KR101631996B1 - 스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기 - Google Patents

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    • G06F3/046—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by electromagnetic means

Abstract

본 발명은 스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동 단말기는, 복수의 터치 패널 전극이 구비된 터치패널 및 정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치패널과 전기 신호를 송수신하도록 형성되는 스타일러스 펜을 포함하고, 상기 스타일러스 펜은, 본체, 도체로 형성되며, 상기 본체의 외부로 돌출되어 상기 터치패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁 및 상기 본체 내에 구비되고, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며, 상기 터치 패널과의 사이에서 상기 정전 용량 커플링이 발생되도록 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 LC회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기{MOBILE TERMINAL COMPRISING A STYLUS PEN AND A TOUCH PANEL}
본 발명은 스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기에 관한 것으로, 보다 구체적으로 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 전기 신호를 송수신하는 것이 가능한 이동 단말기에 관한 것이다.
휴대폰이나 개인용 컴퓨터에서, 문자나 그림 등을 입력하는 수단으로 터치 패널이 사용되고 있다. 터치 패널은 손이나 스타일러스 펜의 터치를 감지하여 전기 신호로 바꾸는 신호 처리를 수행한다.
스타일러스 펜에 전자 회로가 내장되는 경우, 단순한 터치 입력뿐만 아니라 스타일러스 펜에서 전기 신호를 발생시켜 이미지의 일부를 선택하거나 드래그하는 등의 마우스 기능을 수행할 수 있다.
이와 같이, 스타일러스 펜에 전자 회로가 내장되어 있는 경우에는, 스타일러스 펜의 전자 회로를 작동시키기 위한 전력이 필요하게 된다. 일 예로, 스타일러스 펜에 배터리를 내장시켜 내장된 배터리로부터 전력을 공급 방법이 있다.
한편, 최근에는 휴대폰 본체에 전원 공급을 위한 별도의 전용 패널을 구비하고, 별도의 전용 패널에서 스타일러스 펜으로 필요한 전력을 무선으로 공급하는 방법이 사용되고 있다.
(특허문헌 1) JP 4866941 B
특허문헌 1에 개시된 전력 공급 기술은 스마트 폰에서 LCD 모듈(3) 아래에 배치되는 별도의 송전 장치(4)에 의하여 수행되는 것이다. 여기서, 상기 송전 장치(4)는 유도 코일에 의하여 스타일러스 펜 내부의 코일로 전력을 전달하는 방법이 개시되어 있다. 즉, 특허문헌 1은 스타일러스 펜으로 전력을 공급하기 위하여 유도 코일을 포함하는 별도의 송전 장치를 LCD 모듈 아래에 배치하고, 스타일러스 펜에 구비된 코일과 송전 장치에 구비된 코일 사이에 인덕티브 커플링을 통해 전력을 송수신한다.
그러나, 위와 같이, 스타일러스 펜으로 전력을 공급하기 위하여 유도 코일을 포함하는 송전 장치를 LCD 모듈 아래에 별도로 설치하는 것은 비용 상승을 야기시키게 되고, 휴대폰의 두께가 증가하는 문제점이 있다.
또한, 터치 패널의 전극 라인을 코일로 만드는 경우, 터치 패널의 전극선들에 의한 저항 성분이 크기 때문에 회로가 공진 상태가 되기 이전에 에너지가 저항에 의하여 열 에너지로 방출되어, 결국 회로가 공진하지 않는다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 별도의 송전 장치 없이, 기존의 터치 패널을 이용하여 스타일러스 펜으로 전력을 공급하고, 스타일러스 펜으로부터 수신되는 신호를 감지하고자 하는 기술에 대한 니즈가 증가하고 있다.
본 발명의 일 목적은 정전 용량 커플링 방식으로 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 전기 신호를 송수신하는 것이 가능한 스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 정전 용량 커플링 방식을 이용하여 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있는 스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 정전 용량 커플링 방식을 통해 송수신되는 전기 신호의 크기변화를 이용해 새로운 사용자 인터페이스를 제공하는 것이 가능한 스타일러스 펜 및 터치 패널을 포함하는 이동 단말기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이동 단말기는, 스타일러스 펜이 구비된 이동 단말기로서, 복수의 터치 패널 전극이 구비된 터치패널 및 정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치패널과 전기 신호를 송수신하도록 형성되는 스타일러스 펜을 포함하고, 상기 스타일러스 펜은, 본체, 도체로 형성되며, 상기 본체의 외부로 돌출되어 상기 터치패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁 및 상기 본체 내에 구비되고, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며, 상기 터치 패널과의 사이에서 상기 정전 용량 커플링이 발생되도록 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 LC회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 전기 신호는 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널과 상기 LC회로의 사이에서 송수신되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 스타일러스 펜은, 상기 터치 패널에서 전송되는 전기 신호를 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통해 수신하고, 상기 수신한 전기 신호를 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 상기 LC회로로 공급하여 상기 LC회로에서 공진을 발생하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며, 상기 스타일러스 펜에서 수신하는 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 LC회로는 상기 펜 팁에 압력이 가해지는 것에 근거하여 전기 용량이 가변되는 가변 캐패시터를 더 포함하고, 상기 터치 패널은, 상기 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 상기 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되는 것에 근거하여 터치 지점을 감지하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 LC회로에서 상기 터치패널로 부가되는 제1 전기 신호는 상기 전기 용량의 변경에 따라 제2 전기 신호로 변경되며, 상기 제2 전기 신호를 감지하여 상기 터치 패널에서의 터치 지점으로 결정하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제2 전기 신호는, 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널로 송신되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며, 상기 스타일러스 펜에서 송신되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 전기 신호가 감지된 지점 중 상기 제2 전기 신호의 크기가 임계값 이상인 지점을 터치 지점으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 스타일러스 펜이 기울어짐에 따라 상기 터치 패널의 일 영역에서 임계값 이상의 크기를 갖는 상기 제2 전기 신호를 수신하는 경우에, 상기 터치지점은 상기 감지된 일 영역에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 일 영역에서 감지되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 터치 패널과 상기 펜 팁의 측면 사이의 거리에 따라 달라지며, 상기 제어부는, 상기 일 영역에서 감지되는 상기 제2 전기 신호의 크기에 근거하여 상기 터치 지점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 터치지점은 상기 일 영역 내에서 상기 제2 전기 신호가 가장 큰 지점으로 결정되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁의 꼭지점에는 비전도성의 보호 부재가 형성되고, 상기 제어부는, 상기 일 영역의 형태가 기 설정된 형태에 해당하면, 상기 일 영역을 벗어난 지점을 상기 터치 지점으로 결정하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 반구로 형성되고, 상기 반구의 밑면이 상기 본체와 접촉되도록 배치되며, 상기 터치패널과 상기 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호는, 상기 스타일러스 펜이 기울어지더라도 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 스타일러스 펜은, 상기 본체 내에 구비되며, 상기 LC회로와 전기적으로 연결되어 상기 전기 신호의 크기를 증가시키는 전도성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 복수의 터치 패널 전극은, 복수개 배열되는 구동전극; 및 상기 구동전극과 교차하여 배열되는 복수의 센싱전극을 포함하고, 상기 구동전극의 폭은 상기 센싱전극의 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 터치패널에 중첩되어 배치되는 디스플레이부 및 상기 스타일러스 펜으로부터 가해지는 터치에 근거하여, 상기 스타일러스 펜의 터치 궤적에 대응되는 이미지를 상기 디스플레이부에 출력하는 하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 펜 팁이 기울어지는 정도에 따라 서로 다른 방식으로 상기 이미지를 출력하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며, 상기 펜 팁이 기울어지는 정도는, 상기 터치패널에서 임계값 이상의 크기를 갖는 상기 전기 신호가 감지되는 일 영역의 크기에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 터치 궤적에 대응되는 이미지는 상기 터치 궤적에 대응되는 선을 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스타일러스 펜이 기울어지는 정도에 따라 상기 선의 굵기 및 색상 중 적어도 하나를 다르게 표시하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 이미지가 출력된 상태에서, 상기 펜 팁이 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 상태로 드래그 터치가 가해지면, 상기 출력된 이미지에서 상기 드래그 터치의 궤적에 중첩되는 이미지를 삭제하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜은, 본체, 도체로 형성되며, 상기 본체의 외부로 돌출되어 터치패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁 및 상기 본체 내에 구비되고, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며, 상기 터치 패널과의 사이에서 정전 용량 커플링이 발생되도록 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 LC회로를 포함하고, 상기 LC회로는 정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치패널과 전기 신호를 송수신하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 전기 신호는 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널과 상기 LC회로의 사이에서 송수신되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 LC회로는, 상기 터치 패널에서 전송되는 전기 신호를 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통해 수신하고, 상기 수신한 전기 신호를 이용하여 공진이 발생되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며, 상기 펜 팁에서 수신하는 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 LC회로는 상기 펜 팁에 압력이 가해지는 것에 근거하여 전기 용량이 가변되는 가변 캐패시터를 더 포함하고, 상기 LC회로는, 상기 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 상기 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되는 것에 근거하여 상기 터치패널로 부가하는 제1 전기 신호를 제2 전기 신호로 변경하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 제2 전기 신호는, 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널로 송신되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며, 상기 펜 팁에서 송신되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 펜 팁은 반구로 형성되고, 상기 반구의 밑면이 상기 본체와 접촉되도록 배치되며, 상기 터치패널과 상기 펜 팁 사이에서 송수신되는 전기 신호는, 상기 펜 팁이 기울어지더라도 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 본체 내에 구비되며, 상기 LC회로와 전기적으로 연결되어 상기 전기 신호의 크기를 증가시키는 전도성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존의 터치 패널을 이용하여 스타일러스 펜과 전기 신호를 송수신할 수 있다. 따라서, 코일로 형성된 별도의 전력 공급장치를 구비하지 않아도 되므로, 비용 절감 및 이동 단말기의 두께를 더욱 얇게 만들 수 있다.
또한, 본 발명은 정전 용량 커플링을 통하여 스타일러스 펜에 전기 신호를 공급하고, 공진 상태에서 발생되는 전기 신호를 통해 터치 패널에 터치를 가할 수 있다. 따라서, 본 발명은 별도의 전원부를 구비하지 않고, 보다 간단한 회로만으로 구성된 스타일러스 펜을 제공할 수 있어, 비용 절감 및 스타일러스 펜의 무게를 더욱 가볍게 만들 수 있다.
또한, 본 발명은 스타일러스 펜에 구비된 LC회로와 도체로 형성된 펜 팁을 전기적으로 연결함으로써, 정전 용량 커플링 방식을 통해 스타일러스 펜과 터치 패널 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 펜 팁을 도체로 형성하고, LC회로와 전기적으로 연결시킴으로써, LC회로의 캐패시터과 터치 패널 전극과의 거리를 더욱 가깝게 하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 정전 용량 커플링 방식은 캐패시터의 특성에 따라 거리가 가까워지면 전기 신호의 송수신이 더욱 잘 일어나게 된다. 따라서, 본 발명은 스타일러스 펜에 의한 터치 인식률을 현저히 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 도체인 펜 팁을 뿔 형태로 형성함으로써, 상기 펜 팁이 기울어짐에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉, 정전 용량 커플링 방식은 캐패시터의 특성에 따라 단면석이 커지면 전기 신호의 송수신이 더욱 잘 일어나게 된다. 따라서, 본 발명은 종래에 인덕티브 커플링을 이용해 전기 신호를 송수신하는 경우, 스타일러스 펜을 기울이면 인식률이 떨어지는 문제점을 해결하고, 나아가, 스타일러스 펜을 기울임으로써 스타일러스 펜에 의한 터치 인식률을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 뿔 형태로 형성된 펜 팁이 기울어짐에 따라 터치 패널의 일 영역에서 신호의 크기가 임계값 이상인 전기 신호가 감지되는 경우, 기 설정된 방식에 의해 터치 지점을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명은 스타일러스 펜이 기울어짐에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 전기 신호가 일 영역에서 감지됨에 따라 터치 지점의 정확도가 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 스타일러스 펜의 펜 팁이 기울어짐에 따라 터치 패널에서 임계값 이상의 크기를 갖는 전기 신호가 감지되는 영역의 크기가 변경될 수 있다. 즉, 본 발명은 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 근거하여, 서로 다른 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 본원발명은 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 따라 서로 다른 기능을 제공할 수 있는 새로운 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 구동전극의 폭을 센싱전극의 폭보다 크기 형성함으로써, 스타일러스 펜으로부터 수신되는 전기 신호에 대한 인식률을 증가시킬 수 있다.
도 1은 스타일러스 펜을 구비한 이동 단말기를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜 내부에 마련된 LC 공진 회로를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펜 신호 검출 수단에서 스타일러스 펜으로 전기 신호를 전달하는 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 펜 신호 검출 수단이 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 이용하여 필압을 검출하는 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 터치 패널 전극에서 시간변화에 따라 관찰되는 전기 신호 VPS를 나타내는 개념도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 패널을 포함하는 디스플레이부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 패널의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 제1 실시 예에 따른 터치 패널을 통하여 전기 신호를 공급하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11 내지 도 13은 제 1 실시 예에 따라 동작하는 터치 패널의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 14는 본 발명의 정전 용량 커플링을 설명하기 위한 등가 회로를 보여주는 개념도이다.
도 15는 제2 실시 예에 따른 터치 패널을 통하여 전기 신호를 공급하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 16은 제2 실시 예에 따라 동작하는 터치 패널의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜을 설명하기 위한 개념도이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펜 팁을 설명하기 위한 개념도이다.
도 19는 도 18의 펜 팁이 구비된 스타일러스 펜이 기울어지는 경우 전기 신호의 크기가 증가하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 20은 도 19에 따라 스타일러스 펜이 기울어지는 경우 측정되는 전기 신호의 크기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 21은 펜 팁이 반 구 형태인 경우를 설명하기 위한 개념도이다.
도 22는 터치 패널에서 감지되는 전기 신호에 근거하여 터치 지점을 결정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 23 및 도 24는 펜 팁에 비전도성의 보호 부재가 형성되는 경우, 터치 패널에서 감지되는 전기 신호에 근거하여 터치 지점을 결정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 25는 스타일러스 펜 내부에서 전기 신호의 크기를 증가시키는 전도성 부재를 설명하기 위한 개념도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 패널에 포함된 터치 패널 전극을 설명하기 위한 개념도이다.
도 27 내지 도 29는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 근거하여 다양한 기능을 수행하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
본 발명과 관련되는 이동 단말기의 설명에 사용되는 접미수 "수단" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하의 본 발명의 설명에서는, 터치 패널로 사용자 명령을 입력하기 위한 수단으로 스타일러스 펜을 예로 들어 설명한다. 본 발명은 이러한 스타일러스 펜으로전기 신호를 공급하고, 상기 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 감지하는 방법에 대한 것이다. 본 발명은 스타일러스 펜에서 발생되는 LC 공진 신호를 펜과 터치 패널의 전극 사이에 형성되는 커플링 용량(정전 용량 커플링)을 통하여, 터치 패널의 전극으로 전달하고, 터치 패널의 전극 일단에 연결되는 필압 검출부에 의하여 수신된 신호의 주파수를 검출하는 장치에 대한 것이다. 그리고, 펜과 필압 검출부 사이에서 신호의 전달 경로가 되는 것은 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 터치 패널, 그 중에서도 터치 패널의 드라이빙(구동) 전극(Tx) 또는 센싱 전극(Rx)을 이용하는 특징이 있다.
특히, 상기 필압 검출부에 의하여 펜으로부터 전달된 신호로부터 상기 펜의 필압을 검출할 수 있고, 그로부터 사용자가 펜을 터치 패널측으로 가압하는 힘의 정도를 판단할 수 있는 것을 특징으로 한다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 스타일러스 펜의 필압으로 기재하고 있으나, 상기 스타일러스 펜에 마련되는 커패시터의 커패시턴스를 변화시킬 수 있는 버튼 등이 구비되는 경우에도 본 발명의 사상의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 스타일러스 펜을 구비한 이동 단말기를 나타낸 개념도이다.
실시예의 이동 단말기는, 제1 입력 수단으로서 스타일러스 펜(이하, 펜 이라고 함)(20) 및 제 2 입력 수단으로서 손가락 중 중 적어도 하나에 의해 가해지는 터치(또는 입력)의 위치를 검출하기 위한 검출 영역(151)(또는, 디스플레이부(151)라고 함)을 포함한다. 검출 영역(151)에는, 유리 또는 아크릴 등의 보호 커버가 배치되고, 그 밑에는 LCD, OLED 등과 같은 표시 패널이 배치된다. 터치 패널에는 컴퓨터 등의 제어 수단으로부터 전달되는 신호가 표시된다. 알려진 바와 같이, 펜(20)을 검출 영역(151)상에서 조작하는 것에 의해, 표시 패널에 펜 조작에 따른 그림을 그리거나, 글씨를 쓰거나, 표시된 이미지의 영역을 선택할 수 있다. 사용자가 손가락으로 입력하는 경우도 마찬가지이다. 그리고, 사용자가 두 개의 이상의 손가락을 검출 영역(151)상에 터치 또는 입력시키는 경우를 멀티 터치라고 하며, 실행되고 있는 응용 프로그램 또는 모바일 어플리케이션 등(이하, 응용 프로그램이라 함)에 따라 화면이 확대되거나 회전되는 등의 명령이 수행된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜 내부에 마련된 LC 공진 회로를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 실시예에서 스타일러스 펜에 마련되는 회로는, 트랜지스터나 다이오드 등의 전력 소모 소자는 사용하지 않고, 코일 L소자(Ls)와, 커패시터C소자(ΔC 및 CS)로 구성되는 LC 공진 회로(또는, LC 회로(22))를 포함한다. 그리고, 펜이 가압되는 힘에 따라 커패시턴스가 변화하는 가변 용량 커패시터(ΔC)를 포함한다.
