KR101573521B1 - 필압의 감지가 가능한 터치 펜 - Google Patents

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Abstract

필압의 감지가 가능한 터치 펜이 개시된다. 본 발명의 터치 펜은 하우징, 상기 하우징의 일단으로 돌출되는 닙 및 상기 닙에 가해지는 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 필압 센서를 포함한다.

Description

필압의 감지가 가능한 터치 펜{TOUCH PEN DETECTING PRESSURE}
본 발명은 필압의 감지가 가능한 터치 펜에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필압에 따라 커패시턴스가 변화되는 정전식 터치 펜에 관한 것이다.
최근 터치 패널이 장착되어 터치에 의해 위치를 지시할 수 있는 기능을 가지는 전자 장치가 널리 사용되고 있다. 특히, 스마트폰 또는 태블릿 컴퓨터 등 모바일 전자 장치의 보급에 따라 터치 스크린 패널이 널리 사용되고 있다.
최근의 모바일 전자 장치에는 커패시턴스의 변화를 통해 위치를 감지하는 정전식 터치 방식이 많이 사용된다. 정전식 터치 방식은 반응 속도가 빠르며, 비교적 정확하다는 장점이 있다. 그러나 종래의 정전식 터치 방식은 터치의 필압 또는 기타 보조적인 신호를 감지하지 못한다는 단점이 있다.
반면에 회로 소자에서 발생하는 전자기파 신호를 이용하는 EMR방식은 정확하게 위치를 감지하면서도, 필압과 보조적인 신호를 감지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 패널의 가격이 비싸며, 반드시 회로 구조가 구현된 위치지시기 펜이 사용되어야 한다는 단점이 있다.
이에 종래의 경우, 인체의 일부(예를 들면, 손가락)를 사용한 터치가 가능하면서, 필압과 보조적인 신호를 감지할 수 있는 터치 펜을 사용하기 위해서는 정전식 터치 패널과 EMR패널이 함께 장착되어야 했다. 따라서 구조가 복잡해지고, 가격이 비싼 문제점이 있었다.
따라서 정전식 터치 방식에서도 필압 및 보조적인 신호를 감지할 수 있는 구조 및 이를 구현하는 터치 펜에 대한 요구가 있어 왔다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 정전식 방식에서도 필압을 감지할 수 있는 터치 펜을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 간단한 구조로 정확한 필압을 감지할 수 있는 필압 센서를 포함하는 터치 펜을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 정전식 방식에서도 스위치의 조작을 인식할 수 있는 터치 펜을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 필압의 감지가 가능한 터치 펜은, 하우징, 상기 하우징의 일단으로 돌출되는 닙 및 상기 닙에 가해지는 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 필압 센서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 필압 센서는, 필압의 변화에 의해 유전체의 일면과 접촉하는 전극의 면적이 변함에 따라 형성되는 커패시턴스가 변화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 필압 센서는, 일면과 상기 일면의 반대면을 가지는 유전체, 상기 일면에 형성되는 제1 전극, 상기 일면에서 상기 반대면까지 연장되는 제2 전극 및 상기 반대면에 형성되는 제3 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 닙에 제1 단계의 필압이 가해지면, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극과 접촉하여 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결시키는 도전성 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 부재는 상기 닙과 결합되어 동일한 방향으로 움직일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 부재는 가요성 재질로 형성되고, 상기 닙에 가해지는 필압에 따라 상기 유전체의 반대면과 접촉하는 면적이 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 부재는 도전성 고무일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 닙에 상기 제1 단계의 필압보다 큰 제2 단계의 필압이 가해지면, 상기 도전성 부재는 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결시킨 상태에서, 상기 반대면과 접촉하는 면적이 증가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도전성 부재와 상기 닙은 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 상기 반대면 상에서 서로 이격될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극의 적어도 일부 및 상기 제3 전극은 제1 전극과 상기 유전체를 사이에 두고 대향할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극은, 상기 일면, 상기 일면과 상기 반대면을 연결하는 측면 및 상기 반대면에 걸쳐 형성되는 연결부 및 상기 연결부보다 작은 폭을 가지고, 상기 연결부 중 상기 반대면에 형성된 일단으로부터 상기 제3 전극 부근까지 연장되는 소폭부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 닙에 제1 단계의 필압이 가해지면, 상기 소폭부의 일단과 상기 제3 전극과 접촉하여 상기 소폭부와 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 도전성 부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 접지를 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 접지와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극은 상기 닙과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 