 전압 차를 터치 컨트롤러에 의해 검출할 수 있게 한다.

한편, 상기 안테나 루프(410)는 상기 라우팅 배선(225)과 동일 공정에서 함께 형성할 수도 있다. 혹은 상기 안테나 루프(410)의 전자기 유도 특성을 향상시키기 위해, 상기 센서 패널(100)에 상기 안테나 루프(410)와 콘택하는 쉬트 형태의 자기 성분 코어(planar magnetic core)를 더 구비할 수도 있다.

또한, 상기 안테나 루프(410)는 상기 스타일러스 펜(100)의 상기 센서 패널(201) 면 터치시 상기 스타일러스 펜(100) 내 2차 코일(L2)로부터 공진된 인덕턴스 신호를, 상기 안테나 루프(410)가 기능하는 3차 코일(L3)과 2차 코일(L2)간 상호 인덕턴스(M23) 또는 상기 안테나 루프(410)가 기능하는 3차 코일(L3)과 1차 코일(L1)간 상호 인덕턴스(M13) 유도로 수신하게 된다.

여기서, 상기 안테나 루프(410)는 상기 센서 패널의 외곽을 둘러싸도록 형성되며, 양단에 각각 패드가 구비되어 상기 터치 컨트롤러(300)에 연결된다.

또한, 상기 터치 컨트롤러(300)는 상기 안테나 루프와 연결되어, 상기 안테나 루프(410) 양단에 수신된 전압 차를 증폭하는 증폭기(310)와, 상기 증폭기(310)와 연결되어 노이즈를 제거하는 필터부(AFE)(320)와, 상기 필터부(320)와 연결되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 컨버터(ADC)(330)와, 상기 컨버터와 연결되어 디지털 신호를 수집하여 좌표를 추출하는 신호 처리부(DSP)(340) 및 상기 센서 패널 내 각 채널에 인가하는 신호를 발생하는 구동 신호 발생부(Drive signal Generator)(305)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 센서 패널(200)에 스타일러스 펜(100)이 터치할 때, 스타일러스 펜(100) 내부 상기 스위치(SW)(130)가 닫히고, 상기 2차 코일(L2)(120) 및 공진 캐패시터(C2)(110)가 일종의 공진 회로로서 폐회로를 이룬다.

그리고, 상기 구동 신호 발생부(305)에서 각 채널로 인가하는 신호는 상기 폐회로 내 공진 주파수(f=1/[2π*(L2*C2)^0.5])와 동일한 주파수로 구형파(square wave) 또는 정현파(sine wave)를 인가할 수 있다. 상기 각 채널로 인가하는 신호는 일종의 교류 전압으로서, 각 코일에서는 인가된 신호와 유사한 파형 또는 시간 경과에 따라 파형이 커지는 형태의 신호 형상(signal shape)을 갖는다.

한편, 상기 스타일러스 접지부(500)는 상기 스타일러스 펜(100)과 접하는 사용자 또는 스타일러스 펜(100)과 상기 센서 패널(201)과의 사이에 연결된 와이어일 수 있다. 설명하지 않은 Ch는 상기 스타일러스 펜(100)과 사용자가 접할 때, 사용자가 유전체로 기능하여, 스타일러스 펜(100)과 접지 단자 사이에서, 접지부 정전용량(Ch)이 발생된 상태임을 나타내고 있다.

상기 스타일러스 펜 내부의 1차 코일(L1)(140)과 2차 코일(L2)(120)은 각각 스타일러스 펜(100) 내부 중심축을 지나는 제 1 코어(도 7의 135a 참조) 및 제 2 코어(도 7의 135b 참조)에 감겨 있으며, 두 코일(L1, L2)간에는 제 1 상호 인덕턴스(mutual inductance)(M12)가 커플링되어 발생된다. 여기서, 상기 제 1, 제 2 코어(135a, 135b) 사이에는 신축성 물질(도 7의 155 참조)이 끼워져 있어, 필압으로 신축성 물질(155)의 두께가 조절되어, 상기 제 1 상호 인덕턴스 값의 조절이 가능하며, 이로써, 필압을 민감하게 감지할 수 있는 것이다.

한편, 2차 코일(L2)(120)과 공진 캐패시터(C2)(110)는 센서 패널의 교차된 제 1, 제 2 채널(Tx/Rx)에 의해 구성된 터치 센서(200)로부터 캐패시티브 커플링되어 형성된 센싱 캐패시터(Csx)(250)을 통해 입력되는 신호의 주파수와 전자기 공진이 발생하도록 적절한 값을 갖도록 구성된다. 여기서, 공진 주파수는 f=1/[2π*(L2*C2)^0.5] 의 조건을 갖는다. 그리고, 상기 센싱 캐패시터(Csx)(250)은 물리적으로 회로 구성을 갖는 소자가 아니라, 상기 스타일러스 펜(100)의 전도성 팁이 센서 패널(201)을 접할 때, 접하는 부위에서 정전용량 커플링되어 발생되는 것이다.