LC 공진 회로는 기본적으로 전력을 소비하지 않기 때문에, 스타일러스 펜 내의 회로를 구동시키기 위한 별도의 전원을 구비하지 않아도 된다.
스타일러스 펜의 LC 공진 회로의 공진 동작을 개시하기 위해서, 공진 동작의 개시 신호를 줄 필요가 있다. 이러한 개시 신호를 주는 것은 공진의 초기 조건을 부여하는 것으로, 구체적으로는, 외부(터치 패널)에서 LC 공진 회로로 AC전압을 인가하고, 위상이 90도 어긋난 AC 전류를 공급한다. 이 경우, LC 공진 회로의 공진은 개시되지만, 에너지 주입이 아니기 때문에 매우 빠르게 공진이 안정화 상태로 진입하여 버린다. 즉, 터치 패널로부터 전송되는 전기 신호에 의해, 스타일러스 펜에 구비된 LC회로는 공진이 발생된다. 이 때, 주입 전력은 무효 전력이라고 하며, 실제로는 에너지 소비에 기여하지 않는 전력이라 할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, AC 전원의 주파수와 LC 공진 주파수가 완전히 동일하지 않은 경우에, 스타일러스 펜의 LC 공진 회로는 LC 공진 주파수 성분을 갖는 진동과, AC 전원의 주파수 성분을 갖는 진동이 혼합된 진동이 이루어진다.
LC 공진 자체는 전력의 소비를 수반하지 않기 때문에, AC 전력 공급을 중단하더라도, LC 회로는 LC 공진을 계속한다. 다만, 실제에 있어서는, L에는 저항 성분이 있기 때문에, 그 저항에서 에너지 소비가 이루어지고, 열이 방출된다. 따라서, LC 공진의 진폭은, 시간이 지남에 따라, 점차 감쇄하여 간다. 이때, AC 전력을 계속하여 공급하더라도, LC 공진의 감쇄는 지속되고, 결국 LC 공진 주파수 성분의 진동은 제로가 된다. 다만, AC 전원의 주파수 성분을 갖는 진동은, AC 전원을 계속하여 공급하는 동안에는, 감쇄하지 않고 계속하여 존재한다.
AC 전원의 공급을 중단하면, 지금까지 AC 전력의 주파수로 진동하던 LC 공진 회로는, 즉시 AC 전원 주파수에서의 진동은 멈추고, LC 공진 주파수로 진동을 시작한다.
본 발명에서는, 인덕티브 커플링을 사용하지 않으며, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에 존재하는 커패시턴스로 용량성 커플링(정전 용량 커플링)시키고, 이러한 상호 커패시턴스(정전 용량 커플링에 의해 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에 형성되는 캐패시턴스 CM)를 통하여 전기 신호를 송수신한다.
스타일러스 펜에 내장된 LC 공진 회로를 구성하는 L소자의 인덕턴스LS , 혹은 C소자의 캐패시턴스 CS 또는 두 가지 값은 스타일러스 펜 헤드(또는, 펜 팁)의 필압에 따라 증감하는 구성이다. 가변 용량 콘덴서(또는, 가변 캐패시터) ΔC를 도 2에서와 같이 고정 용량 CS 와 병렬 연결한 LC 공진 회로의 C소자의 일부 요소로 설명한다.
필압에 따라 가변 커패시터의 용량 ΔC는 다른 값을 취한다. 따라서, LC 공진 주파수도 그에 따라 다른 값이 된다. 즉, 필압이 가해지기 전에 스타일러스 펜에서 터치 패널로 부가되는 제1 전기 신호는 상기 ΔC(전기 용량)의 변경에 따라 제2 전기 신호로 변경되며, 상기 제2 전기 신호에 근거하여 필압을 검출하는 것이다. 다시 말해, 본 발명에서 필압을 검출하는 원리는, 스타일러스 펜에 내장된 LC 공진 회로가 발생시키는 공명 신호의 주파수(정확하게는 변경된 공명 신호의 주파수)를 검출하는 것이다.
여기서, 필압을 검출한다는 의미는 터치 패널에서의 터치 지점을 결정한다는 의미로 받아들여질 수 있다. 본 발명에서는 필압을 검출하여 스타일러스 펜에 의해 가해지는 터치를 감지하고, 터치 지점을 결정할 수 있다.
따라서, 압력을 감지하는 스타일러스 펜 LC 공진 회로로 공진 동작을 시작하게 하는 개시 신호를 전달하여야 한다. 구체적으로는, 이미 언급한 바와 같이 공진 구동 AC 전원을 외부에서 스타일러스 펜 LC 공진 회로로 줄 필요가 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 스타일러스 펜으로 전력을 전달하고, 상기 펜으로부터 전달되는 신호를 수신하기 위한 신호 검출 수단에 대해서는, 도 3 내지 도 7을 참조하여 더 자세히 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펜 신호 검출 수단에서 스타일러스 펜으로 전기 신호를 전달하는 구성을 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 펜 신호 검출 수단이 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 이용하여 필압을 검출하는 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동 단말기(10)는 터치 패널(200) 및 LC 회로(22)(또는, 펜 회로부(22))가 구비된 스타일러스 펜(20)을 포함할 수 있다. 상기 터치 패널(200)은 복수의 터치 패널 전극(50) 및 상기 터치 패널 전극(50)과 연결되어 상기 펜 회로부(22)로 전력을 공급하고, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호를 수신하는 펜 신호 검출 수단(100)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 펜 신호 검출 수단(100)은 가변 용량 커패시터(ΔC)를 포함하는 LC 공진 회로가 내장된 스타일러스 펜의 펜 회로부(22)로 전력을 공급하고, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호를 수신하며, 터치 패널 전극(50)에 연결된다.
(상기 펜 신호 검출 수단(100)에 관련된 내용은 이하에서 설명할 이동 단말기(10)의 제어부(180)에서 수행되는 것으로 이해되어질 수 있다. 즉, 펜 신호 검출 수단(100)와 관련된 내용은 제어부(180)에서 수행되는 것으로 동일/유사하게 유추적용 가능할 것이다.)
여기서, 상기 터치 패널 전극(50)은, 앞서 설명한 바와 같이, 터치 패널의 드라이빙 라인(또는, 구동 전극, 구동 라인) 또는 센싱 라인(또는 센싱 전극)이 될 수 있으며, 필요에 따라서는, 상기 펜 신호 검출 수단(100)이 상기 터치 패널의 드라이빙 라인과 센싱 라인 각각에 연결되는 구성도 가능하다. 즉, 상기 펜 신호 검출 수단(100)에서 펜(20)으로 공진 여기 AC 신호를 전달하기 위한 AC 신호 발생부(110)는 터치 패널의 드라이빙 전극(Tx)으로 전압을 공급하기 위한 회로측에 구성될 수 있다. 또한, 펜으로부터 전달되는 신호를 수신하기 위한 필압 검출부(130)는 터치 패널의 센싱 전극(Rx)으로부터 신호를 검출하기 위한 회로측에 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 자세히 설명하여 본다.
한편, 본 발명에서는 펜으로부터 전달되는 신호로부터 필압을 검출하기 위한 신호 검출 장치가 터치 패널에서 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 드라이빙 전극(TX)과 센싱 전극(RX) 중 적어도 하나의 전극선(이하, 터치 패널 전극이라 함)에 연결될 수 있다. 즉, 본 발명은 터치 패널(200)에 구비되는 드라이빙 전극 또는 센싱 전극 중 적어도 하나의 전극선을 이용하여, 스타일러스 펜으로 전력(전기 신호)을 전달하는 것 및 상기 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 수신하는 것이 가능하다.
본 발명에서는, 정전 용량 커플링에 통해 전기 신호를 송수신하므로, 신호 전달 배선의 저항이 높아도 무방하다. 따라서, 본 발명은 신호 반환 경로를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에, 신호 전달 배선을 코일로 구성하여야 할 필요가 없다. 즉, 본 발명은 터치 패널을 구성하는 드라이빙 전극(Tx) 및 센싱 전극(Rx) 중 적어도 하나를 이용하여 정전 용량 커플링을 통해 전기 신호를 송수신할 수 있다.
실시예의 펜 신호 검출 수단(100)은, 사용자의 손가락 또는 펜 등의 터치 위치를 정전식으로 검출하기 위한 터치 패널 전극(50)에 연결된다. 또한, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 상기 터치 패널 전극(50)을 경유하여 상기 펜 회로부(22)로 공진 여기 AC 신호를 공급하기 위한 AC 신호 발생부(110)와, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호에서 공진 주파수를 검출해내기 위한 필압 검출부(130)를 포함한다. 그리고, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 상기 터치 패널 전극(50)을 상기 AC 신호 발생부(110) 또는 필압 검출부(130)으로 선택적으로 연결되도록 하는 스위칭부(120,SW)를 포함한다.
상기 스위칭부(120)의 스위칭에 의하여, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 상기 펜 회로부(22)로 공진 여기 AC 신호를 공급하기 위한 AC 전력 공급원으로서의 역할을 수행하거나, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호를 분석하여 공진 주파수를 센싱함으로써 결국 스타일러스 펜의 필압을 검출하기 위한 필압 검출부로서의 역할을 수행한다.
상기 스위칭부(120)의 스위칭 동작에 의하여, 상기 터치 패널 전극(50)에는 상기 AC 신호 발생부(110) 또는 상기 필압 검출부(130)가 선택적으로 연결되는데, 상기 스위칭부(120)의 스위칭 시점 또는 시간에 대해서 기재하여 본다. 예를 들어, 상기 터치 패널 전극(50)이 정전식으로 사용자의 손가락 또는 스타일러스 펜의 위치를 검출하기 위하여 1프레임을 스캔하는데 소요되는 시간을 1/60초라고 한다면, 상기 스위칭부(120)는 그 1/60초의 시간 중에 1프레임을 스캔하는데 사용하지 않는 시간의 일부 동안(예, 200㎲ 정도) 상기 터치 패널 전극(50)에 공진 여기 AC 신호 발생부(110)가 연결되도록 스위칭한다. 터치 패널 전극을 스캔하여 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 시간은 제품과 제조 회사에 따라 상이할 수 있으나, 예를 들어, 1/60초 정도를 1프레임 스캔하는데 주어진 시간이라고 한다면, 실제에 있어서는 1프레임을 스캔하는데에 1/60초 중 일부를 사용하고 있기 때문에, 상기 스위칭부(120)에 의한 터치 패널 전극(50)이 상기 AC 신호 발생부(110)에 연결되는 시간(예, 200㎲ 정도)은 1/60초의 시간 내에서 정전식 위치 검출을 위한 프레임 스캔이 수행되지 않는 영역이라 할 수 있다.
도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 터치 패널 전극(50)으로 라인 스캐닝을 위한 전압을 공급하고, 손가락 또는 펜의 터치 위치를 검출하기 위하여 터치 패널 전극(50)으로부터의 출력 신호를 수신하여 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 정전 센서부(전원 공급 회로 및 신호 검출 회로)(50)가 존재한다. 그리고, 본 발명에서의 펜 신호 검출 수단이 AC 신호 발생부(110)와 필압 검출부(130)가 단일의 하드웨어/회로로 구성되어 있는 것처럼 도시되어 있으나, 실제의 실시예 있어서는 AC 신호 발생부(110)를 터치 패널의 전압 공급 회로 내에 마련하여 두고, 필압 검출부(130)를 터치 패널의 신호 검출 회로 내에 마련하여 두는 것이 가능하고, 이 경우, AC 신호 발생부(110)는 Tx 라인에 연결되고, 필압 검출부(130)는 Rx 라인에 연결될 수 있다. 이러한 구성 역시 하나의 실시예에 불과하며, 다양한 구성을 본 발명으로부터 획득할 수 있을 것이다.
본 실시예에서는, 상기 터치 패널 전극(50)이 기존의 터치 위치 검출을 위한 동작 이외에, 상기 스위칭부(120)에 의해서 상기 터치 패널 전극(50)으로 공진 여기 AC 신호를 전달하거나, 펜으로부터 전달되는 신호를 상기 터치 패널 전극(50)을 경유하여 주파수 검출을 위한 필압 검출부(130)로 전달될 수 있다.
먼저, 도 3을 참조하여, 펜 신호 검출 수단(100)의 AC 신호 발생부(110)에서 생성된 공진 여기 AC 신호, 즉, 공진 구동의 개시 신호를 터치 패널 전극(50)으로 전달하는 경우를 설명하여 본다.
펜 신호 검출 수단(100)에 포함되는 AC 신호 발생부(110)는 스위칭부(120)의 스위칭으로 터치 패널 전극(50)에 연결되고, 상기 AC 신호 발생부(110)에서 생성된 AC 신호는 터치 패널 전극(50)으로 전달되고, 스타일러스 펜과 상호 용량 CM을 통해 공진 구동 신호로서 공진 여기 AC 신호는 LC 공진 회로(스타일러스 펜의 펜 회로부)에 AC 전원으로 전달된다.
위에서 언급하였지만, 본 발명에서 사용하는 터치 패널은 상호 용량 방식 터치 패널이며, 터치 위치 검출에 사용되는 전극 라인을 스타일러스 펜의 필압검출에도 함께 사용된다.
또한, 공진 구동을 위한 공진 여기 AC 신호는 정전 용량 커플링에 의해 스타일러스 펜 LC 공진 회로(22, 펜 회로부)로 전달되기 때문에 전류가 거의 흐르지 않는다. 그래서 상호 용량 방식 터치 패널을 공유할 수 있다. 보다 정확하게는, 호스트가 되는 터치 패널로부터 스타일러스 펜으로 전력(에너지)을 전달하기 위하여, 상기 AC 신호 검출부(110)가 터치 패널 전극(50)으로 공급할 AC 신호를 발생시킨다.
정전 용량 커플링에 의하여 호스트인 터치 패널 전극(50)으로부터 스타일러스 펜으로 공진 여기 AC 신호(AC 전원)이 전달되면, 스타일러스 펜의 LC 공진 회로는 AC 전원의 공급을 받고, 즉시 LC 발진을 시작한다. 여기서, 펜 회로부의 LC 공진 회로가 발진하게 되는 발진 주파수는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112014073305388-pat00001
여기에 LS, CS, ΔC는 각각 L소자의 인덕턴스, C소자를 구성하는 고정용량의 커패시턴스, C소자를 구성하는 가변 용량의 커패시턴스이다. 전술한 바와 같이, ΔC는 사용자가 스타일러스 펜을 터치 패널 상에 가압하는 힘(필압)에 따라 가변하게 되는 커패스턴스이고, 그 변화된 커패스턴스에 의해서 공진 주파수가 변동된다. 그리고, 이러한 공진 주파수의 값(또는 변동)을 확인하기 위하여, 본 실시예에 따른 터치 패널(200)의 펜 신호 검출 수단(100)에는 필압 검출부(130)가 구성된다.
LC 공진 신호의 공진 주파수가 공진 구동을 위한 공진 여기 AC 신호의 주파수와 일치하는 경우라면, LC 공진 신호의 진폭은 공진 여기 AC 신호 진폭과 거의 일치하게 된다. 그러나, LC 공진 신호의 공진 주파수와 공진 여기 AC 신호의 주파수의 차이가 크다면, LC 공진 신호의 진폭은 작아진다. 다만, 주파수의 오차가 -10%~+10% 범위 이내라면, LC 공진 신호의 진폭이 급격히 축소되는 현상은 발생되지 않는다.
LC 공진 회로의 공진 주파수를 정확히 검출해내기 위하여, 전달되는 공진 여기 AC 신호의 진폭보다 일정범위(예를 들면, 50%) 이하로 축소되지 않도록 하기 위하여, 주파수의 오차가 -10%~+10% 범위 이내가 되도록, ΔC의 커패시턴스를 설정하여 두면, 다음에서 설명하는 스타일러스 펜의 필압을 검출하는데 충분한 신호의 강도를 획득할 수 있다.
아래에서 더욱 상세하게 설명하겠지만, 펜의 펜 회로부(LC 공진 회로)의 공진 주파수를 검출해내기 위한 회로로는 미분기(131)와 비교기(132)가 될 수 있다.
본 실시예의 AC 신호 발생부(110)에 의하여 발생되는 AC 신호는, 아래의 수학식 2로 예시할 수 있다.
Figure 112014073305388-pat00002
그리고, 상기 수학식 2를 미분하여 보면, 아래의 수학식 3이 된다.
Figure 112014073305388-pat00003
결국, 미분파의 진폭은 주파수에 비례하게 되고, 미분기에서 LC 공진 신호를 전달받게 되면, 미분기에 의하여 미분된 미분파의 진폭 전압도 주파수에 비례하는 모듈레이션을 받게 되는 것을 알 수 있다.
만약, LC 공진 신호의 공진 주파수와 공진 구동을 위한 공진 여기 AC 신호의 주파수 차이가 ±10%를 초과하는 차이가 발생하게 되면, LC 공진 신호의 진폭은 50% 정도까지 작아진다. 이 경우, 그 신호를 미분기에 입력하면, 미분파의 진폭 전압은 x0.9의 45%가 된다. 한편, 주파수 차이가 ±10% 이내가 되어 LC 공진 신호의 진폭이 50% 정도로 작아지더라도, 미분기에서는 x1.1의 55%가 된다.
다시, 도 3을 참조하여 AC 신호 발생부(110)로부터 스타일러스 펜의 LC 공진 회로로 공진 여기 AC 신호를 전달하는 과정에 대해서 설명하여 본다.
