KR102216328B1 - 터치 스크린 장치 - Google Patents

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KR102216328B1
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Abstract

본 발명은 입력 펜에 가해지는 압력이 변화하더라도 펜 터치 좌표 및 펜 압력을 보다 정확하게 검출할 수 있도록 한 터치 스크린 장치를 제공하는 것으로, 본 발명에 따른 터치 스크린 장치는 복수의 제 1 라인과 상기 복수의 제 1 라인과 교차하는 복수의 제 2 라인을 갖는 터치 패널; 상기 터치 패널에 형성되고, 입력 펜에 구비된 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되는 전자기 신호가 유도되는 안테나 루프; 및 상기 복수의 제 1 및 제 2 라인과 안테나 루프에 연결된 터치 구동부를 포함하고, 상기 터치 구동부는 상기 터치 패널에 터치된 펜에 가해지는 압력에 따라 변화하는 펜 공진 주파수를, 상기 터치된 펜으로부터 상기 안테나 루프에 유도되는 전자기 신호를 기반으로 산출하고, 산출된 펜 공진 주파수와 고유 공진 주파수를 비교하여 상기 펜 공진 주파수의 변화량을 산출하며, 산출된 펜 공진 주파수의 변화량에 따라 구동 신호의 주파수를 변경하여 상기 터치 패널에 인가할 수 있다.