또한, 상기 스타일러스 펜(100)에서 전자기 공진시 발생한 자기장 신호는 1차 코일(L1)(140) 또는 2차 코일(L2)(120)과 센서 패널(201)에 형성된 안테나 루프(410)와의 제 2 상호 인덕턴스(M23 또는 M13)에 의해 안테나 코일에 해당하는 3차 코일(L3)에 유도 기전력을 발생한다. 이러한 유도 기전력은, 안테나 루프(410) 양단간의 전압 차이를 증폭할 수 있는 증폭기(310)를 통해 증폭하고, 노이즈 제거 등을 위한 필터 등으로 이루어진 필터부(AFE:Anaolog Front End)(320)를 거친 후 컨버터(ADC:Analog to Digital Converter)(330)에서 디지털 신호로 변환된 뒤 상기 신호 처리부(DSP: Digital Signal Processor)(340)에서 적절한 알고리즘을 통하여 좌표를 추출한 후 호스트 시스템에 좌표 데이터 등을 전송하게 된다.

한편, 상기 스타일러스 펜(100) 내의 일차 코일(L1)(140)의 한쪽 끝은 전도성 팁(101)에 의해 연결되어 있고, 다른 쪽 끝은 스타일러스의 전도성 물질로 이루어진 도전성 몸체부(도 7의 150 참조)에 연결되어, 접지된다. 경우에 따라, 사용자가 접지부(500)를 구성시 사람의 몸에 해당하는 접지부 캐패시터(Ch)와 연결된다.

여기서, 설명하지 않은 부호 중 157은 상기 제 1 코어(135a)를 몸체(150) 내에 고정시키는 기구물로 코어 지지대이다.

도 8은 도 7의 스타일러스 펜에 대응되는 부분을 나타낸 회로도이며, 도 9는 본 발명의 스타일러스 펜의 내부 구체 구성을 나타낸 도면이다.

도 8과 같이, 본 발명의 스타일러스 펜(100) 내부는 1차 코일(L1)(140)과 2차 코일(L2)(120)이 서로 나뉜 직렬의 제 1, 제 2 코어(core)(135a, 135b)에 각각 감긴 형상으로 배치된다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 코어(135a, 135b) 사이에는 신축성 물질(155)이 배치되며, 전도성 팁(101)이 센서 패널 면을 누르는 압력이 커질수록 상기 신축성 물질(155)의 두께 't'는 줄어든다.

여기서, 상기 제 1, 제 2 코어(135a, 135b)는 자기 물질로 이루어지며, 예를 들어 페라이트(ferrite)로 이루어질 수 있다.

상기 스타일러스 펜(100)의 도전성 몸체(150)는, 상기 1차 코일(L1)(140) 및 2차 코일(L2)(120)과 공진 캐패시터(C2)(110) 및 상기 자기 코어(135)를 내부에 포함하며, 상기 전도성 팁(101)이 일부 돌출되는 홀을 가질 수 있다.

여기서, 상기 전도성 팁(101)은 상기 도전성 몸체(150)로부터 절연되어 있으며, 이를 위해 홀 주위에 상기 전도성 팁(101)을 둘러싸는 형태의 절연 완충부(미도시)를 더 구비할 수 있다.

그리고, 상기 도전성 몸체(150)는 상술한 스타일러스 접지부(500)와 연결된 것이 바람직하다.

한편, 상기 스위치(SW)(130)는 탄성 소재이며, 상기 전도성 팁(101)과는 절연을 유지하도록, 상기 전도성 팁(101)과의 사이에 제 1 절연막(103)을 구비할 수 있다. 또한, 상부에 위치하는 제 2 코어(135b)와도 필압이 없는 경우에는 절연 상태를 유지하기 위해, 상기 스위치(130)와 제 2 코어(135b)와의 사이에도 제 2 절연막(107)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 스위치(130)는 상기 전도성 팁(101)이 센서 패널을 누를 때 가해지는 압력에 의해 상기 스타일러스 펜(100) 내의 개폐가 정해진다. 즉, 일정 압력 이상으로 누를 때, 상기 스위치(130)가 닫혀 공진 캐패시터(110), 2차 코일(120)이 직접 연결되어 형성된 내부 공진 회로가 폐회로를 이루게 된다.

또한, 상기 스위치(SW)(130)의 일단은 상기 2차 코일(L2)(120)과 연결된다.