LC 공진 신호의 진폭이 충분한 크기가 될 때까지의 설정 전달 시간(예를 들면, 200㎲ 정도) 동안 터치 패널 전극(50)으로 AC 신호가 전달되도록 한다. 공진 여기 AC 신호를 펜의 LC 공진 회로로 계속하여 공급하는 동안은, LC 공진 회로는 LC 공진 주파수의 진동(제 1 주파수 성분의 진동)과, 공진 여기 AC 신호의 주파수 성분을 갖는 진동(제 2 주파수 성분의 진동)이 혼합된 상태도 진동한다는 것은 앞서 설명한 바와 같다. 따라서, LC 공진 회로의 진동 신호의 진폭은, 제1 주파수 성분과 제 2 주파수 성분이 혼합된 진동의 진폭이 된다.
펜의 LC 공진 회로로 공진 여기 AC 신호를 제공하는 것을 중단하는 경우에는, 공진 여기 AC 신호의 주파수 성분을 갖는 진동은 사라지고, LC 공진 주파수의 진동을 시작하지만, 그 때의 진동의 진폭은, 2개 주파수 성분의 진동이 혼합한 진동의 진폭을 그대로 갖게 된다. 즉, 공진 여기 AC 신호가 LC 공진 회로로 전달되는 것이 중단되어도, LC 공진 회로의 진동의 진폭이 당연히 작아지지 않는다.
한편, 상기 터치 패널 전극(50)과 AC 신호 발생부(110)가 연결되는 소정의 시간, 즉, 상기 설정 전달 시간 동안에 상기 AC 신호 발생부(110)로부터 공진 여기 AC 신호가 상기 터치 패널 전극(50)으로 제공하는 것은 유의미한 동작을 나타낸다.
즉, 상기 AC 신호 발생부(110)로부터 아주 짧은 시간(수천㎲)에만, 공진 여기 AC 신호가 터치 패널 전극(50)을 통하여 스타일러스 펜으로 전달할수도 있겠지만, 아래에서 설명한 VO에 노이즈 내성을 갖기 위하여(즉, VO의 SNR을 크게하기 위하여), 일정 시간(설정 전달 시간) 동안의 공진 여기 AC 신호를 펜으로 공급할 필요가 있다.
터치 패널 전극(50)에는 부유 용량 CP가 존재하기 때문에, 공진 여기 AC 신호를 단절시키면, 단절 직전의 전위 VDC1가 CP의 DC 전위로 유지된다. 참고로, 상기 스위칭부(120)의 스위칭에 동작에 의하여 터치 패널 전극(50)이 필압 검출부(130)와 연결되면, 상기 필압 검출부(130)로는 VPS 전압(즉, 필압 검출 전압)의 AC 성분이 전달되지만, 상기 터치 패널 전극으로부터 전달되는 필압 검출 전압(VPS)의 AC 성분과 함께 존재하는 DC 성분을 나타내기 위하여 DC성분을 VDC1으로 표시하여 본다.
전위 VDC1가 유지되는 상태에서는, 펜의 LC 공진 회로의 LC 공진 신호 VS 는 CM을 통해 터치 패널 전극(50)으로 전달된다. 이때 전달되는 것은 LC 공진 신호의 AC 성분으로서, 상기 부유 용량 CP가 존재하기 때문에, 터치 패널 전극(50)으로 전달되는 AC 신호 VO 는, 아래의 수학식과 같다.
Figure 112014073305388-pat00004
또한, AC 신호 발생부(110)의 단절로서 VDC1가 중첩되기 때문에, 터치 패널 전극(50)에서 관찰되는 전기 신호 VPS는, 실제로 아래의 수학식 5와 같다.
Figure 112014073305388-pat00005
도 5에는 터치 패널 전극에서 관찰되는 전기 신호 VPS의 시간 변화를 나타낸다. 상기 스위칭부(120)는 공진 여기 AC 신호를 기설정된 설정 전달 시간동안 터치 패널 전극으로 전달한 다음에는, 상기 AC 신호 발생부(110)와의 연결을 단절시키는 것과 동시에, 공진 주파수 측정을 위하여 터치 패널 전극(50)을 필압 검출부(130)에 연결시킨다. 상기 필압 검출부(130)가 터치 패널 전극(50)에 연결되는 것에 의하여, 펜의 필압 검출을 수행하며, 이것은 결국 펜의 LC 공진 회로의 공진 주파수 측정을 위한 동작을 수행하는 것이다.
본 실시예의 필압 검출부(130)의 구성까지 상세히 도시한 도면은 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 펜 신호 검출 수단(100)은 정전식으로 터치 위치를 검출해내기 위한 터치 패널 전극(50)에 연결되고, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 터치 패널 전극(50)측으로 AC 신호를 공급되도록 하거나, 터치 패널 전극(50)을 통하여 전달되는 신호를 수신받도록 하며, 이러한 선택적인 동작은 스위칭부(120)에 의하여 수행된다.
펜의 LC 공진 주파수가 포함된 신호가 상호 용량 CM과 터치 패널 전극을 경유하여 필압 검출부(130)로 전달된다.
상기 필압 검출부(130)는 수신한 신호에 포함된 주파수를 측정함으로써 펜의 필압 정도를 검출하는 역할을 수행하고, 이를 위하여 미분기(131,differentiator)와, 비교기(132, comparator)를 포함한다. 그리고, 추가적으로, 신호의 지연을 부여하는 샘플링 쉬프터(133)와, 지연된 신호로부터 해당 주파수의 값을 카운팅하기 위한 EXOR 카운터(134)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 상기 쉬프터(133)와 카운터(134)는 소프트웨어적으로 주파수의 값을 연산하는 것이 가능하기 때문에, 다른 구성요소로 치환되는 등의 실시예의 변경은 충분히 가능하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 터치 패널 전극(50)으로부터 필압 검출부(130)로 입력되는 필압 검출 전압(VPS)은 필압 검출부의 미분기(131)의 입력으로 입력진다. 그리고, 상기 미분기(131)의 출력 신호 VDif는,
Figure 112014073305388-pat00006
위의 수학식 6과 같다.
즉, 앞서 설명한 바와 같이, 미분기(131)에 의하여 DC 성분의 영향은 사라지게 되며, LC 공진 신호는 단일 주파수의 정현파이기 때문에, 당연히 미분하여도 신호 주기는 보존된다. 상기 미분기(131)의 출력 신호 VDif는, DC 성분이 제거된 필압 검출 전압이라 할 수 있다. 한편, 도 6에는 스타일러스 펜 회로부의 전압(VS), 터치 패널 전극으로부터 필압 검출부(130)로 전달되는 필압 검출 전압(VPS), 비교기(132)의 출력 전압(VCO), 카운터(134)로 입력되는 전압(VEX) 및 카운터(134)에 의하여 주파수가 카운팅되는 결과가 도시되어 있다.
상기 미분기(131)에 의하여 DC 성분이 제거된 필압 검출 전압, 즉, VDif는 비교기(132)로 입력된다. 비교기(132)의 비교 기준 레벨을 AC 그라운드로 한다면, 비교기(132)의 출력은 Vs의 반주기 마다 1 또는 0으로 바뀌는 제로 크로싱 감지 디지털 신호가 된다.
비교기(132) 출력의 주기는 디지털 카운터(134)에서 계산하기 위해 출력 신호의 스위칭 에지를 fCNT 샘플링 클록에 동기화시킨다. 이를 위하여, fCNT 샘플링 클록에 동기하여 신호를 쉬프트하는 쉬프터(133)를 사용할 수 있다.
이때, 시프터(133)는 2단 변속 구성의 시프터를 사용하여, 샘플링 신호와 1 샘플링주기 지연된 신호를 얻으며, 샘플링 클록의 주파수는 감지하려는 필압 단계의 수에 의존한다. 예를 들어, 20단계 정도로 필압을 검출하고자 하는 경우에, 공진 여기 AC 신호 주파수(예를 들면, 100KHz)의 100배의 주파수의 샘플링 클록 신호 (fCNT = 10MHz)에서 샘플링하면 된다. 왜냐하면, LC 공진 주파수(VS 주파수)는 공진 여기 AC 신호 주파수의 -10% ~ +10% 범위 이내로 설정하기 때문에, 1%의 해상도로 주파수 차이를 알게되면, -10 ~ +10 단계의 주파수 차이를 식별할 수 있게 된다. 즉, 20 단계(정확하게는, 21 단계)의 필압을 검출해 낼 수 있다.
쉬프터(133) 2개의 출력 신호의 EXOR 논리를 취하면 , 비교기(132) 출력의 0과 1 전환 에지를 검출하는 것이 가능하다. 즉, EXOR 논리 게이트의 출력은 스타일러스 펜에서 나오는 LC 공진 신호의 반주기마다 1샘플링 클록의 주기만 “1”이 되는 신호로 된다.
fCNT를 NOR 게이트의 어느 한쪽의 입력 단자로 제공하고, EXOR 게이트의 출력을 NOR 게이트의 다른 입력 단자로 전달하면, NOR 게이트는 EXOR 게이트 출력이 0인 때에는, fCNT 펄스를 스루로 계속한다. 그래서, EXOR 게이트 출력의 펄스수를 카운터로 카운팅하면, 공진 여기 AC 신호의 반주기에 들어가는 샘플링 펄스로부터 1펄스만을 뺀 펄스수를 알 수 있고, 그로부터 LC 공진 신호의 반주기의 시간을 산출할 수 있다. 그 결과, 스타일러스 펜 헤드의 압력, 즉, 필압을 검출하는 것이 가능하다. 즉, 쉬프터(133)가 2단으로 구성되어, 하나는 클럭에 동기화된 신호를 출력하고, 나머지 하나는 1클럭 지연된 신호를 출력하며, 이를 통해, 입력 신호가 0에서 1로, 반대로 1에서 0으로 변화하는 타이밍을 검출할 수 있다.
이상 설명한 일련의 필압감지 과정에 걸리는 시간은 매우 짧다. 예를 들어, 화면의 수직 동기 신호(V-Sync)의 기간에 필압을 검출할 수 있고, 1프레임 표시 기간 동안 터치 위치 검출과 필압 검출을 연속적으로 할 수 있다.
또한, 스타일러스 펜의 터치 위치를 감지한 다음, 해당 펜의 필압을 검출하는 때에, 공진 여기 AC 신호를 전달하고, 펜으로부터 전달되는 필압 검출 신호를 전달받기 위한 터치 패널 전극을 일부분만 선택하는 것도 가능하다. 즉, 먼저 터치 위치 검출에 의해 얻어진 터치 위치에서 가장 가까운 2개의 RX 전극(또는 2개의 TX 전극)에만 선택적으로 공진 여기 AC 신호를 전달하고, 이들 선택된 RX 전극(또는 TX 전극)을 LC 공진 신호가 포함된 필압 검출 신호를 전달받는 라인으로 사용할 수 있다.
공진 여기 AC 신호를 펜 회로부(LC 공진 회로)로 공급하면, 스타일러스 펜은 항상 LC 공진 신호를 다시 터치 패널 전극으로 보내기 때문에, 본 실시예의 필압 검출을 위한 구성요소들에 의해서 터치한 대상이 손가락인지 LC 공진 회로가 구비된 펜인지 여부까지 확인하는 것이 가능하다.
한편, 도 4에 예시한 본 발명의 펜 신호 검출 수단의 구성의 다른 실시예를 살펴본다.
예를 들어, 터치 패널의 경우, 아래에 배채된 LCD 장치와 터치 패널전극들 사이의 커플링 노이즈가 존재한다. 이 경우, 인접한 전극선에도 거의 동일한 노이즈가 발생하게 되며, 이것은 공통 모드 노이즈(또는 부유 용량)라고도 한다. 이러한 노이즈는 미분기를 통과하면서 제거되는데, 레퍼런스 레벨을 터치 패널 전극을 경유하여 미분기로 제공하면, 미분기는 2개의 입력 신호의 차이를 미분 출력하기 때문에, 2개의 입력 신호의 차분에 의해 공통 모드 노이즈가 제거될 수 있다.
공통 모드 노이즈를 제거하기 위한 회로 구성이 도 6에 도시된다. 도 6은 다른 실시예의 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 본 발명의 펜 신호 검출장치는, 터치 패널 전극(50)을 이용하여 AC 신호를 전달하고, 상기 터치 패널 전극(50)을 통하여 전달되는 펜의 공진 신호를 수신받아 필압을 검출하는 필압 검출부(130)는 도 4에 도시된 경우와 동일하지만, 터치 패널과 다른 구성(LCD 장치)와의 커플링에 의하여 발생되는 노이즈, 즉, 부유 용량을 제거하기 위하여, 미분기(131)의 입력단자 중 하나와 연결되는 부유 용량 제공부(140)를 더 포함한다.
상기 부유 용량 제공부(140)의 커패시턴스(CP)는, 터치 패널에 형성되는 부유 용량의 값(CP)과 동일한 값을 가지며, 상기 터치 패널 전극(50)을 통하여 전달되는 펜의 공진 신호가 미분기(131)의 제 1 입력단자로 입력되는 것과 함께, 부유 용량 제공부(140)를 통해서도 동일한 커패시턴스를 갖는 신호가 미분기(131)의 제 2 입력단자로 제공되도록 함으로써, 터치 패널에 형성되는 노이즈가 제거될 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예의 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 4와 도 6에 도시되는 본 발명의 실시예들의 경우에는, 공진 여기 AC 신호를 전달하는 터치 패널의 전극선과, 스타일러스 펜으로부터 출력된 펜의 공진 신호(펜 필압신호)를 검출하기 위한 필압 검출부(130)로 전달하기 위한 터치 패널의 전극선을, 동일한 전극선을 사용하는 경우에 대해서 설명하였다.
본 발명에서 이용하는 터치 패널은, 상호 용량 방식의 터치 패널로서, 터치 우치 검출에 사용되는 전극선을 그대로 스타일러스 필압 신호 검출에도 함께 사용한다는 것은, 이미 설명한 바와 같다.
이러한 터치 패널은 터치 위치를 검출하기 위하여 전극선이 X방향(예를 들면, Tx)과 Y방향(예를 들면, Rx)으로 배치되어 있기 때문에, 본 발명에서는, 예를 들어, X방향으로 배치된 전극선을 공진 여기 AC 신호를 공급하기 위한 전극선으로 이용하고, Y방향으로 배치된 전극선을 펜 필압 신호(LC 공진 신호)를 스타일러스 펜으로부터 필압 검출부(130)로 전달하기 위한 전극선으로 이용하는 구성도 가능하다.
스타일러스 펜의 헤드부는, X방향으로 배치된 전극선와의 사이에 상호 용량 CM1이 존재하지만, 이와 동시에, Y방향으로 배치된 전극선과의 사이에도 상호 용량 CM2가 존재하기 때문에, 동일한 상호 용량 커플링의 원리에 의해, X방향으로 배치된 전극선에서 스타일러스 펜으로 공진 여기 AC 신호가 전달될 수 있으며, Y방향으로 배치된 전극선을 개재하여 펜 필압 신호를 필압 검출부(130)로 전달하는 것 역시 가능하다.
상세히, 도 7을 참조하면, 터치 패널을 구성하는 전극선들 중에서 AC 신호 발생부(110)가 X방향으로 배치된 전극선, 예를 들면, 드라이빙 전극(Tx)(51)과 연결되고, 필압 검출부(130)는 Y방향으로 배치된 전극선, 예를 들면, 센싱 전극(Rx)(52)과 연결된다.
그리고, 상기 AC 신호 발생부(110) 및 필압 검출부(130)를 터치 패널의 드라이빙 전극(51)과 센싱 전극(52) 각각에 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 및 제 2 스위치(SW1,SW2)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 스위치(SW1,SW2)의 동작에 따라, 상기 AC 신호 발생부(110)가 드라이빙 전극(51)에 연결/연결해제가 이루어지고, 미분기 및 비교기를 포함하는 필압 검출부(130) 역시 센싱 전극(52)에 선택적으로 연결된다. 따라서, 도 7에 도시되어 있는 경우의 실시예는, 실제에 있어서는, 터치 위치를 판별하기 위하여 드라이빙 전극(51)으로 전압을 공급하기 위한 전압 공급 회로 내에 상기 AC 신호 발생부(110)가 마련되고, 센싱 전극(52)으로 부터 전달되는 신호를 수신하여 터치 위치를 판별하는 신호 검출 회로 내에 상기 필압 검출부(130)가 구성될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의해서, 기존의 터치 패널의 전극을 이용할 수 있으며, 펜으로 공진 여기 AC 신호가 용이하게 전달될 수 있으므로, 스타일러스 펜 내에 전원부를 별도로 구성할 필요가 없는 장점이 있다. 또한, 펜으로부터 전달되는 필압 신호(LC 공진 신호)를 이용하여 필압을 검출할 수 있어, 보다 정확한 필압의 측정이 가능한 장점이 있다.
이하에서는, 터치 패널(200)을 중심으로, 스타일러스 펜(20)에 의해 가해지는 터치 위치(지점)를 검출하는 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 패널을 포함하는 디스플레이부를 설명하기 위한 개념도이다.
실시예의 이동 단말기(100)는, 위에서 설명한 것과 같이, 터치 패널(200)에 의해 외부의 전력 수신측(스타일러스 펜 등)으로 전력을 공급한다. 또한, 터치 패널(200)은 정전식으로 사용자의 손가락 또는 스타일러스 펜의 접촉 위치를 검출하기 위한 역할을 수행한다. 본 발명은, 상기와 같은 터치 패널의 동작에 의하여, 커패시터가 내장된 수신측으로 정전 용량 커플링에 의하여 전압을 전달할 수 있다.