필압 센서와 병렬로 연결되는 적어도 하나의 보조 커패시터 및 상기 보조 커패티서와 상기 필압 센서 사이에 배치되어 상기 보조 커패시터와 상기 필압 센서의 전기적 연결을 선택적으로 제어하는 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 접지를 더 포함하고, 상기 보조 커패시터의 일단은 상기 접지와 전기적으로 연결되고, 타단은 상기 닙과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보조 커패시터의 커패시턴스는 상기 필압 센서의 커패시턴스 변화량의 최대치보다 클 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 접지를 더 포함하고, 상기 접지는 상기 하우징과 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 터치 펜은 하우징, 상기 하우징의 일단으로 돌출되는 닙 및 일단은 상기 닙과 전기적으로 연결되고, 타단은 접지와 연결되며, 스위치에 의해 상기 닙과의 전기적 연결이 선택적으로 제어되는 커패시터를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜은 정전식 방식에서도 필압을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 필압의 감지가 가능한 터치 펜이 포함하는 필압 센서는 간단한 구조로 정확한 필압을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 필압의 감지가 가능한 터치 펜은 정전식 방식에서도 스위치의 조작을 인식할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 사용상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 내외부의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 필압 센서의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 필압 센서의 유전체 및 전극들을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 닙에 제1 단계의 필압이 가해진 상태를 나타낸 필압 센서의 단면도이다.
도 6은 닙에 제2 단계의 필압이 가해진 상태를 나타낸 필압 센서의 단면도이다.
도 7은 필압의 변화에 따른 필압 센서의 커패시턴스를 나타낸 그래프이다.
도 8은 터치 펜의 소자들의 전기적 연결 구조를 설명하기 위한 회로도이다.
도 9는 터치 펜의 커패시턴스의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10(a) 및 도 10(b)은 터치 펜의 커패시턴스 변화와 터치 패널에서의 변화를 설명하기 위한 터치 펜과 터치 패널의 개략적인 도면이다.
도 11(a)는 터치 커패시턴스만 있는 경우의 터치 패널의 변화를 개략적으로 도시한 것이고, 도 11(b)는 터치 커패시턴스에 필압 커패시턴스와 보조 커패시턴스가 추가된 경우의 터치 패널의 변화를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하는데 있어서, 해당 분야에 이미 공지된 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명을 부가하는 것이 본 발명의 요지를 불분명하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명에서 이를 일부 생략하도록 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 실시예들을 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 해당 분야의 관련된 사람 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 결합된다고 언급되는 것은 상기 두 구성요소가 직접적으로 결합되는 것뿐만 아니라 상기 두 구성요소 사이에 다른 매개체를 통해서 결합된다는 것을 포함한다. 또한, 어떤 소자가 다른 소자와 전기적으로 연결된다고 언급되는 것은 상기 두 소자가 직접적으로 연결되는 것뿐만 아니라 상기 두 소자 사이에 다른 도전성 매개체를 통해서 연결되는 것을 포함한다.
또한, 첨부한 도면들에 있어서, 구성요소들은 내용의 효과적인 설명을 위해 일부 과장된 것이 있음을 유의하여야 한다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 첨부한 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 사용상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 필압의 감지가 가능한 터치 펜(100)은 터치 입력을 인식할 수 있는 터치 패널(200)이 포함된 전자 장치와 함께 사용될 수 있다. 구체적으로, 터치 스크린 패널(200)이 장착된 전자 장치, 특히 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 및 랩톱 컴퓨터 등과 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 터치 펜(100)은 터치 패널(200)의 표면에 접촉되어 터치 패널(200) 상의 위치를 지시할 수 있다. 본 명세서 전체에서 터치 펜(100)이 터치 패널(200)의 표면에 접촉된다는 기재는 터치 펜(100)이 터치 패널(200)의 표면에 직접 접촉된 것뿐만 아니라 터치 펜(100)이 터치 패널(200)의 표면과 매우 근접하게 위치하는 것도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 내외부의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 터치 펜(100)은 하우징(110), 닙(120), 필압 센서(130), 보조 커패시터(140), 스위치(150) 및 접지(170)를 포함한다.
하우징(110)은 닙(120)의 일부, 필압 센서(130) 및 보조 커패시터(140) 등을 수용할 수 있다. 하우징(110)은 소자들을 수용할 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있다.
구체적으로 하우징(110)은 내부 공간에 회로 기판(160)을 수용할 수 있다. 하우징(110)의 내부 공간을 이루는 내측면은 회로 기판(160)과 결합하여 고정시킬 수 있는 결합 부재를 구비할 수 있다.