상기 1차 코일(L1)(140)의 일단은 상기 전도성 팁(101)에, 타단은 상기 도전성 몸체(150)의 그라운드 단자(125)에 연결된다.

상기 스타일러스 펜의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

1차 코일(L1)(140)의 일단은 전도성 팁(101)을 통해 센서 패널의 터치 센서(도 5의 200 참조)와 정전용량 커플링되어 센싱 캐패시터(Csx)(250)를 형성한다.

따라서, 터치 센서 각 채널로부터의 입력 신호가 Csx를 통해 일차 코일(L1)(140)을 구동하고 이는 자기 커플링된 제 1 상호 인던턱스(M12)를 통해 제 2 코일(L2)(120) 및 공진 캐패시터(C2)(110)로 이루어진 공진 회로를 구동한다. 터치 센서(200)의 각 채널(Tx, Rx)로 구동 신호 발생부(305)로부터 입력되는 신호와 2차 코일(L2)(120) 및 공진 캐패시터(C2)(110)로 이루어진 공진 회로의 전자기 공진 주파수가 동일하도록 회로 구성을 하며, 이 경우 전자기 공진에 의해 신호 강도가 시간에 따라 증가한다. 상기 1차 코일(L1)(140)의 타단은 스타일러스 펜의 도전성 몸체(150)에 접촉한 손 및 사람의 몸으로 이루어진 접지부 캐패시터(Ch)를 통하여 접지된다.

스위치(SW)(130)는 전도성 팁(101)이 센서 패널(201) 면에 어느 정도 눌려졌을 때 닫힘으로써, 이 때에만 전자기 공진이 발생하여 스타일러스 펜의 입력 감지가 가능하도록 해준다. 즉, 스타일러스 펜이 센서 패널(201)에 가깝더라도 어느 정도 눌려지지 않으면 동작하지 않아 오동작을 방지하는 기능을 한다. 전자기 공진시 발생한 자기장 신호는 센서 패널의 외곽에 위치하는 안테나 루프(410)로 전달되어, 일종의 3차 코일(L3)로 기능하여, 그 양단에 전압 차를 터치 컨트롤러(300)에 의해 감지한다.

본 발명의 스타일러스 펜(100)은 각각의 제 1, 제 2 코어의 길이 방향의 표면을 채우며 감긴 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)의 간격이 필압 변화에 따라 그 사이의 구조물이 신축성 물질(155)의 두께(t) 변화로 변화하여, 변화에 따른 제 1 상호 인덕턴스(M12)의 값 변화로 필압을 검출할 수 있다.

여기서, 필압이 세질수록 신축성 물질(155)의 두께(t)는 줄어들고, 필압이 전혀 없을 때는, 상기 신축성 물질(155)은 초기 두께를 유지한다. 필압이 전혀 없는 경우는, 스타일러스 펜(100)에 의한 터치가 이루어지지 않는 경우로 이 경우에는 터치 센싱이 이루어지지 않게 된다.

스타일러스 펜(100) 내의 상기 1차 코일(L1)(140)은 상기 지지대(157)에 의해 고정된 제 1 코어(135a)에 감겨 있기 때문에, 고정되어 있고, 필압이 가해지면, 상기 도전성 팁(101)으로 전해지는 필압이 상기 제 2 코어(135b)의 위치를 위로 이동시켜 2차 코일(L2)(120)이 상기 1차 코일(L1)(140)과의 거리가 좁아진다. 이 경우, 상기 1, 2차 코일간 제 1 상호 인덕턴스의 값은

(k는 커플링 계수)에 의해 산출되는데, 여기서 거리가 줄어들수록 상기 커플링 계수 k 값이 커지기 때문에, 거리가 줄어들수록 상기 제 1 상호 인덕턴스의 값이 커진다.

도 10은 본 발명의 스타일러스 펜과 터치 센서 패널의 대응 관계를 나타낸 도면이다.

예를 들어, 필압이 세져 상기 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)간의 간격이 좁아지면, 상대적으로 필압이 약한 경우에 비해 상기 제 1 상호 인덕턴스(M12)의 값이 커지며 스타일러스 펜(100)에서 생성된 신호 값이 커지며, 이러한 제 1 상호 인덕턴스(M12) 값은 상기 스타일러스 펜(100)과 안테나 루프(410)간 발생하는 제 2 상호 인덕턴스(M23 또는 M13) 값을 키우게 된다. 따라서, 필압이 센 경우에는 감지된 신호 값도 커지게 되며, 이와 같이, 최종적으로 터치 컨트롤러(300)에서 검출된 신호 값의 정도에 따라 필압 정도를 결정할 수 있으며, 각 필압 세기에 맞는 글씨 또는 드로잉시 굵기 등이 결정될 수 있다.