도 8을 참조하면, 실시예의 이동 단말기는, 사용자의 손가락 또는 펜의 터치를 정전(靜電,electrostatic)식으로 인식하는 터치 패널(200)과, 영상이 표시되는 표시 패널(60)과, 터치 패널(200)에 가해지는 터치 위치의 검출 및 외부로의 전력 공급이 이루어지도록 제어하는 제어부(180)를 포함한다.
상기 터치 패널(200)은 정전식 위치 검출부가 되며, 상기 터치 패널(200) 상에는 사용자 또는 펜의 터치로부터 패널을 보호하기 위한 보호 커버(40)가 더 형성될 수 있다.
상세히, 상기 터치 패널(200)은 정전 센서부(50)(터치 패널 전극, 예를 들어, 구동 전극(Tx) 및 센싱 전극(Rx))와, 정전 신호를 처리하기 위한 신호 수신부(130)를 포함하고, 특히, 정전 용량 커플링에 의하여 외부로 전력을 공급할 수 있도록 하는 전원 공급부(110)와 스위칭부(120)를 포함한다.
여기서, 도 3 내지 7에서 설명한 내용을 참조하면, 신호 수신부(130)는 필압 검출부(130)일 수 있으며, 전원 공급부(110)는 AC 신호 발생부(110)일 수 있다. 또한, 도 3 내지 7에서 설명한 터치 패널 전극(50)(드라이빙 전극(Tx) 및 센싱 전극(Rx))은 이하에서 정전 센서부(50)로 설명한다.
정전 센서부(50)는 ITO(Indium Tin Oxide)막과, 복수의 투명 전극이 제 1 방향과, 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 각각 배치되는 그리드(grid) 또는 매트릭스 구조의 센서로 구성되고, 스마트폰이나 태블릿PC 등의 기기의 검출 영역에서 손가락이나 펜이 터치하는 위치를 검출한다. 그리고, 상기 신호 수신부(130)는 상기 정전 센서부(50)에 의하여 획득되는 전기적인 신호를 처리하는 역할을 수행한다.
상기 터치 패널(200)은 손 또는 펜의 터치 위치를 검출하기 위하여 상기 전원 공급부(110)로부터 터치 패널의 전극선으로 전압을 공급하여 검출 영역을 스캐닝하고, 스캐닝된 전기 신호를 상기 신호 수신부(130)가 처리함으로써, 제어부(180)는 사용자의 손가락 또는 펜의 터치 위치를 검출할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 용량 커플링을 발생시켜 외부로 전력을 공급하기 위하여 상기 전원 공급부(110)가 복수의 소스로 이루어지고, 상기 전원 공급부(110)를 구성하는 복수의 전압원 들 중 상기 정전 센서부(50)와 연결되는 전압원을 선택할 수 있는 스위칭부(120)를 더 포함한다.
상기 정전 센서부, 즉, 실시예의 터치 패널을 통하여 터치 위치를 검출하는 것과 함께, 용량 커플링에 의한 무선 전력 전달의 구성에 대해서는 첨부되는 도면과 함께 아래에서 좀 더 자세히 살펴보기로 한다.
한편, 본 실시예에서는 정전 용량 방식(정전식)에 의한 터치 위치 검출이 개시되고 있으나, 정전식 이외의 다른 방식에 의한 손가락 또는 펜의 위치를 검출하는 것도 가능할 것이다. 예를 들면, 저항막 방식, 광학 방식, 초음파 방식 등의 알려진 다양한 방식이 상기 터치 패널(200)을 대신할 수 있을 것이다.
상기 정전 센서부(50) 하측에는 표시 패널(60)가 위치하며, 이 표시 패널(60)은 LCD, OLED 등의 다양한 디스플레이 기기가 될 수 있다. 그리고, 상기 표시 패널(60)로 비디오 신호를 전달하기 위한 표시 구동 회로(62)가 구비될 수 있으며, 제어부(180)의 제어에 따라 영상의 표시 및 터치에 의한 화면구동이 이루어지도록 한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 터치 패널의 구성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 제1 실시 예에 따른 터치 패널을 통하여 전기 신호를 공급하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 도 9에는 그림을 단순화하기 위해 터치 패널에 설치되는 전극 라인의 개수는 수직과 수평 방향으로 각각 4 개씩 도시되어 있다.
터치 패널에는 그리드 또는 매트릭스 형태로 배치된 복수의 구동 전극(TX)과 센싱 전극(RX)이 구비되고, 도 9에는 구동 전극(TX)과 센싱 전극(RX) 각각이 수평과 수직 방향으로 배치되어 있다.
이하에서는 구동 전극(Tx)을 구성하는 전극선들을 Tx라인이라고 하고, 센싱 전극(Rx)를 구성하는 전극선들을 Rx라인이라고 한다.
그리고, 수직과 수평으로 배치되는 전극선(RX1 ~ RX4 및 TX1 ~ TX4)은 스위칭부(120)의 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)에 연결된다. 그리고, 상기 제 1 스위치(S1)는 복수의 전압원(V1, V2)과 연결되어 있는 제 3 스위치(S3)와 연결되고, 제 2 스위치(S2)는 신호 수신부(130)와 연결되어 있는 제 4 스위치(S4)에 연결된다. 제 4 스위치(S4)는 터치 패널의 Rx 라인을 선택적으로 신호 수신부를 구성하는 아날로그 증폭기의 입력단자에 연결되도록 하거나, 상기 RX 라인을 교류 전압을 발생시키는 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 한다.
그리고, 선택적으로 상기 아날로그 증폭기의 입력단 모두에 Vref 전원이 인가되도록 하여, 상기 아날로그 증폭기의 동작을 안정화하는 역할을 수행하는 제 5 스위치(S5)를 더 포함한다.
여기서, 상기 제 1 스위치(S1) 및 제 2 스위치(S2)는 주소 디코더로서, XY 주소의 조합에 따라 스위치를 온/오프하는 역할을 수행한다. 예를 들어 X전극선의 주소 1개 조합에 대해서는, 선택하는 스위치가 하나이지만, 본 발명의 디코더 선택하는 스위치가 2개가 된다. 이것에 대해서는 좀 더 자세하게 후술하기로 한다.
한편, 상기 제 3 내지 제 5 스위치(S3 ~ S5)는 상기 제어부(180)에서 발생시킨 신호에 의하여 각 스위치를 1개 선택하는 스위치 장치이다. 즉, 제 3 스위치(S3)는 터치 패널의 TX라인들을 선택적으로 제 1 전압원(V1) 또는 제 2 전압원(V2) 또는 아날로그 증폭기의 입력단에 연결되도록 스위칭한다. 즉, 제 3 스위치(S3)에 의하여 터치 패널의 Tx 전극라인들이, 터치 좌표 인식을 위한 표면파로서 Tx라인들로 전압을 제공하기 위한 제 1 전압원(V1)에 연결되거나, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이의 정전 용량 커플링이 발생하도록 교류 전압을 Tx 및 Rx 라인들로 제공하기 위한 제 2 전압원(V2)에 연결되거나, 신호 수신부의 일 구성요소인 아날로그 증폭기의 입력단에 연결되도록 한다.
그리고, 제 4 스위치(S4)는 터치 패널의 RX 라인들이 선택적으로 아날로그 증폭기의 입력단에 연결되도록 하거나, 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 스위칭한다.
상기 제 1 전압원(V1)은 TX 라인 드라이브 펄스 발생기로서, 기존의 터치 패널에서와 같은 Tx 드라이브 회로에 대응된다. TX 라인으로 제 1 전압원의 V1을 인가하여 스캔하고, Rx 라인으로부터 출력되는 신호를 아날로그 증폭기의 입력단으로 전달받아, 터치 위치의 X 및 Y 좌표를 검출하는 것은 알려진 바와 같은 터치 센싱 회로와 동일하다.
Amp는 터치 신호 전압을 증폭하여 읽어들이는 아날로그 증폭기이며, 기존의 터치 패널에서 마련되는 아날로그 증폭기와 같다.
특히, 앞서 기재한 바와 같이, 제 2 전압원(V2)은 스타일러스 펜으로 전력을 전달할 때에 사용되는 전원이다.
도 9에는 정전식으로 그 터치 위치를 검출할 수 있는 스타일러스 펜 전체가 도시되어 있지 아니하고, 터치 패널의 접촉 부분만이 원으로 도시되어 있다. 본 실시예에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에 정전 용량 커플링에 의하여 스타일러스 펜이 전력을 공급받고, 공급받은 전력을 저장하기 위하여, 상기 스타일러스 펜은 LC 회로를 포함한다.
즉, 도 9에는 정전 용량 커플링이 발생되는 회로 구성이 도시되어 있으며, 터치 패널의 송신측 회로(50)와, 스타일러스 펜의 수신측 회로(22)를 포함한다. 따라서, 용량 커플링에 의해서 전달되는 전력이 스타일러스 펜 내부의 LC 회로에 저장된다. 터치 패널의 송신측 회로를 간단히 표시하면, 터치 패널 전극은 전원 공급부의 전압(V2)과 함께 RP 및 CP를 포함하고, RP와 CP 각각은 터치 패널 측의 투명전극선(TX라인, RX 라인)의 저항 성분과 부유 용량 성분을 나타낸다. 스타일러스 펜(20)에 구비된 LC 회로(22)는 그 회로의 공진 주파수와 같은 주파수로 진동하는 전기 에너지가 외부로부터 전달되면, 공진을 시작한다. 보통의 경우라면, 전기 에너지는 소비되어 버리지만, 공진 상태에서는 에너지 소비가 제로가 된다. 즉, 공진 상태에서 외부로부터 전달되는 에너지는 스타일러스 펜의 LC 사이에 갇혀 L과 C 사이를 오가며 공진 상태가 지속된다.
도 10을 참조하여 터치 패널에서 수전측에 해당하는 스타일러스 펜에 전원을 공급하는 방법을 자세히 설명하여 본다. 그리고, 도 10의 설명과 함께, 도 11 내지 도 13에 도시된 터치 패널의 동작도 설명한다.
전력을 공급받게 되는 스타일러스 펜은 공진 상태에서 전기 에너지를 보유하고 있으며, 전력을 제공하는 터치 패널로부터의 전원 공급이 중단되면 유지하고 있던 전기 에너지가 터치 패널을 향하여 다시 전달된다. 이때, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 에너지를 터치 패널에서는 전기 신호로 수신하고, 터치 패널 및 제어부에서는 수신된 전기 신호의 주파수를 분석함으로써, 스타일러스 펜의 필기 압력(필압이라고 할 수 있으며, 사용자가 펜에 가하는 압력)을 검출하는 것이 가능하다(이와 관련된 내용은, 도 3 내지 도 7에서 설명한 내용으로 갈음한다).
스위칭부(120)를 구성하는 제 1 내지 제 5의 스위치들은 터치 패널의 모드에 따라 제어부(180)에 의하여 그 동작이 제어되며, 예를 들면, 터치 위치의 정전식 검출 모드에서와 외부로의 전력 전송 모드에서에서 TX 라인과 RX 라인들 각각이 다른 구성 요소에 연결되도록 제어된다.
먼저, 실시예에 따라 터치 패널의 정전 센서부를 구성하는 TX라인과 RX라인의 스캐닝을 통한 터치의 센싱이 이루어지고(S101), 터치된 위치의 XY좌표를 검출(S102)과정이 수행된다.
이러한 터치 위치의 인식 과정에서는 터치 패널(200)이 일반적인 터치 패널과 같이 라인 스캐닝을 통한 전압 공급 및, 출력 신호 확인이 이루어지며, 도 11에 도시된 바와 같이 스위칭부가 동작된다.
즉, 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)는, 도시되어 있지는 않지만, 제어부(180)의 제어에 따라 순차적으로 연결될 것이며, 제 3 스위치(S3)는 터치 패널의 TX 라인을 펄스 신호를 발생시키는 제 1 전압원(V1)에 연결시킨다. 그리고, 제 4 스위치(S4)는 디코더에 대응되는 제 2 스위치(S2)에서 선택되는 RX 신호를 아날로그 증폭기(Amp)의 한쪽 입력단자로 연결시킨다. 간단히, 제 3 스위치(S3)의 스위칭에 의하여 펄스 신호 발생기인 제 1 전압원이 TX 라인으로 연결되고, 제 4 스위치(S4)의 스위칭에 의하여 RX 라인은 아날로그 증폭기(Amp)의 입력단자에 연결된다.
그리고, 제 5 스위치(S5)는 상기 아날로그 증폭기(Amp)에 의한 RX라인의 출력 신호를 증폭할 수 있도록 상기 아날로그 증폭기의 다른 입력단자에는 레퍼런스 신호(Vref)가 연결되도록 한다.
상기 제 3 내지 제 5 스위치에 의한 TX 라인과 제 1 전압원의 연결, RX 라인과 아날로그 증폭기의 입력단자와의 연결 및 아날로그 증폭기의 다른 입력 단자에의 레퍼런스 신호 연결은, 일반적인 터치 위치 감지 회로 구성과 동일하므로 터치 위치 검출에 관한 자세한 동작의 설명은 생략한다.
이와 같은 스위칭부의 스위칭에 따라, 터치 패널에 터치된 손 또는 펜의 위치를 정전식으로 검출하는 것이 가능하다. 터치 위치의 XY 좌표가 검출된 다음에는, 터치 좌표와 가장 인접한 TX 라인과 RX 라인을 선택하는 동작이 수행된다(S103).
즉, 검출된 터치 위치의 XY 좌표 정보에 따라 해당 터치 위치에 가장 가까운 2개의 TX 라인 및 2개의 RX 라인을 선택한다. 도 3이나 도 5와 같은 경우에는, TX1, TX2 및 RX1, RX2가 그 전극선에 해당한다.
그 다음, 선택된 4개의 전극 라인 즉, TX1, TX2, RX1 및 RX2으로 전력을 공급하는 과정이 수행된다(S104).
도 12에는 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인으로 전력을 공급하는 때의 스위칭부의 스위칭 상태가 도시되어 있다.
먼저, 제 1 스위치(S1)는 전력 공급 라인으로 선정된 2개의 TX 라인을 제 3 스위치(S3)측에 연결시킨다. 그리고, 제 2 스위치(S2)는 전력 공급 라인으로 선정된 2개의 RX 라인을 제 4 스위치(S4)측에 연결시킨다.
그리고, 상기 제 3 스위치(S3)는 제 1 스위치(S1)에 의하여 연결된 2개의 TX라인이 교류 전압을 발생시키는 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 한다. 그리고, 상기 제 4 스위치(S4)는 터치 패널의 RX 라인 역시 상기 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 스위칭하여, 상기 제 2 전압원(V2)으로부터 전달되는 교류 전압은 상기 제 1 및 제 3 스위치를 통하여 TX 라인으로 전달되는 것과 함께, 제 2 및 제 4 스위치를 통하여 RX 라인으로도 전달될 수 있다.
그리고, 외부의 스타일러스 펜 측으로 전력을 공급하는 단계에서는, 아날로그 증폭기의 동작이 필요하지 않으므로, 상기 제 5 스위치(S5)는 아날로그 증폭기의 두 입력단이 모두 레퍼런스 신호를 제공받도록 스위칭하여, 아날로그 증폭기의 동작을 안정화시킨다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 레퍼런스 신호(Vref)가 아날로그 증폭기(Amp)의 양 입력 단자로 함께 제공된다.
이러한 전력 전송 모드에서는, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인으로 V2의 교류 전압이 인가되고, TX 라인과 RX 라인들 자체가 갖는 저항과 커패시턴스가 Rp 및 Cp를 갖게 됨으로써, 도 14에 도시된 바와 같은 용량 커플링에서의 전송측 구성이 형성된다.
여기서, 본 발명의 제 1 실시예에 의하여 정전식으로 터치 위치를 검출한 곳에서 가장 가까운 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인을 선택하고, 그 4개의 전극 라인으로 동일한 AC 전압을 공급하는 이유를 설명하여 본다.
본 발명의 전력 공급 원리는 정전 용량 커플링을 이용하여 전자기 에너지를 공급하는 방법이다. 발생하는 전자파의 파장에 비해 용량 커플링을 형성하는 커패시터 Cm의 전극 사이의 거리는 매우 짧다. 그런 경우 전기장은 정전기장(靜電場)과 유사하다. 그래서 전기량 중 하나인 커패시턴스(정전 용량)를 정의할 수 있고, 회로의 동작 분석에 통상의 교류 이론이 적용될 수 있다. Cm는 송전측의 전극 라인(터치 패널)과 수전측(스타일러스 펜)의 전극 사이에 형성되는 상호 용량이다.
송전측의 전극 라인 1개에만 주목하는 경우, 예를 들면, TX1에 주목하는 경우에, 수전측의 전극의 중심 위치가 TX1의 중심 라인상에 있다고 가정하여 본다. 이때, 수전측의 전극과 TX1 사이의 상호 용량 Cm_TX1은 최대가 된다. 그러나, 수전측의 전극의 중심이 TX1의 중심 라인으로부터 TX2 방향으로 이동해 가는 것에 의하여 Cm_TX1의 값은 점차 감소해간다. 감소한 커패시턴스 값은 TX2와 수전측의 전극 사이의 상호 용량 Cm_TX2가 된다. 따라서, TX1과 수전측의 전극 사이의 상호 용량과, TX2와 수전측의 전극 사이의 상호 용량을 더하면, 수전측의 전극이 TX1과 TX2 사이의 어디에 있어도 결국 전체의 상호 용량은 일정하게 유지된다(한편, 도 17 내지 29에서 설명하겠지만, 상기 상호 용량은 스타일러스 펜을 구성하는 펜 팁이 기울어지는 정도에 따라 변경될 수도 있음에 유의하여야 한다).
이러한 전체 상호 용량의 일정한 유지는, RX1과 RX2에 대해서도 마찬가지이다. 즉, 수전측의 전극의 중심 위치가 RX1의 중심 라인 상에 있는 경우에, 수전측의 전극과 RX1 사이의 상호 용량 Cm_RX1은 최대가 된다.