회로 기판(160)에는 필압 센서(130), 보조 커패시터(140) 및 스위치(150) 등이 실장될 수 있다. 또한, 회로 기판(160)에는 실장된 소자들을 전기적으로 연결시킬 수 있는 회로 패턴이 형성되어 있을 수 있다. 또한, 회로 기판(160)의 일 영역에 접지(170)가 형성될 수 있다.
예를 들어, 회로 기판(160)의 일면에 필압 센서(130) 및 보조 커패시터(140) 등의 소자들과 소자들을 연결하는 회로 패턴이 형성되고, 타면에는 접지(170)가 형성되어 있을 수 있다.
하우징(110)은 펜과 같은 형태로 형성되어, 일단에 외부와 내부 공간을 연통하는 개구가 형성될 수 있다. 하우징(110)은 개구가 형성된 일단으로 갈수록 직경이 감소되는 형태로 형성될 수 있다. 이 개구를 통해 닙(120)이 하우징(110)의 내부 공간에서 외부로 돌출된다.
하우징(110)의 측면에는 스위치(150)가 결합될 수 있다. 구체적으로, 하우징(110)의 측면에는 스위치(150)가 결합될 수 있는 개구가 형성될 수 있다. 이 개구를 통해 스위치(150)가 삽입되어 하우징(110) 내부에 수용된 회로와 연결될 수 있다.
하우징(110)의 외측에는 설계자의 선택에 따라 미끄럼 등을 방지할 수 있는 돌기와 같은 구조가 형성되어 있을 수 있다. 하우징(110)은 플라스틱 계열의 재질 또는 금속 재질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
닙(nib)(120)은 본 발명의 터치 펜(100)이 사용될 때, 터치 패널과 직접 접촉한다. 닙(120)은 하우징(110)의 내부 공간과 외부 공간에 걸쳐서 배치된다. 구체적으로 닙(120)의 하우징(110)의 일단에 형성된 개구를 통해 외부로 돌출되는데, 닙(120)의 일단은 외부로 돌출되어 터치 패널과 직접 접촉하고, 타단은 하우징(110)의 내부 공간에 배치되어 다른 구성 요소와 결합한다.
닙(120)의 일단은 도전성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 터치 펜과 함께 사용되는 전자 장치의 터치 패널은 정전식 터치 방식일 수 있다. 정전식 터치 방식은 터치 패널의 표면에 가깝게 위치하거나 접촉하는 물체와 터치 패널의 센서와의 사이에 형성되는 커패시턴스의 변화에 의해 위치를 감지한다.
또한, 닙(120)의 일단은 소정의 표면적을 가지도록, 가요성 재질로 형성되어 터치 패널과 접촉 시에 소정의 표면적을 형성하는 것이 바람직하다. 터치 패널의 센서와의 사이에 커패시턴스가 형성되기 위해서는 터치 패널의 센서와 대향하는 면적이 소정의 면적 이상이 되어야 하기 때문이다. 닙(120)은 예를 들어, 도전성 고무 또는 도전성의 가요성 플라스틱으로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 필압 센서의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 필압 센서의 유전체 및 전극들을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 필압 센서(130)는 유전체(134), 제1 전극(131), 제2 전극(132), 제3 전극(133) 및 도전성 부재(135)를 포함한다.
필압 센서(130)는 가해지는 필압에 따라 커패시턴스가 변화한다. 구체적으로, 필압이 증가할수록 커패시턴스가 증가한다. 커패시턴스는 아래와 같은 관계에 의해 정해진다.
Figure 112014019531761-pat00001
(C: 커패시턴스, ε: 유전체의 비유전율, A: 전극의 면적, d: 전극 사이 거리)
본 발명의 필압 센서(130)는 비유전율(ε) 및 유전체(134) 두께(d)는 변하지 않고, 전극의 면적(A)이 변함에 따라 커패시턴스(C)가 변화한다.
유전체(134)는 일면(134-a), 일면과 대향하는 반대면(134-b), 일면과 반대면을 연결하는 측면(134-c)을 가진다. 일면(134-a)과 반대면(134-b)은 서로 수평하게 형성되는 것이 바람직하다. 유전체(134)는 육면체 형태 또는 원통 형태로 형성될 수 있다.
유전체(134)가 하우징(110) 내부에 결합되는 경우, 유전체(134)의 일면(134-a)은 닙(120)의 반대 방향을 향하고, 반대면(134-b)은 닙(120)과 대향할 수 있다.