즉, 상기 신축성 물질(155)의 구비에 따라, 필압 변화에 따른 제 1 상호 인덕턴스(M12) 변화가 유도되고, 상기 제 1 상호 인덕턴스(M12)에 비례하는 특성을 갖는 안테나 루프(410)와 스타일러스 펜(100) 사이의 제 2 상호 인덕턴스(M23 또는 M13) 역시 변화가 나타나는 것이다. 즉, 필압 변화로 실제 안테나 루프(410)를 통해 센싱되는 값의 변화를 유도할 수 있는 것으로, 센싱되는 값의 변화가 있으면, 이에 기초하여 필압의 변화 정도를 측정할 수 있는 것이다.

한편, 상기 신축성 물질(155)의 초기 두께는 0.7mm~2.0mm 으로 설정한다. 이러한 신축성 물질(155)은 압력에 따라 약 0.7mm 두께 범위에서 가변할 수 있다.

도 11은 본 발명의 입력 시스템의 프레임 구동 방법을 나타낸 도면이다.

도 11과 같이, 본 발명의 입력 시스템은 1프레임을, 스타일러스 터치 검출용과, 핑거 터치 검출용으로 나누어 시분할 구동한다. 그리고, 스타일러스 터치 검출용과 핑거 터치 검출용은 서로 교번하여 이루어지게 한다.

예를 들어, 1프레임이 5~10ms에 해당할 때, 프레임 레이트(frame rate)는 100~200Hz에 해당한다. 이 경우, 1프레임을 스타일러스 터치 검출용과 핑거 터치 검출용으로 이분할 때, 각각의 할당 구간은 2.5ms 내지 5ms 에 해당한다. 이는 스타일러스 터치 검출용과 핑거 터치 검출용을 이분할 때이고, 경우에 따라, 어느 한쪽의 시간을 1 프레임 내에서 더 길게 조절하는 것도 가능할 것이다.

한편, 스타일러스 터치 검출시, 도 6과 같이, 제 1 채널(Tx) 및 제 2 채널(Rx)의 수를 각각 m개 및 n개라고 하면, 제 1 채널의 m개 채널 Tx(1)~Tx(m)과 제 2 채널의 n개 채널 Rx(1)~Rx(n)을 순차적으로 구동하고 센싱한다.

즉, 총 'm+n' 채널을 상기 스타일러스 터치 검출용 구간 내에 순차적으로 구동하게 된다. 따라서, 예를 들어, 'm+n'=50이라고 가정하면, 하나의 채널을 구동하는데 가능한 시간은 2.5ms~5ms을 50으로 나눈 50㎲~100㎲이 된다.

그리고, 핑거 터치 검출시는, 제 1 채널(Tx)에 대해 순차적으로 구동 신호를 인가하고, 제 2 채널(Rx)에서 검출 신호를 센싱하여, 터치에 따른 변화를 검출하여 터치 위치를 검출하는 것이다. 상대적으로 핑거 터치 검출시는 구동 신호는 제 1 채널(Tx)에 대해서만 인가되므로, 스타일러스 터치 검출시의 각 채널의 신호 인가 시간(2.5ms 내지 5ms/(m+n) 보다 핑거 터치 검출시의 각 제 1 채널(Tx)의 구동 신호 인가 시간(2.5ms~5ms/m)이 길 수 있다.

이 경우, 각각의 채널을 구동하는 신호 파형과 센싱 파형은 후술하는 바와 같이, 스타일러스 입력과 핑거 터치를 시간 분할하여 교번 구동하는 것이다.

이어, 상기 스타일러스 펜 터치 검출에서 각 채널의 구동 및 센싱 방법을 살펴본다.

본 발명의 입력 시스템의 두개의 인접한 제 1 채널들(Tx(n) 및 Tx(n+1))에 대해 구동 및 센싱 과정을 살펴본다.

도시된 바는 Tx(n), Tx(n+1)의 채널의 구동 과정을 나타내지만, 이러한 과정은 같은 방식으로 Tx(1)~Tx(m), Rx(1)~Rx(n)의 순으로 순차적으로 신호를 인가하고, 각 채널별 안테나 루프(410)의 양단에 수신된 전압 차에 의해 터치 검출을 수행하는 이루어질 수 있다.

상기 터치 검출을 위해서, 상기 전도성 팁(도 7a의 101 참조)과 상기 센서 패널(201)간 커플링되어 되어 형성된 센싱 캐패시터(Csx)와 상기 1차 코일(L1)간 전기적 연결이 형성된다. 이어, 상기 스위치(SW)가 닫혀 상기 2차 코일(L2)과 공진 캐패시터(C2)의 공진 회로가 형성됨으로써, 상기 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)간 제 1 상호 인덕턴스(M12)에 의해 공진 회로 내 전자기 공진으로 2차 코일(L2)의 인덕턴스 값이 커지게 되고, 제 2 상호 인덕턴스(M13 또는 M23)에 의해 전자기 공진된 유도 기전력이 상기 안테나 루프(410)로 수신되어 이루어진다.