따라서, 수전측의 전극 중심이 TX1, TX2, RX1, 및 RX2 로 둘어싸인 범위 내에 있는 경우에, 그 4개의 전극 라인으로 동일한 AC 전압을 인가하게 되면, 수전측의 전극의 위치가 어디에 있다하더라도, 전송측과 수전측 사이의 상호 용량은 일정하게 유지된다. 즉, 상호 용량의 변화는 고려하지 않아도 때문에, 전기 에너지 전송 조건이 일정하게 되고, 결국 터치 패널의 RX 라인과 TX 라인을 이용한 무선 전력 전송의 제어가 용이하게 이루어질 수 있는 것이다.
다음으로, 전력 공급 원리를 자세히 설명하여 본다.
TX1, TX2, RX1, 및 RX2 의 4개의 전극 라인으로 동일한 AC 전압을 공급하게 되지만, 보다 쉬운 설명을 위하여 이들을 한꺼번에 1개의 전극 라인으로 표시한 등가 전기 회로인 도 14를 참조하여 설명한다.
도시되진 않았지만, 터치 패널 전극(50)에 도시된 저항 값을 Rp라 한다.
저항 R과 커패시턴스 C는 전극 라인 4 개를 등가로 표시한 것이기 때문에, Rp는 각 라인마다 저항의 1/4, Cp는 각 라인마다 용량의 4배의 값을 가질 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 이러한 RC 회로는 저역 통과 필터로 동작한다. 즉, 낮은 주파수의 신호 감쇠없이 전파하지만, 고주파의 경우에는 감쇠가 발생된다.
감쇠가 현저해지기 시작하는 주파수는 컷오프 주파수(전압이-3dB 감쇠, 즉 30% 다운)라고 하며, RC 회로에서는,
Figure 112014073305388-pat00007
로 주어진다.
그리고, 본 발명에서는 AC 전원인 V2의 주파수 fS는 이러한 컷오프 주파수 이하의 주파수 전원으로 사용한다. 즉, 본 발명의 AC 전원(V2)은
Figure 112014073305388-pat00008
의 수학식을 만족하는 주파수를 사용한다.
본 발명에서는, 위의 수학식 8에 해당하는 주파수가 회로를 동작시키는 주파수의 상한이 되는 것이다.
송전측은 정전 용량 커플링에 의해서 전기 에너지를 수전측에는 전송한다. 그리고, 수전측은 전달받은 전기 에너지를 LC 회로에 축적한다. LC 회로는 전기 에너지가 외부로부터 전달되면 에너지 소비를 제로로 하는 것과 같이 공진을 시작한다.
즉, 수전측의 LC 회로가 공진 상태가 되면, 외부에서 주어진 전기 에너지는 LC 회로에 갇혀있다. 그리고, 전기 에너지는 L과 C 사이에 에너지 손실없이 진동왕복하기 때문에 공진 상태가 지속된다. 다만, 실제에 있어서는, 저항 성분이 존재하기 때문에 에너지는 저항에 의하여 서서히 소비되며, 그 결과 진동 에너지의 진폭은 감쇄하여 곧 소멸된다.
본 발명의 경우, 전기 에너지는 터치 패널 측에 설치한 AC 전원에서 항상 공급되기 때문에, 터치 패널 측에서 에너지를 계속 공급하는 한 스타일러스 펜의 LC 회로는 공진 상태를 이어나갈 수 있다. 다만, 터치 패널 측에서 에너지를 공급하는 것을 계속해서 LC 회로가 끝없이 에너지를 축적하는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 정전 용량 커플링 구성의 경우, 송전측의 전압 진폭과 수전측의 LC 회로의 전압 진폭이 같아지면, 그 이상은 에너지를 수전측으로 보낼 수 없게 된다. 즉, 커플링 커패시턴스의 양 단자 전압이 같을 때 에너지 공급은 멈추고 평형 상태가 된다.
LC 회로의 공진 주파수와 일치하는 주파수로 송전측에서 전기 에너지를 공급하게 되면, LC 회로에 전기 에너지를 효율적으로 축적시킬 수 있다.
즉,
Figure 112014073305388-pat00009
송전측에서 수학식 9의 주파수로 전기 에너지를 공급하면, LC 회로에 전기 에너지를 효율적으로 축적시킬 수 있다.
보다 더 많은 전기 에너지를 LC 회로에 축적시키기 위해서는, LC 회로의 용량 성분 CS 을 크게 하면 된다. 그러나, CS값을 너무 크게하면 LC 공진 회로가 평형 상태에 도달할 때까지의 시간이 길어진다. 반면에, CS값이 너무 작으면, 다음 단계 인 수전측에서 상호 용량 Cm을 통해 송전측에 신호를 보내도 단시간에 아날로그 증폭기가 읽을 수 있는 신호의 범위보다 더 작게 감쇄해버리기 때문에, 아날로그 증폭기에서의 신호 검출이 어려워질 수 있다. 따라서, 추후에 수신측인 펜으로부터 전송측인 터치 패널로 신호를 보내는 경우에, 아날로그 증폭기가 안정적으로 신호를 감지할 수 있는 시간을 확보할 수 있는 CS 값을 설정할 필요가 있다. 이러한 CS의 값은 사용하는 터치 패널의 환경에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.
도 10에 도시된 흐름도를 다시 참조하여 다음 과정을 설명하여 본다.
선택되는 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 인가함으로써, 정전 용량 커플링에 의한 전력 전송이 이루어진 다음에는, 상기 터치 패널(200)은 수전 측인 스타일러스 펜에서 전송하는 신호를 수신한다(S105). 즉, 수전측인 스타일러스 펜은 송전측의 터치 패널로 전기 신호를 전송한다.
이때, 터치 패널의 스위칭부(120)를 구성하는 스위치들은 도 13에 도시된 바와 같이 연결 상태가 변경된다.
즉, 제 1 및 제 2 스위치(S1,S2)는 전력 전송시에 전력된 TX 라인과 RX 라인이 여전히 제 3 스위치(S3)와 연결되도록 하는 상태를 유지한다. 그리고, 제 5 스위치(S5)는 터치 패널로부터 전달되는 전기 신호를 증폭하여 읽어들이기 위하여 아날로그 증폭기(Amp)의 (+) 입력단자를 VREF와 연결해제하고, 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4)를 Amp의 (+) 입력단자에 연결시킨다. 그리고, 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4) 각각은 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)가 아날로그 증폭기(Amp)의 (+) 입력단자로 연결되도록 함으로써, 터치 패널측의 제 2 전원(V2)의 연결이 해제되도록 한다. 따라서, 제 2 전원에 의한 전기 에너지의 공급이 중단된다.
이러한 상태로 스위치들이 연결되면, 스타일러스 펜측의 LC 회로에 축적된 전기 에너지는 공진 주파수의 진동을 유지하면서, 상호 용량인 Cm을 통하여 터치 패널측으로 전기 신호로서 되돌아간다. 즉, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호가 된다.
여기서, 스타일러스 펜의 C의 값을 CS+ΔC 로 하여, 아래의 수학식 10에서와 같이, LC 회로 공진 주파수가 송전측의 제 2 전원(V2)의 주파수 fP와 약간의 차이가 발생된다고 가정하여 본다. 이러한 경우라 하더라도, 전기 에너지를 터치 패널로부터 스타일러스 펜으로 전달하면, LC 회로는 에너지의 주입에 의해 공진 주파수에서 약간 벗어난 주파수로 진동하게 되는데, 주입된 에너지를 LC 회로로 넣어버리면, LC 회로는 자신의 에너지 소비를 최소화하도록 공진 주파수 진동 상태로 돌아오고, 주입된 에너지도 LC 회로 내에서 유지보관된다.
Figure 112014073305388-pat00010
이러한 과정을 반복하는 것에 의하여, 터치 패널에서 공급되는 전기 에너지가 스타일러스 펜의 LC 회로에 축적되어 간다.
이상의 설명에서 분명해지는 것은, 터치 패널의 제 2 전원(V2)의 주파수와 스타일러스 펜의 LC 회로의 공진 주파수가 동일하지 않더라도, 터치 패널로 부터 전달되는 에너지는 스타일러스 펜의 LC 회로에 축적되어 간다.
따라서, 스타일러스 펜의 LC 회로 상수를 다양하게 선택할 수 있는 구조를 갖게 할 수 있으며, 그것을 공진시키는 전기 에너지는 고정 주파수를 갖는 터치 패널의 제 2 전원(V2)으로부터 전달되는 구성에 의해서, 터치 패널에서 전기 에너지 공급을 중단시키게 되면, 스타일러스 펜으로부터 방출되는 전기 신호를 터치 패널 측에서 수신할 때 다양한 주파수의 신호를 수신할 수 있게 된다.
예를 들어, 스타일러스 펜에 복수 개의 스위치를 구비시키고, 스위치마다 다른 LC 상수의 공진 주파수를 선택할 수 있는 구조로 이루어지게 되면, 터치 패널에서 전기 에너지의 공급을 정지시키는 때마다 스타일러스 펜에서 어떤 스위치가 눌러져 있는지를 알 수 있다. 즉, 스타일러스 펜의 각 스위치에 실행시키고 싶은 명령이 미리 할당되어 있는 경우에, 스타일러스 펜의 스위치를 사용자가 누르게 되면, 그에 대응되는 실행 명령을 터치 패널에 전달할 수 있다.
또한, 터치 패널의 회로와 정전 용량 커플링에 의하여 전기 에너지가 상호 전달될 수 있는 펜의 LC 회로에서, C 용량을 변경시키는 것에 의하여 펜의 필압(사용자가 펜에 가하는 힘)을 확인하는 것 역시 가능하다.
즉, 사용자가 가하는 펜의 필압에 따라 커패시턴스 C의 값을 변경시킬 수 있는 경우에는, 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 터치 패널의 아날로그 증폭기를 통해 수신하여 필압의 정도를 검출하는 것이 가능할 것이다. 예를 들면, 사용자가 스타일러스 펜 조작시에 펜의 헤드(펜 팁)를 누르면, 그 누르는 힘의 크기에 따라 커패시턴스 C 값을 변화시킬 수 있다. 사용자가 펜에 가하는 힘에 따라 펜의 LC 회로에서 용량 C의 값이 변경되면, 펜으로부터 터치 패널 측으로 다시 전달되는 전기 신호의 주파수를 확인하는 것에 의하여 그 필압에 대응되는 명령의 수행이 가능할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 터치 패널의 동작을 설명하여 본다. 도 15는 제 2 실시예에 따라 터치 패널을 통하여 무선 전력을 공급하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
먼저, 도 10에 도시된 제 1 실시예의 터치 패널 동작은, 스위칭부를 구성하는 스위치의 연결 상태에 따라 정전식 터치 센싱 모드(S101~S103), 전원 공급 모드(S104), 및 펜의 전기 신호 수신 모드(S105,S106)로 구분될 수 있다.
그리고, 도 15에 도시된 흐름도 역시, 정전식 터치 센싱 모드(S201,S202), 전원 공급 모드(S203), 및 펜의 전기 신호 수신 모드(S204,S205)로 구분될 수 있다.
그러나, 제 1 실시예와 구별되는 것은, 터치 패널의 TX 라인과 RX라인으로 교류 전압을 공급하는 전원 공급 모드에서, 선택되는 일부의 TX 라인과 RX 라인으로만 전원을 공급하는 것이 아니라, 신속한 전원 공급을 위하여 모든 TX라인과 RX 라인으로 교류 전압을 공급하는 경우라 할 수 있다.
제 2 실시예에 따라 터치 패널과 펜의 LC 회로에 의하여 정전 용량 커플링을 이용하여 전원을 무선으로 제공하는 방법을 설명하여 본다.
먼저, 정전식 터치 센싱 모드로서, 제 1 실시예의 경우와 같이, 도 11에 도시된 바와 같은 스위치의 연결 상태가 유지된 상태에서, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인의 스캐닝 통하여 터치의 센싱이 이루어지고(S201), 터치된 위치의 XY좌표를 검출하는 과정(S202)이 수행된다.
그 다음으로, 터치된 펜으로 전력을 공급하기 위하여, 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4) 모두가 AC 전압을 제공하는 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 제어된다. 그리고, 제 1 스위치(S1)와 제 2 스위치(S2)는 모든 TX 라인과 RX 라인이 상기 제 3 스위치(S3)와 제 4 스위치(S4)에 연결되도록 스위칭하여, 모든 TX 라인과 RX 라인이 제 2 전압원(V2)에 연결되도록 한다(S203). 도 12에 대한 설명에서와 같이, TX 라인들과 RX 라인들로 동일한 AC 전압이 인가되도록 하면, 수전측의 전극의 위치가 어디에 있는 경우라도, 전송측과 수전측 사이의 상호 용량은 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 상호 용량의 변화를 고려하지 않아도 되기 때문에, 정전식으로 터치의 유무 및 좌표를 확인한 다음에는, 신속히 스타일러스 펜 측으로 전력을 공급하기 위하여 모든 RX 라인과 TX 라인들로 AC 전압을 인가할 수 있다. AC 전압을 제 1 실시예와 같이 특정의 라인들로만 공급하는 경우에 비해서는, 그 처리속도가 보다 신속히 이루어질 수 있다. 모든 TX 라인 및 RX 라인으로부터 AC 전압을 공급하는 때의 회로 구성이 도 16에 도시되어 있다.
이와 같은 방법으로 모든 TX 및 RX 라인으로 AC 전압을 인가한 다음에는, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 에너지를 수신받기 위하여, 터치 패널의 스위치 구성이 다시 변경되어야 한다. 이때에는, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호의 주파수를 정확히 파악하기 위해서, 아날로그 증폭기에 연결되는 TX라인 및 RX 라인은 터치 좌표에 가장 인접한 2개의 TX 라인과 2개의 RX 라인이 된다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 내지 제 5 스위치(S1 ~ S5)들이 연결되어야 하고, 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호 중 TX 라인으로 전달되는 신호는 제 1, 제 3 및 제 5 스위치를 거쳐 아날로그 증폭기로 이동하고, RX 라인으로 전달되는 신호는 제 2, 제 4 및 제 5 스위치를 거쳐 아날로그 증폭기로 이동한다(S204).
그 다음, 아날로그 증폭기에 의하여 처리된 신호로부터 주파수를 검출하고, 검출된 주파수에 대응되는 사용자 명령에 따라 다양한 동작이 수행된다(S205).
전술한 바와 같은 본 실시예의 전력 전달 방법에 의해서, 스마트폰과 태블릿 PC와 같은 터치 기반 기기 내에 펜으로 전력을 전송할 회로를 별도로 구성할 필요가 없으므로, 터치 기반 기기의 두께를 보다 감소시킬 수 있다. 또한, 터치 패널의 회로에 무선 전력 전송을 위한 회로가 추가되면 충분하고, 터치 패널의 TX 라인과 RX 라인으로 교류 전압을 공급하는 전원압의 주파수를 컷오프 주파수보다 작게만 구성시키면 되므로, 구성하는 회로 역시 간단한 구조를 갖을 수 있다.
이상에서는 터치 패널을 중심으로, 스타일러스 펜으로부터 가해지는 필압을 검출하는 방법 및 터치 패널에 가해진 터치 지점을 검출하기 위해 터치 패널 전극(Tx, Rx)에 전압을 제공하는 방법에 대하여 설명하였다.
이하에서는, 위에서 설명한 터치 패널과 정전 용량 커플링 방식으로 전기 신호를 송수신하는 스타일러스 펜(20)에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 16에서 설명한 에너지, 전기 에너지, 전압, 전류 등은 "전기 신호"에 포함되는 것으로 이해되어질 수 있다. 이하에서는, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 신호를 "전기 신호"라는 용어로 통일하여 설명한다. 필요에 따라서는, 전기 신호의 특성인 주파수, 공진 주파수, 진폭 등의 용어도 혼용하여 사용한다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜을 설명하기 위한 개념도이다.
우선, 본 발명의 이동 단말기(10)는, 위에서 설명한 것과 같이, 스타일러스 펜(20)을 구비할 수 있다. 또한, 이동 단말기(10)는 복수의 터치 패널 전극(50)이 포함된 터치 패널(200)을 포함할 수 있다.
스타일러스 펜(20)은 정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치 패널(200)과 전기 신호를 송수신하도록 형성될 수 있다. 터치 패널과의 사이에서 정전 용량 커플링을 발생시키기 위한 스타일러스 펜(20)은, 본체(21), 도체로 형성되며, 상기 본체(21)의 외부로 돌출되어 터치패널(200)에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁(23)을 포함할 수 있다. 또한, 스타일러스 펜(20)은 상기 본체(21) 내에 구비되고, 인덕터(Ls) 및 캐패시터(Cs, ΔC)를 포함하는 LC회로(22)를 포함할 수 있다. 여기서 LC 회로(22)는 위에서 설명한 펜 회로부(22) 또는 LC 공진 회로일 수 있다. 상기 LC 회로(22)는 터치 패널(200)과의 사이에서 정전 용량 커플링이 발생되도록 펜 팁(23)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 LC 회로(22)와 펜 팁(23)이 전기적으로 연결되는 것에 대한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다. 먼저, 각 구성들에 대한 상세한 설명을 보다 구체적으로 설명한다.
본체(21)는 스타일러스 펜(20)의 외관을 이루는 케이스 역할을 한다. 본체(21)의 내부에는 공간이 형성될 수 있으며, 상기 공간에는 LC회로(22), 전도성 부재(24) 등 스타일러스 펜(20)을 구성하는 구성요소들이 배치될 수 있다.