유전체(134)의 표면에는 제1, 제2, 제3 전극(131, 132, 133)이 형성된다.
제1 전극(131)은 유전체(134)의 일면(134-a)에 형성된다. 구체적으로 제1 전극(131)은 유전체(134)의 일면(134-a) 중 일측에 해당하는 일부분에 형성될 수 있다. 제2 전극(132)은 유전체(134)의 일면에서 반대면(134-b)까지 연장된다. 제3 전극(133)은 유전체(134)의 반대면(134-b)에 형성된다.
제2 전극(132)은 형성된 유전체(134) 상의 위치에 따라 구분되는 일면 부분(132-a), 측면 부분(132-c) 및 반대면 부분(132-b)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 전극(132)의 일면 부분(132-a)은 유전체(134)의 일면(134-a) 중 제1 전극(131)이 형성된 일면 중 일측의 반대측에 형성된다. 유전체(134)의 일면(134-a) 상에서 제1 전극(131)과 제2 전극(132)은 서로 이격된다. 제2 전극(132)의 측면 부분(132-c)은 제2 전극(132)의 일면 부분(132-a) 중 유전체(134)의 측면(134-c)과 맞닿는 부분에서 연장되어 유전체(134)의 반대면(134-b)과 맞닿는 부분까지 연장된다. 제2 전극(132)의 반대면 부분(132-b)은 제2 전극(132)의 측면 부분(132-c) 중 유전체(134)의 반대면(134-b)과 맞닿는 부분에서 연장된다.
특히 도 4를 참조하면, 제2 전극(132) 중 반대면 부분(132-b)은 다른 부분보다 작은 폭을 가지고, 제3 전극(133) 부근까지 연장되는 소폭부(132-b’)를 포함한다.
제2 전극(132)은 연결부와 소폭부(132-b’)로 구분될 수 있다. 연결부는 유전체(134)의 일면(134-a), 측면(134-c) 및 일면의 반대면(134-b)에 결처 형성된다. 소폭부(132-b’)는 유전체(134)의 반대면에 형성된다. 소폭부(132-b’)는 연결부보다 작은 폭을 가지고, 연결부 중 유전체(134)의 반대면(134-b)에 형성된 일단으로부터 제3 전극(133) 부근까지 연장된다.
제2 전극(132)과 제3 전극(133)은 유전체(134)의 반대면(134-b) 상에서 서로 이격되어 형성된다. 구체적으로, 제2 전극(132)의 소폭부(132-b’)의 일단과 제3 전극(133) 사이에 이격 부분이 형성된다. 소폭부(132-b’)의 일단과 제3 전극(133)은 다양한 형상을 가질 수 있고, 이에 따라 이격 부분의 모양이 결정될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제2 전극(132) 및 제3 전극(133)의 적어도 일부는 제1 전극(131)과 유전체(134)를 사이에 두고 대향한다. 구체적으로 제2 전극(132)의 소폭부(132-b’)와 제3 전극(133)이 제1 전극(131)과 대향할 수 있다.
제1 전극(131)은 접지(170)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(132) 및 제3 전극(133)은 터치 펜(100)에 필압이 가해지는 경우 닙(120)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 터치 펜(100)에 필압이 가해지는 경우 제1 전극(131), 제2 전극(132) 및 제3 전극(133) 사이에서 커패시턴스가 형성된다.
도 3을 참조하면, 도전성 부재(135)는 일단이 유전체(134)의 반대면(134-b)과 대향하고, 타단은 닙(120)을 향하도록 배치된다. 도전성 부재(135)의 타단은 닙(120)과 결합될 수 있다. 도전성 부재(135)는 직접 닙(120)과 결합 될 수도 있고, 별도의 결합 부재를 매개로 하여 결합될 수 있다. 또한, 닙(120)과 도전성 부재(135)가 일체로서 형성될 수도 있다. 이에 따라 도전성 부재(135)는 닙(120)과 동일한 방향으로 움직일 수 있다. 도전성 부재(135)와 닙(120)은 전기적으로 연결될 수 있다.
닙(120)에 필압이 가해지면 닙(120)이 하우징(110)의 내측 방향으로 움직이고. 닙(120)과 결합된 도전성 부재(135)도 동일한 방향으로 움직인다. 이에 따라 도전성 부재(135)의 일단은 유전체(134)의 반대면에 가까워지면서 유전체(134)의 반대면(134-b)과 접촉할 수 있다.