즉, 제 1 상호 인덕턴스(M12) 값이 증가하면, 1차 코일(L1)에서, 2차 코일(L2)로 신호가 더 잘 전달되고 2차 코일에서의 공진신호가 커진다. 증가된 2차 코일(L2)의 공진신호는 3차 코일로 기능하는 안테나 루프(L3)에 비례하게 전달된다. 따라서, 필압이증가하면, 3차 코일(안테나 루프-L3)에서 수신되는 신호도 비례하여 증가한다.

한편, 상기 복수개의 제 1 및 제 2 채널(Tx(1)~Tx(m), Rx(1)~Rx(n))로 인가하는 신호는 도 12a와 같이, 상기 공진 회로 내 공진 주파수와 동일한 주파수인 구형파 또는 정현파일 수 있다.

상기 스타일러스 펜은, 상기 센서 패널면에 상기 스타일러스 펜을 터치시 사용자에 의해 스타일러스 펜의 접지가 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 접지시 사용자는 상기 도전성 몸체를 직접 콘택하거나 혹은 상기 도전성 몸체를 상기 센서 패널과 와이어를 통해 연결시켜 이루어진다.

Tx(n) 채널을 구동할 경우, 터치 컨트롤러로부터 일정 주파수의 구형파 또는 정현파로 Tx(n) 채널에 T1 시간 인가한다.

상기 Tx(n) 채널에 구형파 또는 정현파 신호가 인가되면, 이 시간 동안 스타일러스 펜의 1차 코일(L1)은 Tx 채널과 전도성 팁 사이에 정전용량 커플링에 의해 생성된 센싱 캐패시터(Csx)가 형성된다. 또한, 센서 패널면에 스타일러스 펜을 터치하면 상기 센싱 캐패시터(Csx)와 전도성 팁간 전기적 연결이 형성되고, 이에 의해, 1차 코일에 구형파에 동기하여 약한 파형이 발생한다. 이는 다시 1차 코일과 2차 코일간 커플링되어 제 1 상호 인덕턴스(M12)가 형성되고 이를 통해 2차 코일이 구동된다. 여기서, 2차 코일은 T1 시간 내 시간이 경과할 수록 파형이 커지는데, 이는 폐회로의 공진 회로내 직렬 연결된 공진 캐패시터(C2)와 공진 주파수를 통해 전자기 공진을 일으키며 시간에 따라 진폭이 증가하기 때문이다.

또한, 스타일러스 펜이 센서 패널을 터치시 1차 코일(L1) 또는 2차 코일(L2)은 상기 센서 패널 내 안테나 루프와 제 2 상호 인덕턴스 (M13 또는 M23)를 통해 커플링되어 있으므로, 안테나 루프는 스타일러스 펜의 공진에 의해 발생하는 전자기 신호를 센싱할 수 있다.

상기 안테나 루프에서는, 상기 안테나 루프의 양단에 수신된 전압 차를 검출하는 단계와, 상기 전압 차를 증폭하는 단계와, 상기 증폭된 전압 차의 노이즈를 제거하는 단계와, 상기 노이즈가 제거된 증폭된 전압 차를, 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환하는 단계 및 상기 디지털 신호를 메모리에 저장하는 단계를 통해 해당 채널에 대응되는 안테나 루프의 양단의 전압 차에 대한 신호 강도 디지털 데이터를 저장한다.

Tx(n+1) 채널을 상술한 동일한 방법으로 구동 신호 인가 및 센싱하고 신호의 크기에 비례하는 디지털 데이터를 메모리에 저장한다.

이러한 과정을 통해 한 프레임의 각 채널에 대한 신호 강도 디지털 데이터가 모두 모이면 터치 컨트롤러의 신호 처리부를 통해 스타일러스 펜이 위치한 곳의 좌표를 추출한다.

한편, 상기 스타일러스 펜의 신호 수신 구간은 T1+T2 또는 T2 만일 수 있다. 각각의 장단이 있는데, 만일 신호 수신 구간이 T1+T2일 경우에는, 신호를 수신하는 시간이 길어짐으로써 측정된 신호의 정밀도 증가를 기대할 수 있다. 그러나, T1 시간 동안에 Tx 또는 Rx 채널이 구동되며 이들 채널로 이루어진 기생 루프가 자기장 신호를 유발할 수 있어, 이들은 안테나 루프에 노이즈 성분이 되며, 이러한 노이즈는 스타일러스 펜 내부의 공진 회로에서 발생되는 신호와 함께 안테나 루프측으로 수신된다.