상기 본체(21)는 다양한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 본체(21)는 합성수지를 사출하여 형성되거나 금속, 예를 들어 스테인레스 스틸(STS), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 등으로 형성될 수도 있다.
상기 본체(21)는 스타일러스 펜(20)의 외관을 형성하므로, 상기 외관을 일정 수준 유지할 수 있는 기준 강도 이상의 물질이기만 하면 어떤 물질이든 상관이 없다. 구체적으로, 본체(21)는 전도성 물질 또는 비전도성 물질 등을 포함할 수 있으나, 상기 스타일러스 펜(20)을 사용하는 물체(예를 들면, 사용자의 손)에 의해 전기 신호가 흐르는 것을 방지하기 위해 비전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 스타일러스 펜(20)을 사용하는 물체에 의해 전기 신호가 흐르게 되면, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 정전 용량 커플링을 통해 송수신되는 전기 신호가 변경되어, 터치 지점을 결정하는데 이용되는 전기 신호가 불안정해지기 때문이다.
한편, 본 발명의 스타일러스 펜(20)은 본체(100)의 외부로 돌출되어 터치 패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁(23)을 포함할 수 있다. 상기 펜 팁(23)은 도체로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 펜 팁(23)은 펜 팁(23)을 형성하는 물질 전체가 도체로 형성되거나 상기 펜 팁(23)의 표면을 형성하는 부분만 도체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 펜 팁(23)은 LC회로(22)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 전기적으로 연결된다는 것은 도체로 형성된 펜 팁(23)과 상기 LC회로(22)가 전기신호를 직접적으로 송수신할 수 있는 물체(예를 들어, 전선)로 연결되어 있는 것을 의미할 수 있다.
본 발명에서는 상기 펜 팁(23)을 도체로 형성하고, 상기 펜 팁(23)과 LC회로(22)를 전기적으로 연결함으로써, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 정전 용량 커플링을 통해 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 정전 용량 커플링은, 터치 패널(200)의 터치 패널 전극(50)과 스타일러스 펜(20)의 LC회로(22)를 구성하는 캐패시터 사이에서 발생될 수 있다. 즉, 정전 용량 커플링은 터치 패널 전극(50)에 존재하는 부유 용량 CP과 LC회로(22)에 포함된 캐패시터(Cs, ΔC)가 인접함에 따라 발생될 수 있다. 또한, 상기 정전 용량 커플링이 발생됨에 따라, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에는 상호 용량 캐패시턴스(Cm)가 발생될 수 있다.
터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호는 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)와 관련이 있을 수 있다. 즉, 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)가 커질수록, 상기 송수신되는 전기 신호의 크기는 증가하게 된다.
여기서, 상기 전기 신호의 크기가 증가한다는 것은, 전기 신호 자체의 크기가 커지는 것, 전기 신호의 송수신율이 증가한다는 것, 전기 신호의 양이 많아진다는 것 등을 포함하는 의미로 이해되어야 한다.
다시 돌아와, 본 발명에서는 상기 펜 팁(23)과 LC회로(22)를 전기적으로 연결함으로써, 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)를 증가시킬 수 있다. 즉, 상기 펜 팁(23)은 도체로 형성되어 있고, LC회로(22)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이로 인해, 상기 LC회로(22)의 캐패시터는 상기 펜 팁(22)에 위치하는 효과를 가지게 된다. 이로 인해, 터치 패널(200)의 터치 패널 전극(50)과 스타일러스 펜(50)의 캐패시터 사이의 거리는, LC회로(22)가 도체로 형성된 펜 팁(23)과 전기적으로 연결되기 전보다 더 가까워지게 된다. 여기서, 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)는 캐패시터의 특성상 상호 용량 캐패시턴스를 형성하는 두 물체(터치 패널 전극과 펜 팁)사이의 거리가 가까워짐에 따라 커지게 된다. 따라서, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20)사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기는, LC회로(22)가 도체로 형성된 펜 팁(22)에 전기적으로 연결됨에 따라 증가하게 된다.
정리하면, LC회로(22)는 터치 패널과의 사이에서 정전 용량 커플링이 발생되도록 도체로 형성된 펜 팁(23)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20)의 LC회로(22) 사이에서 송수신되는 전기 신호는 도체로 형성된 펜 팁(23)을 경유하여 송수신될 수 있다.
스타일러스 펜(20)은 터치 패널(200)에서 전송되는 전기 신호를 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통해 수신하고, 상기 수신한 전기 신호를 펜 팁(23)과 전기적으로 연결되는 LC회로(22)로 공급할 수 있다. 즉, 상기 LC회로(22)에서는 상기 펜 팁(23)으로부터 공급되는 전기 신호에 의해 공진이 발생될 수 있다.
여기서, 상기 LC회로(22)는 터치 패널(200)의 터치 패널 전극(50)과 직접 전기 신호를 송수신하는 것이 아닌, 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통해 전기 신호를 공급 받을 수 있다. 본 발명에서는 LC회로와 전기적으로 연결되는 도체인 펜 팁(23)과 터치 패널(200)사이에서 전기 신호를 송수신하므로, 스타일러스 펜(20)으로 전송되는 전기 신호의 크기가 증가하게 된다. 따라서, LC회로(22)는, 펜 팁(23)을 통해 상기 전기 신호를 공급받음으로써, 터치 패널 전극(50)과 직접 전기 신호를 송수신할 때보다 빠르게 공진 상태에 진입할 수 있다(터치 패널로부터 전송되는 전기 신호에 따라 LC회로가 공진 상태에 진입하는 것은 위에서 이미 설명하였으므로, 이하에서는 구체적인 설명을 생략한다).
한편, LC회로(22)는 펜 팁(23)에 압력이 가해지는 것에 근거하여 전기 용량이 가변되는 가변 캐패시터(ΔC)를 더 포함할 수 있다. 즉, 위에서 설명한 것과 같이, 상기 가변 캐패시터는 펜이 가압되는 힘에 따라 캐패시턴스(전기 용량, 축전 용량)가 변화할 수 있다. 여기서, 펜이 가압되는 것은 스타일러스 펜(22)의 터치동작을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 스타일러스 펜(22)의 터치 동작은 스타일러스 펜(22)에 구비된 펜 팁(23)을 터치 패널(200)에 가압시키는 동작을 의미할 수 있다.
스타일러스 펜(22)의 터치동작이 가해지면, 터치패널(200)은 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되는 것에 근거하여 터치 지점을 감지할 수 있다. 구체적으로, 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되면, 스타일러스 펜(20)의 LC회로(22)에서 발생되는 전기 신호가 변경되게 된다. 상기 전기 신호가 변경된다는 것은 LC회로(22)에서 발생시키는 공진 주파수가 변경된다는 것을 의미할 수 있다.
이하에서는, 상기 펜 팁(23)에 압력이 가해지기 전에 LC회로(22)에서 발생되는 전기 신호를 제1 전기 신호라고 한다. 또한, 상기 펜 팁(23)에 압력이 가해짐에 따라 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되고, 이에 따라 LC회로(22)에서 발생되는 변경된 전기 신호를 제2 전기 신호라고 한다. 즉, LC회로(22)에서 터치패널로 부가되는 제1 전기 신호는 상기 전기 용량의 변경에 따라 제2 전기 신호로 변경될 수 있다.
본 발명에서는, 제2 전기 신호를 감지하여 상기 터치 패널에서의 터치 지점으로 결정하는 제어부(180)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(180)는, 도 8에 도시된 것과 같이, 터치 패널(200)과 연결될 수 있다. 또한, 상기 제어부(180)는 터치 패널(200)에서 감지된 제2 전기 신호에 근거하여 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 가해진 터치지점을 결정할 수 있다(이와 관련된 내용은 아래에서 보다 구체적으로 설명한다). 여기서, 상기 제어부(180)는 펜 신호 검출 수단(100), 필압 검출부(130) 및 신호 수신부(130)에서 설명한 기술적 특징들이 동일/유사하게 유추적용될 수 있다.
다시 돌아와, 스타일러스 펜(20)에서 터치패널(200)로 전송되는 제1 및 제2 전기 신호는 LC회로(22)에서 발생되는 전기 신호일 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전기 신호 중 적어도 하나는, 상기 LC회로(22)와 전기적으로 연결되며, 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통해 정전 용량 커플링 방식에 따라 터치 패널(200)로 전송될 수 있다.
위에서 설명한 것과 마찬가지로, 상기 제1 및 제2 전기 신호 중 적어도 하나는 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통해 터치 패널(200)로 송신될 수 있다. 이에 따라, 터치 패널(200)에서 수신되는 상기 제1 및 제2 전기 신호의 신호 크기는 증가될 수 있다.
정리하면, 제어부(180)는, 터치 패널(200)로 전송되는 제2 전기 신호에 근거하여, 터치 패널(200)에서의 터치 지점을 결정할 수 있다. 이 때, 제어부(180)는 터치 패널(200)에서 감지되는 제2 전기 신호의 크기가 클수록 스타일러스 펜(20)에 의한 터치 동작을 더욱 정확하게 인식할 수 있다. 따라서, 스타일러스 펜(20)의 펜 팁(23)이 도체로 형성되고, 제2 전기 신호를 발생시키는 LC회로(22)와 전기적으로 연결됨에 따라, 터치 패널(200)과 상기 스타일러스 펜(20) 사이에서 정전 용량 커플링을 통해 송수신되는 전기 신호(제2 전기 신호)의 크기를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 스타일러스 펜(20)에 구비되는 펜 팁(23)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 상기 펜 팁(23)은, 위에서 설명한 것과 같이, 도체로 형성되며, LC회로(22)와 전기적으로 연결됨에 따라 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시키는 역할을 한다.
본 발명에서는 상기 펜 팁(23)을 다양한 형태로 변형하여 상기 송수신되는 전기 신호의 크기를 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 펜 팁(23)은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 뿔 형태인 펜 팁(23)은 상기 꼭지점이 본체(21)의 외부를 향하도록 배치될 수 있다.
이러한 상태에서, 스타일러스 펜(20)이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지면, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 정전 용량 커플링을 통해 송수신되는 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁(23)이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가할 수 있다. 구체적으로, 상기 스타일러스 펜에서 수신하는 전기 신호의 크기 및 상기 스타일러스 펜에서 송신되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가할 수 있다.
위에서 설명한 것과 같이, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에는 정전 용량 커플링에 의해 상호 용량 캐패시턴스(Cm)가 발생될 수 있다. 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)는 터치 패널의 터치 패널 전극(50)에 형성된 부유 용량(Cp)와 스타일러스 펜의 캐패시터(Cs)에 따라 변경될 수 있다. 본 발명에서는 LC회로(22)와 펜 팁(23)이 전기적으로 연결되고, 상기 펜 팁(23)이 도체로 형성되므로, 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)는 펜 팁(23)과 터치 패널 전극(50)의 상태(자세)에 따라 달라질 수 있다.
위에서 설명한 것과 같이, 펜 팁(23)이 터치 패널 전극(50)과 가까워지는 것에 근거하여, 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)는 증가될 수 있다. 이에 따라, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기도 증가될 수 있다.
나아가, 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)이 기울어지게 되면, 상기 펜 팁(23)의 측면과 터치 패널 전극(50) 사이의 가용 면적이 증가하게 되고, 상기 펜 팁(23)의 측면과 터치 패널 전극(50) 사이의 거리도 좁아지게 된다. 상기 상호 용량 캐패시턴스(Cm)는 캐패시터의 특성상 상호 용량 캐패시턴스를 형성하는 두 물체(터치 패널 전극과 펜 팁)사이의 거리가 가까워짐에 따라 커지게 되고, 상기 두 물체의 가용 면적이 증가할수록 커지게 된다.
즉, 뿔 형태인 펜 팁(23)이 기울어지면, 정전 용량 커플링에 의해 생성된 상호 용량 캐패시턴스가, 면적에 비례하고, 거리에 반비례하는 캐패시터의 특성상 커지게 되므로, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기는 상기 펜 팁(23)이 기울어지는 정도에 비례하여 증가하게 된다.
이상에서 설명한 내용은 첨부된 도면을 참조하여 살펴보면 더욱 명확해질 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펜 팁을 설명하기 위한 개념도이고, 도 19는 도 18의 펜 팁이 구비된 스타일러스 펜이 기울어지는 경우 전기 신호의 크기가 증가하는 것을 설명하기 위한 개념도이다. 도 20는 도 19에 따라 스타일러스 펜이 기울어지는 경우 측정되는 전기 신호의 크기를 설명하기 위한 개념도이다.
도 18에 도시된 것과 같이, 펜 팁(23)은 하나의 꼭지점(23a)과 하나의 밑면(23b)를 포함하는 뿔 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 펜 팁(23)에는 상기 꼭지점(23a)과 밑면(23b)을 연결하는 측면(23c)이 구비될 수 있다. 상기 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)은 꼭지점(23a)이 본체(21)의 외부를 향하도록 배치될 수 있다.
상기 뿔 형태는 밑면(23b)의 모양에 따라 다양할 수 있다. 예를 들어, 펜 팁(23)은 밑면이 사각형인 경우 사각뿔일 수 있으며, 밑면이 원형인 경우 원뿔일 수 있다. 다만, 펜 팁(23)의 뿔 형태는 이에 한정되는 것이 아니고, 펜 팁(23)이 꼭지점을 기준으로 기울어짐에 따라 뿔의 측면과 터치 패널 사이의 거리가 인접하게 되는 모든 뿔 형태를 포함할 수 있다.
도 19의 (a)에는 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)을 구비한 스타일러스 펜(20)이 터치 패널(200)을 기준으로 수직인 상태로 터치가 가해지는 것에 도시되어 있다. 한편, 도 19의 (b)에는 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)을 구비한 스타일러스 펜(20)이 터치 패널(200)에 대하여, 꼭지점을 기준으로 기울어진 상태로 터치가 가해지는 것이 도시되어 있다.
도 19의 (a)의 경우, 펜 팁(23)과 터치 패널(200) 사이에서 정전 용량 커플링에 의해 발생되는 상호 용량 캐패시턴스(CM1)는 도 19의 (b)의 경우 발생되는 상호 용량 캐패시턴스(CM2)보다 작은걸 알 수 있다. 즉, 도 19의 (b)의 경우, 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)이 꼭지점(23a)를 기준으로 기울어짐에 따라, 펜 팁(23)의 측면(23c)과 터치 패널(200) 사이의 가용 면적이 늘어나고, 상기 펜 팁(23)의 측면(23c)과 터치 패널(200) 사이의 거리가 짧아지므로, CM2는 CM1보다 큰 용량을 가지게 된다.
도 20은 터치 패널을 기준으로 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)을 수직인 상태로 터치를 가했을 경우(도 19의 (a))와 기울인 상태로 터치를 가했을 경우(도 19의 (b))에 터치 패널(200)에서 감지되는 전기 신호를 측정한 데이터이다.
도 20을 참조하면, 터치 패널 전극의 센싱 전극(Rx)이 감지하는 전기 신호(전압(VRx))의 크기는, 도 19의 (b)과 같이, 뿔 형태로 형성된 펜 팁(23)을 기울여서 터치를 가했을 경우 수직으로 터치를 가했을 경우보다 더 크다.
한편, 도 21에는 펜 팁(21)이 반 구의 형태로 형성된 것이 도시되어 있다.
펜 팁(23)은, 도 21에 도시된 것과 같이, 반구로 형성될 수 있다. 또한, 반구로 형성된 펜 팁(23)은 반구의 밑 면이 본체에 접촉되도록 배치될 수 있다.
상기 펜 팁(23)이 반 구의 형태로 형성되는 경우, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 송수신되는 전기 신호는 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 터치패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기는, 스타일러스 펜이 기울어지더라도 일정하게 유지될 수 있다.
이 경우에도, 본 발명은 펜 팁(23)이 도체로 형성되고, LC회로와 전기적으로 연결되었을 때, 스타일러스 펜과 터치 패널 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기가 증가되는 효과를 가질 수 있다. 또한, 본 발명은 펜 팁(23)을 반 구 형태로 형성함으로써, 상기 크기가 증가된 전기 신호를 일정하게 유지시킬 수 있다. 따라서, 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 안정성을 증진시킬 수 있다.
도시되진 않았지만, 펜 팁(23)은 뿔 형태와 반 구 형태가 결합된 형태로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 펜 팁(23)은 뿔 형태를 기본으로, 꼭지점 부분만 반구 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 송수신되는 전기 신호의 크기는 펜 팁(23)이 기 설정된 기울기 이하로 기울어진 경우에는 일정하게 유지되고, 상기 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 경우 증가될 수 있다.
위에서 설명한 내용을 스타일러스 펜(20)에 포함된 구성으로 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜(20)은 본체(21), 도체로 형성되며, 상기 본체의 외부로 돌출되어 터치패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁(23) 및 상기 본체 내에 구비되고, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며, 상기 터치 패널과의 사이에서 정전 용량 커플링이 발생되도록 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 LC회로(22)를 포함할 수 있다. 상기 LC회로(22)를 정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치 패널(200)과 전기 신호를 송수신할 수 있다.
상기 전기 신호는 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널(200)과 상기 LC회로(22)의 사이에서 송수신될 수 있다. 이를 위해, 펜 팁(23)이 도체로 형성되어 있고, LC회로(22)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 LC회로(22)는, 상기 터치 패널(200)에서 전송되는 전기 신호를 상기 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통해 수신하고, 상기 수신한 전기 신호를 이용하여 공진이 발생되도록 형성될 수 있다. 여기서, LC회로는 공진이 발생한 상태에서 터치 패널(200)로 전기 신호를 부가할 수 있다. 여기서, 상기 전기 신호는 제1 전기 신호일 수 있다.