도전성 부재(135)는 가요성 재질로 형성될 수 있다. 도전성 부재(135)는 예를 들어, 도전성 고무 또는 도전성의 가요 플라스틱 등으로 형성될 수 있다. 이에 따라 도전성 부재(135)의 일단은 유전체(134)의 반대면(134-b)과 접촉된 상태에서 추가적으로 가해지는 필압에 의해 형상이 변화할 수 있다. 구체적으로 필압이 증가함에 따라 도전성 부재(135)의 일단과 유전체(134)의 반대면 사이의 접촉 면적이 증가한다.
도 5는 닙(120)에 제1 단계의 필압이 가해진 상태를 나타낸 필압 센서(130)의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 닙(120)에 제1 단계의 필압이 가해지면, 도전성 부재(135)는 유전체(134)의 반대면의 제2 전극(132) 및 제3 전극(133)과 접촉한다. 구체적으로 제2 전극(132)의 소폭부(132-b’)의 일단과 제3 전극(133)과 접촉한다. 이에 따라 제2 전극(132) 및 제3 전극(133)이 전기적으로 연결된다. 이와 같이, 최초로 제2 전극(132)과 제3 전극(133)이 전기적으로 연결되는 상태를 최초 접촉 상태라고 한다.
이러한 상태에서, 제1 전극(131)과 제1 전극(131)과 대향하는 제2 전극(132), 제3 전극(133) 및 도전성 부재(135)의 반대면 접촉부(제2 전극(132) 및 제3 전극(133)과 오버랩되는 부분은 제외) 사이에서 커패시턴스가 형성된다. 이는 초기 상태보다 커패시턴스가 형성되는 전극의 면적이 급격하게 증가하는 것이다. 구체적으로, 도전성 부재(135)의 반대면 접촉부(제2 전극(132) 및 제3 전극(133)과 오버랩되는 부분은 제외)와 제3 전극(133)의 크기만큼 전극의 면적이 증가한다. 결과적으로, 상술한 전극의 면적의 증가에 비례하여 형성되는 커패시턴스가 증가한다. 이를 통해 필압 센서(130)는 닙(120)에 가해진 필압을 측정할 수 있다.
도 6은 닙(120)에 제2 단계의 필압이 가해진 상태를 나타낸 필압 센서(130)의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 닙(120)에 제1 단계의 필압보다 큰 제2 단계의 필압이 가해지면, 도전성 부재(135)는 더욱 큰 외력을 받는다. 이에 따라 도전성 부재(135)의 일단과 유전체(134)의 반대면(134-b) 사이의 접촉 면적이 증가한다. 이러한 상황에서도 도전성 부재(135)가 제2 전극(132)과 제3 전극(133)을 전기적으로 연결시키는 것은 유지된다. 제2 단계의 필압이 가해진 상태에서는 제1 단계의 필압이 가해진 상태보다, 도전성 부재(135)의 일단의 접촉 면적 증가분에 해당하는 만큼 전극의 면적이 증가한다. 결과적으로, 상술한 전극의 면적의 증가에 비례하여 형성되는 커패시턴스가 증가한다.
도 7은 필압의 변화에 따른 필압 센서(130)의 커패시턴스를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 초기 상태에서 제1 단계의 필압이 가해져 최초 접촉 상태로 변하는 경우에는 필압의 변화 대비 커패시턴스의 변화량이 크다. 그러나 제1 단계의 필압이 가해진 상태에서 제2 단계의 필압이 가해지는 경우에는 상대적으로 필압의 변화 대비 커패시턴스의 변화량이 작다. 이는 초기 상태에서 최초 접촉 상태로 변하는 경우에는 제3 전극(133)의 면적만큼 전극의 면적이 급격하게 변하기 때문이다. 이에 따라 최초 접촉 상태를 정확하게 감지할 수 있다.
본 발명의 필압 센서(130)는 측정 가능한 필압 범위를 가진다. 측정 가능한 최대치의 필압이 가해지면, 도전성 부재(135)의 형태 변화가 최대치에 이르게 된다. 이에 따라 도전성 부재(135)의 일단과 유전체(134)의 반대면 사이의 접촉 면적도 최대치에 이르고, 추가로 증가하지 않는다.
도 8은 터치 펜의 소자들의 전기적 연결 구조를 설명하기 위한 회로도이다. 회로도는 터치 펜에 대응하는 등가 회로를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 보조 커패시턴스는 필압 센서(130)와 병렬로 연결될 수 있다. 구체적으로, 보조 커패시터(140)의 일단은 접지(170)와 전기적으로 연결되고, 타단은 닙(120)과 전기적으로 연결된다.