따라서, 상기 기생 루프에 의한 자기장 간섭이 정확한 터치 검출이 힘들 경우에는, 상기 T2 구간에서만 스타일러스 펜의 공진 신호 검출에 의한 터치 검출을 수행할 수 있다. 이 경우에는, T1 시간 동안 공진 신호를 수신하지 않으므로, 신호 수신시간 감소 및 데이터 정밀도가 감소할 수 있으나, 자기장 노이즈가 안테나 루프에 영향을 미치지 않는 이점이 있다.

도 12는 본 발명의 스타일러스 펜의 필압에 따른 내부 제 1 상호 인덕턴스의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 12와 같이, 본 발명의 스타일러스 펜은 필압이 세질수록 상기 제 1, 제 2 코어 내부의 신축성 물질의 두께(t) (그래프에서 거리로 표현)가 줄어들고, 이 때의 제 1 상호 인덕턴스(M12)가 점점 커짐을 나타내고 있다.

이는 상대적으로 필압이 변화할 때, 상호 인덕턴스 중 제 2 상호 인덕턴스(M23 또는 M13)는 고정된 값을 가지나, 제 1 상호 인덕턴스(M12)는 필압 변화에 따른 변화가 있어, 이를 감지하여 필압 변화를 센싱할 수 있는 것이다.

도 13은 본 발명의 입력 시스템에 있어서, 제 2 코일의 필압 강도에 따른 시간 대 신호 변화를 나타낸 그래프이며, 도 14는 본 발명의 입력 시스템에 있어서, 안테나 루프의 필압 강도에 따른 시간 대 신호 변화를 나타낸 그래프이다.

도시된 그래프에서, 필압은 1에서 5로 갈수록 일정하게 증가시켜 실험한 것이다.

시간 경과에 따라 파형의 변화는 있지만, 각각 2차 코일(L2) 및 3차 코일(안테나 루프)(L3)에서 모두 필압이 높을수록 검출된 신호 값이 큼을 알 수 있다.

즉, 필압 증가에 따라 상기 1, 2차 코일간 간격이 줄어들면, 제 1 상호 인덕턴스(M12) 값이 커지며, 이에 비례하여, 각 코일에서의 검출 신호 값도 커짐을 실험을 통해 확인하였다. 즉, 필압이 커지면 수신되는 신호도 비례하여 증가한다.

실질적으로 터치 컨트롤러와 연결된 3차 코일(안테나 루프)에서 검출이 이루어지므로, 필압 증가가 상기 3차 코일의 양단을 통해 터치 컨트롤러에서 관측될 수 있는 것이다.

도 15a 내지 도 15d는 본 발명의 스타일러스 펜의 여러가지 실시예별 내부 제 1, 제 2 코어 및 그 사이의 구성을 나타낸 도면이다.

한편, 도 15a 내지 도 15d는 상기 제 1 코어 및 제 2 코어 중 적어도 어느 하나에 상기 신축성 물질과 대응되는 표면에 요부 및 철부를 구비하여, 상기 요부 내에 상기 신축성 물질이 끼워지는 형상의 실시예를 나타낸 것이다.

여기서, 각각의 제 1 코어 및 제 2 코어의 장축 방향의 표면에는 도시되지는 않았지만, 상측부터 하측까지 1차 코일과 2차 코일이 각각 감겨 있다.

이러한 실시예들은, 1차 코일과 2차 코일간 간격이 작을수록 최종 터치 컨트롤러에서 검출된 신호가 크게 되므로, 필압이 가장 셀 경우에 1, 2차 코일간 간격(t)이 0이 되도록, 설계한 것이다.

도 15a는 제 1 코어(615)의 신축성 물질(655)에 대응된 면의 가장자리에 철부를 갖는 것으로, 상대적으로 신축성 물질(655)에 대응하여 요부를 갖는다. 그리고, 상기 요부에 끼워져 신축성 물질(655)이 위치하는 것이다. 물리적으로, 필압이 가해지면 상기 신축성 물질(655)은 두께 변화를 갖는 것으로, 상대적으로 초기 상태에서 상기 신축성 물질(655)의 두께는 상기 요부, 철부간 사이의 거리 h보다는 크게 설계한다. 이 경우, 상기 제 2 코어(616)은 상기 신축성 물질(655)에 대응된 면이 평탄하다.

도시되지 않았지만, 상기 제 1 코어(615)와 제 2 코어(616)의 신축성 물질(655)에 대한 대응면 형상을 반대로 설계할 수도 있다.

여기서, 상기 신축성 물질(655)이 원형인 점이 도시되어 있지만, 반드시 이 형상에 한정되는 것은 아니다. 여러 형태의 다각형이 가능할 것이다.