상기 펜 팁(23)은 하나의 밑면(23b)과 하나의 꼭지점(23a)을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치될 수 있다. 상기 펜 팁(23)에서 수신하는 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점(23a)을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가할 수 있다.
상기 LC회로(22)는 상기 펜 팁에 압력이 가해지는 것에 근거하여 전기 용량이 가변되는 가변 캐패시터(ΔC)를 더 포함할 수 있다. 상기 LC회로(22)는, 상기 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 상기 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되는 것에 근거하여 상기 터치패널로 부가하는 제1 전기 신호를 제2 전기 신호로 변경할 수 있다. 구체적으로 상기 스타일러스 펜(20)의 터치동작은 상기 펜 팁(23)에 압력이 가해지는 것으로 이해되어질 수 있다. 즉, 상기 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 상기 펜 팁(23)에 압력이 가해지면, 상기 가변 캐패시터(ΔC)의 전기 용량은 변경될 수 있다. LC회로(22)는 상기 전기 용량이 가변되는 것에 따라 공진 주파수가 다른 전기 신호를 발생시킬 수 있다. 즉, LC회로(22)는 펜 팁(23)에 압력이 가해지기 전에 발생된 제1 전기 신호를, 상기 펜 팁(23)에 압력이 가해지는 것에 근거하여 상기 제1 전기 신호와 다른 제2 전기 신호로 변경할 수 있다.
상기 제2 전기 신호는, 상기 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통하여 상기 터치 패널(200)로 송신될 수 있다. 이를 위해, 상기 펜 팁(23)은 도체로 형성되며, LC회로(22)와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 펜 팁(23)은 하나의 밑면(23b)과 하나의 꼭지점(23a)을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치될 수 있다. 또한, 상기 펜 팁(23)에서 송신되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁(23)이 상기 꼭지점(23a)을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가할 수 있다.
한편, 상기 펜 팁(23)은 반구로 형성되고, 상기 반구의 밑면이 상기 본체와 접촉되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 터치패널(200)과 상기 펜 팁(23) 사이에서 송수신되는 전기 신호는, 상기 펜 팁이 기울어지더라도 일정하게 유지될 수 있다.
이상에서 살펴본 것과 같이, 본 발명에서는 스타일러스 펜(20)을 구성하는 펜 팁(23)을 도체로 형성하고, LC회로(22)와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 이로 인해, 정전 용량 커플링 방식으로 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 펜 팁(23)을 뿔 형태로 형성시켜 상기 펜 팁(23)이 기울어짐에 따라 정전 용량 커플링 방식으로 터치 패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
이하에서는, 스타일러스 펜의 펜 팁이 뿔 형태로 형성된 경우, 터치 패널에서 상기 스타일러스 펜으로부터 가해지는 터치 지점을 결정하는 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 살펴본다.
도 22는 터치 패널에서 감지되는 전기 신호에 근거하여 터치 지점을 결정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이고, 도 23 및 도 24는 펜 팁에 비전도성의 보호 부재가 형성되는 경우, 터치 패널에서 감지되는 전기 신호에 근거하여 터치 지점을 결정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
위에서 설명한 것과 같이, 스타일러스 펜(20)은 LC회로(22)에서 터치 패널(200)로 부가되는 제1 전기 신호를, 터치 패널(200)에 압력을 가하는 것에 근거하여 제2 전기 신호로 변경하여 전송한다. 제어부(180)는 상기 터치 패널(200)로 송신되는 제2 전기 신호를 감지하여, 상기 터치 패널(200)에서의 터치 지점을 결정할 수 있다.
상기 제2 전기 신호는 도체로 형성된 펜 팁(23)을 통하여 상기 터치 패널(200)로 송신될 수 있다. 터치 패널(200)에서 상기 제2 전기 신호(공진 주파수가 변경된 전기 신호)를 수신하는 방법은 도 3 내지 16에서 설명한 내용을 동일/유사하게 유추적용할 수 있다.
여기서, 상기 펜 팁(23)이 뿔 형태로 형성되는 경우, 상기 스타일러스 펜에서 송신되는 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁(23)이 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가될 수 있다.
제어부(180)는, 상기 제2 전기 신호가 감지된 지점 중 제2 전기 신호의 크기가 임계값 이상인 지점을 터치 지점으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 임계값 이상의 크기를 갖는 지점은, 터치 패널(200)에서 펜 팁(23)의 꼭지점(23c)에 의해 터치가 가해진 지점일 수 있다.
한편, 상기 펜 팁(23)이 뿔 형태로 형성되고, 상기 펜 팁(23)이 꼭지점을 기준으로 기울어짐에 따라, 상기 터치 패널(200)에서는 일 영역에서 상기 임계값 이상의 크기를 갖는 제2 전기 신호가 감지될 수 있다. 예를 들어, 터치 패널(200)은, 도 22의 (a)에 도시된 것과 같이, 뿔 형태의 펜 팁(23)이 기울어짐에 따라 제2 전기 신호의 크기가 임계값 이상인 제2 전기 신호를 일 영역(400)에서 감지할 수 있다.
상기 일 영역(400)은 상기 뿔 형태의 펜 팁(23)이 기울어지는 정도, 펜 팁(23)의 형태 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 일 영역(400)은 기울어진 상태인 뿔 형태의 펜 팁을 터치 패널(200)에 수직으로 평행 광선을 비출 때 생기는 그림자의 형태일 수 있다. 즉, 상기 일 영역(400)은 상기 기울어진 상태인 뿔 형태의 펜 팁(23)을 터치 패널(20)로 정사영(orthogonal projection)시킴에 따라 생성되는 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 뿔 형태의 펜 팁(23)이 기울어진 상태로 터치 패널(200)에 터치가 가해진 경우, 상기 일 영역(400)은 삼각형의 형태일 수 있다.
스타일러스 펜(20)이 기울어짐에 따라 상기 터치 패널(200)의 일 영역(400)에서 임계값 이상의 크기를 갖는 제2 전기 신호를 수신하는 경우에, 상기 터치 지점은 상기 감지된 일 영역에 기초하여 결정될 수 있다.
여기서, 임계값 이상의 크기를 갖는 제2 전기 신호가 일 영역에서 감지된다는 것은, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 정전 용량 커플링 방식으로 송수신되는 전기 신호의 크기가 증가된다는 의미로 받아들여질 수 있다.
상기 일 영역에서 감지되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 도 19의 (b)에서 설명한 것과 같이, 상기 터치 패널과 상기 펜 팁의 측면 사이의 거리에 따라 달라질 수 있다. 상기 일 영역(400)에서 감지되는 제2 전기 신호의 크기는, 도 22의 (c)에 도시된 것과 같이, (1)영역이 가장 크고, 그 다음으로 (2)영역, (3)영역 순으로 클 수 있다. 상기 (1) 영역은 뿔 형태의 펜 팁 측면(23c)에서 꼭지점(23a)에 인접한 부분이 정사영된 영역일 수 있다.
도 22의 (c)에서는 설명의 편의를 위하여 (1), (2), (3) 영역으로 구분하여 도시하였으나, 실제에서는 제2 전기 신호의 크기가 (1)에서부터 (3)까지 점진적으로 작아지게 된다. 상기 터치패널(200)에서 감지되는 제2 전기 신호의 크기는 터치 패널과 펜 팁 측면 사이의 거리가 가까울수록 커지기 때문이다.
제어부(180)는 일 영역(400)에서 감지되는 제2 전기 신호의 크기에 근거하여 터치 지점(410)을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 일 영역(400)이 정삼각형에 해당하는 경우, 상기 터치 지점(410)은, 도 22의 (c)에 도시된 것과 같이, 상기 일 영역(400) 내에서 제2 전기 신호의 크기가 가장 큰 지점(410)으로 결정될 수 있다. 상기 가장 큰 지점(410)은 펜 팁(23)과 터치 패널(200) 사이의 거리가 가장 가까운 꼭지점(또는, 펜 팁의 측면 중 꼭지점에 가장 인접한 부분)이 정사영된 지점일 수 있다.
또한, 제어부(180)는 일 영역(400)의 형태에 근거하여 터치 지점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 일 영역(400)의 형태가 이등변 삼각형인 경우, 상기 터치 지점은 이등변 삼각형의 꼭지각에 대응되는 지점으로 결정될 수 있다.
한편, 상기 펜 팁(23)의 꼭지점에는, 도 23에 도시된 것과 같이, 비전도성의 보호 부재(25)가 형성될 수 있다. 상기 비전도성의 보호 부재(25)는 펜 팁(23)을 터치 패널(200)에 가압(터치)할 때, 상기 터치 패널(200)의 손상을 방지하는 역할을 한다.
스타일러스 펜(20)의 펜 팁(23)에 상기 비전도성의 보호 부재(25)가 형성된 채로 터치 패널(200)에 터치가 가해지는 경우, 터치 패널(200)은 상기 펜 팁(23)으로부터 전송되는 제2 전기 신호를 수신할 수 있다. 상기 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에 전기 신호를 송수신하는 것은 정전 용량 커플링 방식을 통해 수행되므로, 직접적인 터치가 필요 없기 때문이다(상기 터치는 LC회로의 공진 주파수를 변경하기 위한 터치이다).
도 24의 (a)에 도시된 것과 같이, 펜 팁(23)의 꼭지점에 비 전도성의 보호 부재가 형성된 채로 터치 패널(200)에 터치가 가해지면, 도 24의 (b)에 도시된 것과 같이, 터치 패널(400)에서는 임계값 이상의 크기를 갖는 제2 전기 신호가 일 영역(400)에서 감지될 수 있다.
이 때, 제어부(180)는 일 영역(400)의 형태가 기 설정된 형태에 해당하면, 상기 일 영역을 벗어난 지점을 터치 지점으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 상기 일 영역은, 뿔 형태이고, 꼭지점에 비 전도성의 보호 부재가 형성된 펜 팁을 정사영 시킴에 따라 사다리꼴 형태일 수 있다. 여기서, 기 설정된 형태가 사다리꼴 형태에 해당하면, 도 24의 (c)에 도시된 것과 같이, 상기 터치 지점은 사다리꼴에서 가장 긴 변과 상기 긴 변에 반대되는 변을 연결하는 빗변들에 대하여, 상기 빗변들의 연장선이 교차하는 지점(410)일 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 터치 패널은 뿔 형태의 펜 팁을 구비한 스타일러스 펜이 기울어지는 정도에 비례하여 상기 스타일러스 펜으로부터 수신되는 제2 전기 신호를 더 크게 감지할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 터치패널의 일 영역에서 상기 제2 전기 신호가 감지되는 경우, 도 22 내지 도 24의 방법을 통해 터치 지점을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 스타일러스 펜이 기울어짐에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시켜 스타일러스 펜의 터치 인식률을 증가시킬 수 있다. 또한, 일 영역에서 가해지는 전기 신호에 근거하여 터치 지점을 결정할 수 있어 터치 지점에 대한 정확도도 현저히 상승시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 스타일러스 펜은 상기 본체 내에 구비되며, 상기 LC회로와 전기적으로 연결되어 상기 전기 신호의 크기를 증가시키는 전도성 부재(24)를 더 포함할 수 있다. 상기 전도성 부재(24)는, 도 17에 도시된 것과 같이, 본체(21)의 내부에 구비될 수 있으며, LC회로(22)와 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서 전기적으로 연결된다는 것은, LC회로(22)가 펜 팁(23)과 전기적으로 연결되는 것과 마찬가지로 전도성 부재(24)와 상기 LC회로(22)가 전기신호를 직접적으로 송수신할 수 있는 물체(예를 들어, 전선)로 연결되어 있는 것을 의미할 수 있다.
도 25에 도시된 것과 같이, 본 발명에서는 LC회로(22)와 전도성 부재(24)를 전기적으로 연결함으로써, 터치패널(200)과 스타일러스 펜(20) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
도 25의 (a)에 도시된 것과 같이, LC회로(22)가 전도성 부재(24)와 연결되지 않은 상태에서 터치 패널(200)에 터치 가해진 경우 터치 패널 전극의 센싱 전극(RX)에서 감지하는 전기 신호는, 도 25의 (b)에 도시된 것과 같이, LC회로(22)가 전도성 부재(24)와 전기적으로 연결된 상태에서 터치 패널(200)에 터치가 가해진 경우 터치 패널 전극의 센싱 전극(RX)에서 감지하는 전기 신호보다 작은 것을 알 수 있다. 즉, 스타일러스 펜(20)에서 LC회로(22)와 전도성 부재(24)가 전기적으로 연결된 경우, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기는 증가하는 것을 알 수 있다. 상기 전도성 부재(24)는 가상 접지(virtual ground(GND))의 역할을 하는 것으로 이해되어질 수 있다.
이상에서 살핀 것과 같이, 본 발명에서는 LC회로와 전도성 부재를 전기적으로 연결함으로써, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 터치 패널을 구성하는 터치 패널 전극의 형태를 변형하여, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다.
터치 패널에 포함된 복수의 터치 패널 전극은, 도 26의 (a)에 도시된 것과 같이, 복수개 배열되는 구동 전극(Tx 전극선) 및 상기 구동 전극과 교차하여 배열되는 복수의 센싱 전극(Rx 전극선)을 포함할 수 있다.
상기 구동 전극은 스타일러스 펜(20)으로 전기 신호를 송신하는 역할을 한다. 또한, 상기 센싱 전극은 스타일러스 펜(20)으로부터 수신되는 전기 신호(제2 전기 신호)를 검출하는 역할을 한다.
또한, 스타일러스 펜(20)으로부터 수신되는 전기 신호의 검출율을 증가시키기 위해, 상기 구동 전극의 폭은 상기 센싱 전극의 폭보다 크게 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 구동 전극의 폭을 센싱 전극의 폭보다 크게 형성시킴으로써, 스타일러스 펜(20)과 터치 패널(200) 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 여기서, 전기 신호의 크기를 증가시킨다는 것은, 스타일러스 펜으로부터 송신되는 전기 신호를 터치 패널에서 검출하는 검출율이 증가한다는 의미일 수 있다.
이하에서는, 도 26의 (b)와 도 26의 (c)를 참조하여, 보다 구체적으로 살펴본다.
도 26의 (b)에는 터치 패널 전극 중 Tx 전극선으로부터 스타일러스 펜(20)으로 전기 신호(전력)을 전송하는 등가회로가 도시되어 있다.
위에서 설명한 것과 같이, Tx 전극선에는 AC 전압 발생부(110) 또는 전원 공급부(110)가 연결될 수 있다. Vtx는 Tx전극선에 가해지는 신호 전압, Rtx는 Tx전극선의 등가 저항, Ctxp는 tx전극의 부유 용량 캐패시턴스, Cm1은 터치 패널의 TX전극선(또는 Ctxp)과 스타일러스 펜의 캐패시터(Cs) 사이에서 정전 용량 커플링에 의해 발생되는 상호 용량 캐패시턴스, Cs는 스타일러스 펜의 LC회로에 구비된 캐패시턴스, Ls는 스타일러스 펜의 LC회로에 구비된 인덕턴스를 의미한다.
터치 패널(200)로부터 전송되는 전기 신호에 의해 상기 스타일러스 펜(20)에 공급되는 Vs는 아래와 같은 수학식11의 관계를 만족할 수 있다.
Figure 112014073305388-pat00011
한편, 도 26의 (c)에는 스타일러스 펜(20)으로부터 터치 패널 전극 중 RX 전극선으로 전기 신호를 전송하는 등가회로가 도시되어 있다.
Vrx는 RX전극선에서 검출되는 신호 크기, Rrx는 RX전극선의 등가저항, Crxp는 RX전극선의 부유 용량 캐패시턴스, Cm2는 터치 패널의 RX전극선(Crxp)과 스타일러스 펜의 캐패시터(Cs) 사이에서 정전 용량 커플링에 의해 발생되는 상호 용량 캐패시턴스, Cs는 스타일러스 펜의 LC회로에 구비된 캐패시턴스, Ls는 스타일러스 펜의 LC회로에 구비된 인덕턴스를 의미한다.
상기 스타일러스 펜(20)에로부터 수신되는 전기 신호를 터치 패널의 RX전극선에 센싱한 크기 Vrx는 아래와 같은 수학식12의 관계를 만족할 수 있다.
Figure 112014073305388-pat00012
상기 수학식 11 및 수학식 12을 이용해 수학식 13를 도출할 수 있다.
Figure 112014073305388-pat00013
여기서, Crxp >> Cm2를 만족하므로, 상기 수학식 13은 수학식 14로 서술할 수 있다.
Figure 112014073305388-pat00014
즉, 터치 패널(200)의 센싱 전극에서 검출되는 전기 신호의 크기(Vrx)는, Cm2와 Cm1의 곱에 비례하고, Crxp의 크기에 반비례하는 것을 알 수 있다.
Cm2와 Cm1의 곱에 비례하는 것은, 펜 팁과 LC회로가 전기적으로 연결되는 구성, 펜 팁이 도체로 형성되는 구성, 펜 팁이 뿔 형태로 형성된 상태로 기울어지는 구성에 따라 Cm2와 Cm1이 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 Crxp는 센싱 전극의 RX전극선의 선폭에 비례한다. 따라서, 센싱 전극의 폭을 작게할 수록 스타일러스 펜(20)으로부터 수신되는 전기 신호의 검출율(크기)이 증가하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 구동전극의 폭을 센싱전극의 폭보다 크게 형성함으로써, 터치 패널에서의 감지되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 다시 말해, 본 발명에서는, 센싱 전극의 폭을 구동 전극의 폭보다 작게 형성하여, 스타일러스 펜으로부터 수신되는 전기 신호에 대한 검출율을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 근거하여 다양한 기능을 수행할 수 있다. 도 27 내지 도 29는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 근거하여 다양한 기능을 수행하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
우선, 도 8을 참조하면, 본 발명의 이동 단말기(10)는 터치 패널(200)에 중첩되어 배치되는 디스플레이부(151)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 스타일러스 펜(20)으로부터 가해지는 터치에 근거하여, 상기 스타일러스 펜의 터치 궤적에 대응되는 이미지를 디스플레이부(151)에 출력하는 제어부(180)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 이미지(500)는 제어부(180)의 제어에 따라, 표시 구동 회로(62)를 이용해 표시 패널(60)에 표시될 수 있다. 상기 디스플레이부(151)에는 상기 표시 패널(60)에 표시된 상기 이미지(500)가 출력될 수 있다.