보조 커패시터(140)는 필압 센서(130)와의 사이에 배치되는 스위치(150)에 의해 필압 센서(130)와의 전기적인 연결이 선택적으로 제어될 수 있다. 구체적으로, 스위치(150)가 단락(short)된 경우에는 보조 커패시터(140)는 필압 센서(130)와 병렬로 연결된다. 스위치(150)가 개방(open)된 경우에는 보조 커패시터(140)와 필압 센서(130)의 병렬 연결은 끊어진다. 스위치(150)의 조작부는 하우징(110)의 외부에 노출되어, 본 발명의 터치 펜의 사용자가 자신의 의도에 따라 조작할 수 있다.
보조 커패시터(140)와 스위치(150)는 하우징(110) 내부에 수용된 회로 기판(160) 상에 실장될 수 있다. 또한, 보조 커패시터(140)와 스위치(150)는 하나 이상 포함될 수 있다.
터치 펜(100)에서, 닙(120)이 터치 패널(200)에 가까이 위치하거나 접촉하는 것에 의해 생성되는 터치 커패시턴스(Ctouch), 필압 센서(130)에 의해 생성되는 필압 커패시턴스(Cpressure) 및 스위치(150)의 조작에 의해 형성되는 보조 커패시턴스(Cswitch)가 각각 서로 병렬로 연결된다. 스위치(150)는 필압 센서(130)와 보조 커패시터(140) 사이에 위치하여 보조 커패시터(140)의 전기적인 연결을 선택적으로 제어한다.
터치 펜(100) 전체의 커패시턴스(Ctotal)는 터치 커패시턴스(Ctouch), 필압 커패시턴스(Cpressure) 및 보조 커패시턴스(Cswitch)의 합성 커패시턴스로 결정된다. 터치 펜 전체의 합성 커패시턴스는 아래와 같은 수식에 의해 결정된다.
Figure 112014019531761-pat00002
상기 수식에 따르면, 터치 펜(100) 전체의 커패시턴스(Ctotal)는 필압 센서 커패시턴스(Cpressure) 및 보조 커패시턴스(Cswitch)의 커패시턴스가 증가하면, 커패시턴스 증가분만큼 증가한다.
도 9는 터치 펜의 커패시턴스의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)는 닙(120)의 터치 여부, 가해지는 필압 및 스위치(150)의 개폐 여부에 따라 결정된다. 따라서 본 발명의 터치 펜(100)은 닙(120)의 터치 여부, 사용자가 가하는 필압 및 스위치(150)의 조작에 의해 커패시턴스(Ctotal)가 변할 수 있다.
터치 펜(100)의 닙(120)이 터치 패널(200)과 직접 접촉되지는 않고, 매우 근접하게 위치하는 경우에도 터치 펜(100)에 커패시턴스(Ctotal)가 형성될 수 있다. 이는 유전체층과 일부 공기층을 사이에 둔 닙(120)과 터치 패널(200) 사이에서 형성되는 커패시턴스이다. 이러한 터치 펜(100)의 미접촉 근접 상태를 호버링(hovering) 상태로 정의할 수 있다. 호버링 상태에서의 터치 펜의 커패시턴스(Ctotal) 변화를 이용하여 터치 펜(100)의 부가적인 조작 방법을 구현할 수 있다.
터치 펜(100)의 닙(120)이 터치 패널(200)과 직접 접촉되고, 필압 센서(130)에서 인식하는 최소 필압(상술한 제1 단계의 필압에 해당)보다 작은 필압이 가해지면 터치 펜의 커패시턴스(Ctotal)에는 터치 커패시턴스(Ctouch)만 존재한다.
최소 접촉 상태는 터치 펜(100)의 닙(120)이 터치 패널(200)과 직접 접촉되고, 필압 센서(130)에 최소 필압(제1 단계의 필압)이 가해진 경우이다. 이러한 경우, 터치 펜의 커패시턴스(Ctotal)는 터치 커패시턴스(Ctouch)에 필압 커패시턴스(Cpressure)가 부가된다.
터치 펜(100)에 최소 필압 이상의 필압이 가해지면 터치 펜(100)은 가압 상태에 해당한다. 가압 상태에서는 필압 커패시턴스(Cpressure)가 형성된다. 필압 커패시턴스(Cpressure)는 닙(120)에 가해지는 필압에 따라 변화한다. 가해지는 필압이 증가함에 따라 필압 커패시턴스(Cpressure)가 증가하고, 터치 펜(100)의 커패시턴스 (Ctotal) 도 증가한다.