도 15b는 제 1 코어(715)의 신축성 물질(755)에 대응된 중앙에 철부를 갖는 것으로, 상대적으로 신축성 물질(755)에 대응하여 요부(凹部)를 갖는다. 이 경우, 상기 신축성 물질(755)은 중앙을 비워, 비워진 중앙에 상기 제 1 코어(715)의 철부(凹部)가 끼워지는 형상이 될 수 있다.

이 경우, 상기 제 2 코어(716)은 상기 신축성 물질(655)에 대응된 면이 평탄하다.

도시되지 않았지만, 상기 제 1 코어(715)와 제 2 코어(716)의 신축성 물질(755)에 대한 대응면 형상을 반대로 설계할 수도 있다.

마찬가지로, 물리적으로, 필압이 가해지면 상기 신축성 물질(755)은 두께 변화를 갖는 것으로, 상대적으로 초기 상태에서 상기 신축성 물질(755)의 두께(t)는 상기 요부, 철부간 사이의 거리 h보다는 크게 설계한다. 이 경우, 상기 제 2 코어(716)은 상기 신축성 물질(755)에 대응된 면이 평탄하다.

도 15b에 있어서는, 상기 신축성 물질(755)의 형상이 중앙이 뚫린 정사각형 형상임을 나타낸다.

도 15c는 도 15b 와 비교하여, 상기 신축성 물질(855)이 중앙이 뚫린 정육각형 형상임을 나타낸다.

도 15d는 도 15b와 비교하여, 상기 신축성 물질(955)이 중앙이 뚫린 원형 형상임을 나타낸다.

중앙에 제 1 코어(715)가 철부를 갖는 경우, 도 15b~도 15d에 도시된 형상으로 제한되지는 않고, 그 외에도 중앙에 홀을 갖는 형태의 다각형 형상이 가능할 것이다.

본 발명의 입력 시스템을 이용하여 터치 검출시 다음의 이점이 있다.

즉, 핑거 터치와 스타일러스 펜 터치에 대해 별도의 다른 패널을 둔 구성 대비 입력 시스템의 제작 비용 절감이 가능하며, 공정의 간소화가 가능하다. 또한, 입력 시스템으로서 얇은 센서 패널의 구현이 가능하다.

스타일러스 펜 내의 코일 구성을 서로 나누어 1, 2차 코일로 구성하고, 각각의 코일이 감싸여진 제 1, 제 2 코어를 서로 이격하여 직렬 구성하고 그 사이에 신축성 물질을 끼움으로써, 필압이 변화에 따라 상기 신축성 물질의 두께가 변화하게 한다. 이로써, 필압이 변화하면, 1, 2차 코일간 간격 변화가 나타나 필압 변화에 따른 1, 2차 코일간의 상호 인덕턴스가 변화하여 스타일러스 펜의 터치시 필압에 따른 글씨 굵기 조절이 가능하다.

그리고, 스타일러스 펜 내부 공진 회로와 센서 패널의 안테나 루프간 자기장 신호전달 작용으로 터치 검출이 가능하여, 스타일러스 펜 내 배터리를 요구되지 않아, 별도의 전원이 요구되는 액티브 스타일러스 펜 대비 제작 비용이 감소된다. 또한, 가볍고 크기가 작은 스타일러스 펜 구현이 가능하다.

또한, 스타일러스 펜 터치와 핑거 터치를 다른 구동 방식에 의해 서로 구분하여 센싱할 수 있어, 스타일러스 펜 터치시 팜 리젝션이 용이하며, 이에 의한 터치 감도의 정확성이 향상된다.

그리고, 정전 용량 방식에서 이용하는 서로 교차된 전극간 상호 정전 용량(ΔCm)이 아닌 스타일러스 펜과 하나의 전극 사이에서 발생된 센싱 정전 용량(Csx)를 터치 검출에 이용하는 것으로, 보다 값이 큰 센싱 정전 용량을 스타일러스 펜 터치 검출에 이용하는 것으로, 감도 향상이 기대된다.

한편, 센서 패널 내 전극들(채널들)에 인가하는 구동 신호에 동기하여 스타일러스 펜 내부 공진 회로의 주파수 신호가 정해지므로, 별도로 필압 또는 특수 버튼의 눌림 여부 적용도 용이할 수 있다.

또한, 스타일러스 펜에 의한 터치 검출에 이용되는 안테나 루프를 서로 교차하는 전극이 형성된 액티브 영역에서 이격하여 감도가 떨어지는 에지 영역보다 바깥쪽에 안테나 루프를 위치시킴으로써, 스타일러스 펜의 감도를 영역에 관계없이 동등하게 유지할 수 있다.