한편, 제어부(180)는 펜 팁(23)이 기울어지는 정도에 따라 서로 다른 방식으로 상기 이미지(500)를 출력할 수 있다.
상기 펜 팁이 기울어지는 정도는, 터치 패널(200)에서 임계값 이상의 크기를 갖는 전기 신호가 감지되는 일 영역의 크기에 근거하여 결정될 수 있다.
상기 펜 팁(23)은 도체로 형성될 수 있으며, LC회로(22)와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 펜 팁(23)은 뿔 형태를 가질 수 있다. 위와 같은 특징을 가지는 펜 팁(23)이 기울어짐에 따라, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 정전 용량 커플링 방식을 통해 송수신되는 전기 신호의 크기가 증가하는 내용은 위에서 설명한 내용으로 갈음한다.
즉, 제어부(180)는, 상기 터치 패널(200)에서 임계값 이상의 크기를 가지는 전기 신호(제2 전기 신호)가 감지되는 일 영역의 크기를 판단하고, 상기 일 영역의 크기에 근거하여, 상기 펜 팁(23)(스타일러스 펜)이 기울어진 정도를 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 펜 팁(23)이 기울어진 정도는, 상기 터치 패널에서 임계값 이상의 크기를 갖는 제2 전기 신호가 감지되는 일 영역의 크기가 클수록 커질 수 있다.
상기 터치 궤적에 대응되는 이미지(500)는 터치 궤적에 대응되는 선을 포함할 수 있다. 제어부(180)는 스타일러스 펜(20)이 기울어지는 정도에 따라 상기 선의 굵기 및 상기 이미지의 색상 중 적어도 하나를 다르게 표시할 수 있다.
예를 들어, 도 27의 (a)에 도시된 것과 같이, 스타일러스 펜(20)이 터치 패널(200)을 기준으로 수직인 상태에서 터치가 가해지는 경우, 제어부(180)는 상기 터치 궤적에 대응되는 이미지(500)를 디스플레이부(151)에 표시할 수 있다. 한편, 도 27의 (b)에 도시된 것과 같이, 스타일러스 펜(20)이 기울어진 상태에서 터치가 가해지는 경우, 제어부(180)는 수직인 상태에서 터치가 가해짐에 따라 생성된 이미지(500)의 선 굵기보다 두껍게 상기 기울어진 상태에서 가해진 터치 궤적에 대응되는 이미지(500)를 출력할 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과할 뿐, 제어부(180)는 스타일러스 펜(20)이 기울어지는 정도에 따라 상기 선의 굵기를 두껍게 하거나 얇게 표시할 수 있다. 또한, 제어부(180)는 스타일러스 펜(20)이 기울어지는 정도에 따라 상기 이미지(선)의 색상을 다르게 제어하거나, 상기 선의 종류(예를 들어, 직선 또는 점선)를 다르게 제어할 수 있다.
한편, 제어부(180)는, 상기 스타일러스 펜(20)의 터치에 의해 이미지(500)가 출력된 상태에서, 펜 팁(스타일러스 펜)이 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 상태로 드래그 터치가 가해지는 것에 근거하여 다양한 기능을 수행할 수 있다.
상기 다양한 기능 중 하나는, 상기 출력된 이미지(500)에서 상기 드래그 터치의 궤적에 중첩되는 이미지(510)를 삭제하는 기능일 수 있다.
예를 들어, 도 28의 (a)에 도시된 것과 같이, 디스플레이부(151)에는 이미지(500)가 출력되어 있을 수 있다. 상기 이미지(500)는 도 27에서 설명한 방법에 기초하여 생성된 이미지일 수 있다. 이 상태에서, 제어부(180)는, 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 상태인지 여부를 판단할 수 있다. 일 예로, 상기 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 상태인지 여부는 터치 패널(200)에서 임계값 이상의 크기를 갖는 전기 신호(제2 전기 신호)가 감지되는 일 영역의 크기가 기 설정된 크기 이상인지 여부로 결정될 수 있다.
제어부(180)는, 상기 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 상태로 드래그 터치가 가해지면, 도 28의 (b)에 도시된 것과 같이, 출력된 이미지(500)에서 상기 드래그 터치의 궤적에 중첩되는 이미지(510)를 삭제할 수 있다.
한편, 제어부(180)는, 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 속도 이상으로 기울어지는지 여부에 따라 다양한 기능을 수행할 수 있다.
상기 기 설정된 속도 이상으로 기울어진다는 것은 상기 터치 패널(200)에 터치를 가하고 있는 스타일러스 펜(20)의 기울기가 기준 시간동안 기준 기울기 이상으로 기울여지는 것을 의미할 수 있다.
제어부(180)는, 임계값 이상의 크기를 갖는 상기 제2 전기 신호가 감지되는 일 영역(400)의 크기가 기준 시간동안 기준 크기 이상으로 커지는지 또는 좁아지는지 여부에 따라 상기 기 설정된 속도 이상으로 기울어지는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 기준 크기는 펜 팁이 기준 기울기에 대응되도록 기울여진 상태에서, 상기 펜 팁을 터치 패널로 정사영시킴에 따라 생성된 일 영역의 크기를 의미할 수 있다.
제어부(180)는, 상기 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 속도 이상으로 기울어진다고 판단되는 경우, 다양한 기능을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 다양한 기능은 디스플레이부의 온/오프 기능, 기 설정된 애플리케이션의 실행 기능, 홈 스크린 페이지로의 전환 기능, 디스플레이부에 출력된 이미지에 대한 저장 기능, 디스플레이부에 출력된 이미지에 대한 전체 삭제 기능 등을 포함할 수 있다.
도 29에서는 디스플레이부에 출력된 이미지에 대한 저장 기능을 예로 들어 설명한다.
디스플레이부(151)에는, 도 29의 (a)에 도시된 것과 같이, 스타일러스 펜(20)의 터치 궤적에 대응되는 이미지(500)가 출력되어 있을 수 있다. 이후, 상기 스타일러스 펜(20)은 터치 패널을 기준으로 기 설정된 속도 이상으로 기울어질 수 있다. 제어부(180)는, 상기 터치 패널(200)에서 임계값 이상의 크기를 갖는 제2 전기 신호가 감지되는 영역이 기준 시간 이내에 기준 크기 이상으로 커지는 것에 근거하여, 상기 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 속도 이상으로 기울어진다고 판단할 수 있다.
이후, 제어부(180)는, 도 29의 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 속도 이상으로 기울어지는 것에 근거하여 상기 디스플레이부(151)에 출력된 이미지를 저장하기 위한 알림 정보(700)를 출력할 수 있다.
한편, 도 29에서 설명한 내용은, 터치 패널(200)의 일 지점에서 상기 스타일러스 펜(20)에 의해 터치가 가해지는 상태에서, 상기 스타일러스 펜(20)의 기울기가 기 설정된 기울기 이상으로 기울어지는 것에 근거하여 수행될 수 있다. 즉, 제어부(180)는, 상기 터치 패널(200)의 일 지점에서 스타일러스 펜(20)으로부터 수신되는 제2 전기 신호가 감지되는 도중, 상기 스타일러스 펜(20)이 기 설정된 기울기 이상으로 기울어짐에 따라 상기 터치 패널(200)의 일 영역에서 상기 제2 전기 신호가 감지되면, 상기 도 29에서 설명한 기능들을 수행할 수 있다.
이상에서 살핀 것과 같이, 본 발명에 따르면, 기존의 터치 패널을 이용하여 스타일러스 펜과 전기 신호를 송수신할 수 있다. 따라서, 코일로 형성된 별도의 전력 공급장치를 구비하지 않아도 되므로, 비용 절감 및 이동 단말기의 두께를 더욱 얇게 만들 수 있다.
또한, 본 발명은 정전 용량 커플링을 통하여 스타일러스 펜에 전기 신호를 공급하고, 공진 상태에서 발생되는 전기 신호를 통해 터치 패널에 터치를 가할 수 있다. 따라서, 본 발명은 별도의 전원부를 구비하지 않고, 보다 간단한 회로만으로 구성된 스타일러스 펜을 제공할 수 있어, 비용 절감 및 스타일러스 펜의 무게를 더욱 가볍게 만들 수 있다.
또한, 본 발명은 스타일러스 펜에 구비된 LC회로와 도체로 형성된 펜 팁을 전기적으로 연결함으로써, 정전 용량 커플링 방식을 통해 스타일러스 펜과 터치 패널 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉, 본 발명은 펜 팁을 도체로 형성하고, LC회로와 전기적으로 연결시킴으로써, LC회로의 캐패시터과 터치 패널 전극과의 거리를 더욱 가깝게 하는 역할을 할 수 있다. 여기서, 정전 용량 커플링 방식은 캐패시터의 특성에 따라 거리가 가까워지면 전기 신호의 송수신이 더욱 잘 일어나게 된다. 따라서, 본 발명은 스타일러스 펜에 의한 터치 인식률을 현저히 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 도체인 펜 팁을 뿔 형태로 형성함으로써, 상기 펜 팁이 기울어짐에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 즉, 정전 용량 커플링 방식은 캐패시터의 특성에 따라 단면석이 커지면 전기 신호의 송수신이 더욱 잘 일어나게 된다. 따라서, 본 발명은 종래에 인덕티브 커플링을 이용해 전기 신호를 송수신하는 경우, 스타일러스 펜을 기울이면 인식률이 떨어지는 문제점을 해결하고, 나아가, 스타일러스 펜을 기울임으로써 스타일러스 펜에 의한 터치 인식률을 더욱 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 뿔 형태로 형성된 펜 팁이 기울어짐에 따라 터치 패널의 일 영역에서 신호의 크기가 임계값 이상인 전기 신호가 감지되는 경우, 기 설정된 방식에 의해 터치 지점을 결정할 수 있다. 따라서, 본 발명은 스타일러스 펜이 기울어짐에 따라 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호의 크기를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 전기 신호가 일 영역에서 감지됨에 따라 터치 지점의 정확도가 떨어지는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 스타일러스 펜의 펜 팁이 기울어짐에 따라 터치 패널에서 임계값 이상의 크기를 갖는 전기 신호가 감지되는 영역의 크기가 변경될 수 있다. 즉, 본 발명은 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 근거하여, 서로 다른 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 본원발명은 스타일러스 펜이 기울어지는 것에 따라 서로 다른 기능을 제공할 수 있는 새로운 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 구동전극의 폭을 센싱전극의 폭보다 크기 형성함으로써, 스타일러스 펜으로부터 수신되는 전기 신호에 대한 인식률을 증가시킬 수 있다.

Claims (29)

  1. 스타일러스 펜이 구비된 이동 단말기로서,
    복수의 터치 패널 전극이 구비된 터치패널; 및
    정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치패널과 전기 신호를 송수신하도록 형성되는 스타일러스 펜을 포함하고,
    상기 스타일러스 펜은,
    본체;
    도체로 형성되며, 상기 본체의 외부로 돌출되어 상기 터치패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁; 및
    상기 본체 내에 구비되고, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며, 상기 터치 패널과의 사이에서 상기 정전 용량 커플링이 발생되도록 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 LC회로를 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 전기 신호는 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널과 상기 LC회로의 사이에서 송수신되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스타일러스 펜은,
    상기 터치 패널에서 전송되는 전기 신호를 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통해 수신하고, 상기 수신한 전기 신호를 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 상기 LC회로로 공급하여 상기 LC회로에서 공진을 발생하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며,
    상기 스타일러스 펜에서 수신하는 전기 신호의 크기는,
    상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 LC회로는 상기 펜 팁에 압력이 가해지는 것에 근거하여 전기 용량이 가변되는 가변 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 터치 패널은,
    상기 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 상기 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되는 것에 근거하여 터치 지점을 감지하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 LC회로에서 상기 터치패널로 부가되는 제1 전기 신호는 상기 전기 용량의 변경에 따라 제2 전기 신호로 변경되며,
    상기 제2 전기 신호를 감지하여 상기 터치 패널에서의 터치 지점으로 결정하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 전기 신호는,
    상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널로 송신되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며,
    상기 스타일러스 펜에서 송신되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 전기 신호가 감지된 지점 중 상기 제2 전기 신호의 크기가 임계값 이상인 지점을 터치 지점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스타일러스 펜이 기울어짐에 따라 상기 터치 패널의 일 영역에서 임계값 이상의 크기를 갖는 상기 제2 전기 신호를 수신하는 경우에, 상기 터치지점은 상기 감지된 일 영역에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 일 영역에서 감지되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 터치 패널과 상기 펜 팁의 측면 사이의 거리에 따라 달라지며,
    상기 제어부는,
    상기 일 영역에서 감지되는 상기 제2 전기 신호의 크기에 근거하여 상기 터치 지점을 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 터치지점은 상기 일 영역 내에서 상기 제2 전기 신호가 가장 큰 지점으로 결정되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 펜 팁의 꼭지점에는 비전도성의 보호 부재가 형성되고,
    상기 제어부는,
    상기 일 영역의 형태가 기 설정된 형태에 해당하면, 상기 일 영역을 벗어난 지점을 상기 터치 지점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 반구로 형성되고, 상기 반구의 밑면이 상기 본체와 접촉되도록 배치되며,
    상기 터치패널과 상기 스타일러스 펜 사이에서 송수신되는 전기 신호는, 상기 스타일러스 펜이 기울어지더라도 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 스타일러스 펜은,
    상기 본체 내에 구비되며, 상기 LC회로와 전기적으로 연결되어 상기 전기 신호의 크기를 증가시키는 전도성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 터치 패널 전극은,
    복수개 배열되는 구동전극; 및
    상기 구동전극과 교차하여 배열되는 복수의 센싱전극을 포함하고,
    상기 구동전극의 폭은 상기 센싱전극의 폭보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치패널에 중첩되어 배치되는 디스플레이부; 및
    상기 스타일러스 펜으로부터 가해지는 터치에 근거하여, 상기 스타일러스 펜의 터치 궤적에 대응되는 이미지를 상기 디스플레이부에 출력하는 하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 펜 팁이 기울어지는 정도에 따라 서로 다른 방식으로 상기 이미지를 출력하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며,
    상기 펜 팁이 기울어지는 정도는,
    상기 터치패널에서 임계값 이상의 크기를 갖는 상기 전기 신호가 감지되는 일 영역의 크기에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 터치 궤적에 대응되는 이미지는 상기 터치 궤적에 대응되는 선을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 스타일러스 펜이 기울어지는 정도에 따라 상기 선의 굵기 및 색상 중 적어도 하나를 다르게 표시하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 이미지가 출력된 상태에서, 상기 펜 팁이 기 설정된 기울기 이상으로 기울어진 상태로 드래그 터치가 가해지면,
    상기 출력된 이미지에서 상기 드래그 터치의 궤적에 중첩되는 이미지를 삭제하는 것을 특징으로 하는 이동 단말기.
  21. 본체;
    도체로 형성되며, 상기 본체의 외부로 돌출되어 터치패널에 터치를 가하도록 형성되는 펜 팁; 및
    상기 본체 내에 구비되고, 인덕터 및 캐패시터를 포함하며, 상기 터치 패널과의 사이에서 정전 용량 커플링이 발생되도록 상기 펜 팁과 전기적으로 연결되는 LC회로를 포함하고,
    상기 LC회로는 정전 용량 커플링을 이용하여, 상기 터치패널과 전기 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하며,
    상기 전기 신호는 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널과 상기 LC회로의 사이에서 송수신되는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  22. 삭제
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 LC회로는,
    상기 터치 패널에서 전송되는 전기 신호를 상기 도체로 형성된 펜 팁을 통해 수신하고, 상기 수신한 전기 신호를 이용하여 공진이 발생되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며,
    상기 펜 팁에서 수신하는 전기 신호의 크기는,
    상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 LC회로는 상기 펜 팁에 압력이 가해지는 것에 근거하여 전기 용량이 가변되는 가변 캐패시터를 더 포함하고,
    상기 LC회로는,
    상기 스타일러스 펜의 터치동작에 의하여 상기 가변 캐패시터의 전기 용량이 변경되는 것에 근거하여 상기 터치패널로 부가하는 제1 전기 신호를 제2 전기 신호로 변경하는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제2 전기 신호는,
    상기 도체로 형성된 펜 팁을 통하여 상기 터치 패널로 송신되는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 하나의 밑면과 하나의 꼭지점을 갖는 뿔 형태로 형성되고, 상기 꼭지점이 상기 본체의 외부를 향하도록 배치되며,
    상기 펜 팁에서 송신되는 상기 제2 전기 신호의 크기는, 상기 펜 팁이 상기 꼭지점을 기준으로 기울어지는 정도에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  28. 제 21 항에 있어서,
    상기 펜 팁은 반구로 형성되고, 상기 반구의 밑면이 상기 본체와 접촉되도록 배치되며,
    상기 터치패널과 상기 펜 팁 사이에서 송수신되는 전기 신호는, 상기 펜 팁이 기울어지더라도 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
  29. 제 21 항에 있어서,
    상기 본체 내에 구비되며, 상기 LC회로와 전기적으로 연결되어 상기 전기 신호의 크기를 증가시키는 전도성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스타일러스 펜.
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