보조 커패시터(140)의 커패시턴스(Cswitch)는 스위치(150)의 조작에 따라 전체 회로의 연결이 결정된다. 스위치(150)가 단락되어 보조 커패시터(140)가 회로에 연결되면 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)는 증가하고, 개방되어 보조 커패시턴스(Cswitch)가 회로에서 분리되면 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)는 감소한다.
스위치(150)의 조작에 의해 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)를 증가시키는 보조 커패시턴스(Cswitch)는 필압 커패시턴스(Cpressure)의 최대치보다 큰 것이 바람직하다. 이는 본 발명의 터치 펜(100)이 필압의 크기와 스위치(150)의 조작 여부를 동시에 감지하기 위함이다.
만약에 보조 커패시턴스(Cswitch)가 필압 커패시턴스의 최대치(Cpressure-max)보다 작을 경우, 스위치(150)가 개방된 상태에서의 강한 필압 상태와 스위치(150)가 단락된 상태에서의 약한 필압 상태의 터치 펜(100)의 커패시턴스가 동일할 수 있다. 이러한 경우 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)를 통해 필압과 스위치(150)의 조작 여부를 동시에 감지하는 것이 어려울 수 있다.
보조 커패시턴스(Cswitch)가 필압 커패시턴스의 최대치(Cpressure-max)보다 크다면 스위치(150)가 개방된 상태에서 최대치의 필압이 가해져 필압 커패시턴스(Cpressure)가 가장 커진 경우보다 스위치(150)가 단락된 상태에서 최소치의 필압이 가해져 필압 커패시턴스(Cpressure)가 가장 작아진 경우의 합성 커패시턴스(Ctotal)가 커지게 된다. 따라서 이러한 경우 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)를 통해 필압과 스위치(150)의 조작 여부를 동시에 감지할 수 있다.
도 10(a) 및 도 10(b)은 터치 펜의 커패시턴스 변화와 터치 패널에서의 변화를 설명하기 위한 터치 펜과 터치 패널의 개략적인 도면이다.
도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 정전식 터치 패널은 커패시턴스의 변화를 인식하여 접촉 위치를 파악한다. 터치 펜(100)은 터치 패널(200)의 표면에 접촉되어 터치 패널(200)의 커패시턴스 변화를 유도한다. 터치 패널 컨트롤러는 상기 터치 패널(200)의 커패시턴스(Ctotal) 변화를 감지하여 터치 패널(200) 상의 터치 펜(100)의 접촉 위치를 파악한다.
이 때, 접촉된 터치 펜(100)의 합성 커패시턴스(Ctotal)가 변화하면 터치 패널(200)의 커패시턴스 변화량의 변화가 유도될 수 있다.
구체적으로, 터치 패널(200)은 구동 전극(210)과 감지 전극(220) 사이의 상호 커패시턴스(Cmutual)의 변화량을 감지하여 접촉 위치를 파악한다. 이러한 경우, 터치 펜(100)이 터치 패널(200)의 표면에 접촉하면 상호 커패시턴스(Cmutual)는 감소한다. 터치 펜(100)의 압력 센서(130) 또는 보조 커패시터(140)에 의해 터치 펜(100)의 커패시턴스(Ctotal)가 증가하면, 상호 커패시턴스(Cmutual)의 감소량은 증가한다.
도 11(a)는 터치 커패시턴스만 있는 경우의 터치 패널의 변화를 개략적으로 도시한 것이고, 도 11(b)는 터치 커패시턴스에 필압 커패시턴스와 보조 커패시턴스가 추가된 경우의 터치 패널의 변화를 개략적으로 도시한 것이다.
통상적으로, 터치 패널 컨트롤러는 상호 커패시턴스(Cmutual)의 변화량을 전압의 변화를 통해 감지한다. 도 11(a)에 비해 도 11(b)는 추가된 필압 커패시턴스(Cpressure) 및 보조 커패시턴스(Cswitch)에 의해 상호 커패시턴스(Cmutual)에 분배되는 전압이 감소한다. 결과적으로 터치 컨트롤러는 상호 커패시턴스(Cmutual)가 감소되는 것으로 인식할 수 있다.