한편, 이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100: 스타일러스 펜 101: 전도성 팁
103, 107: 절연막 110: 공진 캐패시터
120: 2차 코일 130: 스위치
135a: 제 1 코어 135b: 제 2 코어
140: 1차 코일 155: 신축성 물질
200: 터치 센서 201: 센서 패널
250: 센싱 캐패시터 300: 터치 컨트롤러
305: 구동 신호 발생부 310: 증폭기
320: 필터부 330: 컨버터
340: 신호 처리부 410: 안테나 루프
500: 스타일러스 접지부 510: 접지부 캐패시터

Claims

서로 교차하는 복수개의 제 1 채널 및 제 2 채널을 갖는 센서 패널;
서로 나뉘어진 제 1 코어 및 제 2 코어와, 상기 제 1, 제 2 코어에 각각 감긴 1차 코일 및 2차 코일과, 상기 제 1 코어 및 제 2 코어 사이의 신축성 물질과, 상기 2차 코일과 직렬 연결된 공진 캐패시터 및 스위치와, 상기 1차 코일과 연결된 전도성 팁을 포함하는 스타일러스 펜;
상기 스타일러스 펜과 연결된 접지부;
상기 센서 패널 외곽에 형성된 안테나 루프; 및
상기 제 1 채널 및 제 2 채널과, 상기 안테나 루프와 연결된 터치 컨트롤러를 포함하여 이루어지며,
상기 스타일러스 펜이 상기 센서 패널 면을 가압할 때, 가압에 따른 압력이 늘수록 상기 신축성 물질의 두께가 줄어들어 상기 1차 코일과 2차 코일간 간격이 줄어드는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 제 1 코어 및 제 2 코어는 페라이트(ferrite)로 이루어진 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 코어 및 제 2 코어 중 적어도 어느 하나에 상기 신축성 물질과 대응되는 표면에 요부 및 철부를 구비하여, 상기 요부 내에 상기 신축성 물질이 끼워진 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 신축성 물질은 상기 철부에 대응하여 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 신축성 물질의 평면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 스타일러스 펜은, 상기 1차 코일과 2차 코일이 각각 감긴 상기 제 1 코어 및 제 2 코어를, 사이에 상기 신축성 물질을 끼워 직렬로 내부에 포함하며, 상기 전도성 팁이 상기 제 2 코어의 하측에서, 일부 돌출되는 홀을 갖는 도전성 몸체를 갖는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 제 1 코어는 상기 전도성 팁의 반대편 측의 도전성 몸체 내에 고정된 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 8항에 있어서,
상기 스타일러스 펜이 상기 센서 패널 면을 가압할 때, 가압에 따라 상기 도전성 몸체가 상기 센서 패널 면과 가까워지는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 도전성 몸체는 상기 접지부와 연결된 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 스위치는 탄성 소재이며, 상기 전도성 팁과는 절연되어, 상기 전도성 팁에 가해지는 압력에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 스위치는 2차 코일과 연결되며, 상기 제 2 코어와 절연된 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 12항에 있어서,
상기 1차 코일의 일단은 상기 전도성 팁에, 타단은 상기 도전성 몸체에 연결된 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 13항에 있어서,
상기 안테나 루프는 상기 스타일러스 펜의 상기 센서 패널 면 터치시 상기 스타일러스 펜 내 2차 코일로부터 공진된 인덕턴스 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 14항에 있어서,
상기 안테나 루프는 상기 센서 패널의 외곽을 둘러싸도록 형성되며, 양단에 각각 패드가 구비되어 상기 터치 컨트롤러에 연결된 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 접지부는 상기 도전성 몸체와 접하는 사용자 또는 상기 도전성 몸체와 상기 센서 패널과의 사이에 연결된 와이어인 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 터치 컨트롤러는
상기 안테나 루프와 연결되어, 상기 안테나 루프 양단에 수신된 전압 차를 증폭하는 증폭기;
상기 증폭기와 연결되어 노이즈를 제거하는 필터부;
상기 필터부와 연결되어 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 컨버터;
상기 컨버터와 연결되어 디지털 신호를 수집하여 좌표를 추출하는 신호 처리부; 및
상기 센서 패널 내 각 채널에 인가하는 신호를 발생하는 구동 신호 발생부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 17항에 있어서,
상기 센서 패널 면에 스타일러스 펜이 터치할 때, 상기 스위치가 닫히고, 상기 2차 코일 및 공진 캐패시터가 폐회로를 이루는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.
제 18항에 있어서,
상기 구동 신호 발생부에서 각 채널로 인가하는 신호는 상기 폐회로 내 공진 주파수와 동일한 주파수로 구형파 또는 정현파를 인가하는 것을 특징으로 하는 입력 시스템.