터치 패널은 자기 커패시턴스의 변화량을 감지하여 접촉 위치를 파악할 수도 있다. 통상적으로 자기 커패시턴스의 변화량을 감지하는 경우에는 터치 펜의 접촉이 이루어진 경우 자기 커패시턴스가 증가한다. 이 때, 터치 펜의 압력 센서(130) 또는 보조 커패시턴스에 의해 터치 펜의 커패시턴스가 증가하면, 자기 커패시턴스의 증가량은 증가한다.
터치 패널(200)이 터치 펜(100)의 접촉 위치를 파악하는 것은 상술한 것에 한정되지 않는다. 터치 펜(100)의 합성 커패시턴스(Ctotal) 변화에 따라 터치 패널(200)의 커패시턴스 변화량이 변화하는 것은 모든 정전식 터치 패널에 적용될 수 있을 것이다.
이와 같이, 정전식 터치 패널은 터치 펜(100)의 합성 커패시턴스(Ctotal) 변화를 인식할 수 있다. 이를 통해, 터치 펜(100)에 가해지는 압력 및 스위치(150)의 작동 여부를 인식할 수 있다.
이상, 본 발명의 필압의 감지가 가능한 터치 펜의 실시예들에 대해 설명하였다. 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 관점에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 본 명세서의 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 터치 펜 110 : 하우징
120 : 닙 130 : 압력 센서
131 : 제1 전극 132 : 제2 전극
133 : 제3 전극 134 : 유전체
135 : 도전성 부재 140 : 보조 커패시터
150 : 스위치 160 : 기판
170 : 접지 200 : 터치 패널

Claims (20)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 일단으로 돌출되는 닙;
    상기 닙에 가해지는 압력에 따라 커패시턴스가 변화하는 필압 센서; 및
    도전성 부재를 포함하고,
    상기 필압 센서는,
    일면과 상기 일면의 반대면을 가지는 유전체, 상기 일면에 형성되는 제1 전극, 상기 일면에서 상기 반대면까지 연장되는 제2 전극, 및 상기 반대면에 형성되는 제3 전극을 포함하고,
    상기 도전성 부재는,
    상기 닙에 제1 단계의 필압이 가해지면, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극과 접촉하여 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결시키는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 상기 닙과 결합되어 동일한 방향으로 움직이는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 가요성 재질로 형성되고, 상기 닙에 가해지는 필압에 따라 상기 유전체의 반대면과 접촉하는 면적이 변하는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재는 도전성 고무인 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 닙에 상기 제1 단계의 필압보다 큰 제2 단계의 필압이 가해지면, 상기 도전성 부재는 상기 제2 전극과 상기 제3 전극을 전기적으로 연결시킨 상태에서, 상기 반대면과 접촉하는 면적이 증가하는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 도전성 부재와 상기 닙은 전기적으로 연결되는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 상기 반대면 상에서 서로 이격되어 형성되는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 적어도 일부 및 상기 제3 전극은 제1 전극과 상기 유전체를 사이에 두고 대향하는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은,
    상기 일면, 상기 일면과 상기 반대면을 연결하는 측면 및 상기 반대면에 걸쳐 형성되는 연결부; 및
    상기 연결부보다 작은 폭을 가지고, 상기 연결부 중 상기 반대면에 형성된 일단으로부터 상기 제3 전극 부근까지 연장되는 소폭부
    를 포함하는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 닙에 제1 단계의 필압이 가해지면, 상기 소폭부의 일단과 상기 제3 전극과 접촉하여 상기 소폭부와 상기 제3 전극을 전기적으로 연결하는 도전성 부재를 더 포함하는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  11. 제1 항에 있어서,
    접지를 더 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 접지와 전기적으로 연결되는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 닙과 전기적으로 연결되는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 필압 센서와 병렬로 연결되는 적어도 하나의 보조 커패시터; 및
    상기 보조 커패티서와 상기 필압 센서 사이에 배치되어 상기 보조 커패시터와 상기 필압 센서의 전기적 연결을 선택적으로 제어하는 스위치를 더 포함하는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  14. 제13 항에 있어서,
    접지를 더 포함하고,
    상기 보조 커패시터의 일단은 상기 접지와 전기적으로 연결되고, 타단은 상기 닙과 전기적으로 연결되는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 보조 커패시터의 커패시턴스는 상기 필압 센서의 커패시턴스 변화량의 최대치보다 큰 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
  16. 제1 항에 있어서,
    접지를 더 포함하고,
    상기 접지는 상기 하우징과 전기적으로 연결되는 필압의 감지가 가능한 터치 펜.
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  18. 삭제
  19. 삭제
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