Description

터치 스크린 장치{TOUCH SCREEN DEVICE}
본 발명은 터치 스크린 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 입력 펜을 이용하는 터치 스크린 장치에 관한 것이다.
터치 스크린 장치는 액정 표시 장치, 전계 방출 표시 장치, 플라즈마 표시 장치, 전계 발광 표시 장치, 전기 영동 표시 장치, 및 유기 발광 표시 장치 등의 영상 표시 장치에 설치되어 사용자가 표시 장치를 보면서 손가락이나 펜 등으로 화면과 직접 접촉하여 정보를 입력하는 입력 장치의 한 종류이다.
최근, 터치 패널은 이동 통신 단말기, 전자 수첩, 전자 책, PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, UMPC(Ultra Mobile PC), 모바일 폰, 스마트 폰, 태블릿 PC(Personal Computer), 및 와치 폰(watch phone) 등과 같은 휴대용 전자 기기뿐만 아니라 텔레비전, 노트북, 및 모니터 등과 같은 각종 전자 기기의 입력 장치에 채용되고 있다. 특히, 펜을 이용한 터치 입력 방식은 손가락에 의한 입력에 비해 더 세밀한 입력이 가능하므로 필기, 스케치, 및 세밀한 그림 그리기 등의 그래픽 작업을 수행하는데 적합하다.
터치 패널은 터치 감지 방식에 따라, 저항 방식, 정전 용량 방식, 및 전자기 방식 등으로 구분될 수 있다.
저항 방식은 직류 전압을 인가한 상태에서 압력에 의해 눌려진 위치를 전류량의 변화에 의해 감지한다.
정전용량 방식은 교류 전압을 인가한 상태에서 커패시턴스 커플링(Capacitance Coupling)을 이용하여 감지한다.
전자기 방식은 입력 펜에 구비된 공진 회로의 구동에 따라 발생되는 전자기 신호를 터치 패널에 형성된 안테나 루프에 유도하고, 안테나 루프에 유도된 전자기 신호를 이용해 입력 펜 터치 좌표를 검출한다.
최근에는 입력 펜 터치 좌표뿐만 아니라 입력 펜에 가해진 펜 압력을 검출할 수 있는 전자기 방식의 터치 스크린 장치에 대한 연구 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 전자기 방식을 이용하여 펜 압력을 검출하는 방법은 입력 펜의 전도성 팁에 압력이 가해지게 되면, 공진 회로의 펜 공진 주파수를 변경시키고, 안테나 루프에서 수신되는 전자기 신호로부터 공진 회로의 펜 공진 주파수를 검출하고, 고유 공진 주파수 대비 검출된 펜 공진 주파수의 변화량을 측정하게 된다.
그러나, 위와 같은 펜 압력을 검출하는 방법은 입력 펜에 가해지는 압력에 의해 공진 회로의 펜 공진 주파수가 변경되기 때문에 펜 공진 주파수의 변경에 의해 안테나 루프에 유도되는 전자기 신호의 세기가 감소함으로써 펜 터치 좌표 및 펜 압력을 검출하는데 어려움이 있다.
이상 설명한 배경기술에 기재된 펜 압력을 검출하는 방법은 본 출원의 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 입력 펜에 가해지는 압력이 변화하더라도 펜 터치 좌표 및 펜 압력을 보다 정확하게 검출할 수 있도록 한 터치 스크린 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 터치 스크린 장치는 복수의 제 1 라인과 상기 복수의 제 1 라인과 교차하는 복수의 제 2 라인을 갖는 터치 패널; 상기 터치 패널에 형성되고, 입력 펜에 구비된 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되는 전자기 신호가 유도되는 안테나 루프; 및 상기 복수의 제 1 및 제 2 라인과 안테나 루프에 연결된 터치 구동부를 포함하고, 상기 터치 구동부는 상기 터치 패널에 터치된 펜에 가해지는 압력에 따라 변화하는 펜 공진 주파수를, 상기 터치된 펜으로부터 상기 안테나 루프에 유도되는 전자기 신호를 기반으로 산출하고, 산출된 펜 공진 주파수와 고유 공진 주파수를 비교하여 상기 펜 공진 주파수의 변화량을 산출하며, 산출된 펜 공진 주파수의 변화량에 따라 구동 신호의 주파수를 변경하여 상기 터치 패널에 인가할 수 있다.
상기 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명은 입력 펜에서 발생되는 펜 공진 주파수에 따라 터치 패널에 인가되는 구동 신호의 주파수를 변경함으로써 펜 터치 및 펜 압력을 보다 정확하게 검출할 수 있으며, 이를 통해 펜 터치 및 펜 압력을 산출하는 알고리즘을 단순화하고 내부 메모리 및 연산 처리 속도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터치 스크린 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 터치 구동부와 펜 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 있어서, 입력 펜에 가해지는 압력에 따라 펜 센싱부에 수신되는 신호를 RMS(Root Mean Square) 값으로 나타낸 파형도이다.
도 4는 본 발명에서, 입력 펜에 가해지는 압력에 따라 공진 회로에서 발생되는 신호의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 터치 스크린 장치에 있어서, 펜 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 명세서에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 정의하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "제 1", "제 2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. "상에"라는 용어는 어떤 구성이 다른 구성의 바로 상면에 형성되는 경우뿐만 아니라 이들 구성들 사이에 제3의 구성이 개재되는 경우까지 포함하는 것을 의미한다.
이하에서는 본 발명에 따른 터치 스크린 장치의 바람직한 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 터치 스크린 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 터치 스크린 장치는 터치 패널(110), 안테나 루프(120), 및 터치 구동부(130)를 포함한다.
상기 터치 패널(110)은 액티브 영역(AA)과 액티브 영역을 둘러싸는 주변 영역을 포함한다. 상기 액티브 영역에는 복수의 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx)이 서로 교차하도록 형성되어 있다. 상기 주변 영역의 일측부에는 터치 구동부(130)와 연결되는 패드부(PP)가 형성되어 있다.
상기 복수의 제 1 라인(Tx)은 터치 패널(110)의 제 1 방향(X)을 따라 일정한 간격을 가지도록 액티브 영역(AA) 상에 나란하게 형성된다. 상기 복수의 제 1 라인(Tx)은 투명 도전성 금속 물질, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide) 재질로 형성될 수 있다. 이러한 복수의 제 1 라인(Tx) 각각은 주변 영역에 형성된 복수의 제 1 라우팅 라인(미도시)을 통해 패드부(PP)에 연결된다.
상기 복수의 제 2 라인(Rx)은 제 1 방향(X)과 교차하는 터치 패널(110)의 제 2 방향(Y)을 따라 일정한 간격을 가지도록 액티브 영역(AA) 상에 나란하게 형성된다. 상기 복수의 제 2 라인(Rx)은 투명 도전성 금속 물질, 예를 들어, ITO 재질로 형성될 수 있다. 이러한 복수의 제 2 라인(Rx) 각각은 주변 영역에 형성된 복수의 제 2 라우팅 라인(미도시)을 통해 패드부(PP)에 연결된다.
상기 복수의 제 1 라인(Tx)은 제 1 기판에 형성되고, 상기 복수의 제 2 라인(Rx)은 제 2 기판에 형성되어 투명 접착층에 의해 제 1 기판과 대향 합착될 수 있다. 그리고, 대향 합착된 제 1 및 제 2 기판은 투명 접착층에 의해 커버 글라스 또는 보호 글라스의 하면에 부착될 수 있다. 여기서, 상기 제 1 및 제 2 기판은 PET(polyethyleneterephthalate) 필름일 수 있다.
상기 복수의 제 1 라인(Tx)과 복수의 제 2 라인(Rx)은 절연층을 사이에 두고 교차하도록 형성됨으로써 제 1 라인(Tx)과 제 2 라인(Rx)의 교차부에는 절연층에 의해 상호 정전 용량(mutual capacitance)이 형성된다. 상기 상호 정전 용량은 손가락 터치를 검출하기 위한 터치 센서의 역할을 한다. 이에 따라, 손가락 터치 모드에서, 상기 복수의 제 1 라인(Tx)은 터치 구동 전극으로 사용되고, 상기 복수의 제 2 라인(Rx)은 터치 센싱 전극으로 사용되게 된다. 상기 복수의 제 1 라인(Tx)과 복수의 제 2 라인(Rx) 각각은 바(bar) 형태 또는 마름모 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 안고, 정전 용량을 형성할 수 있는 다른 형태로 변경될 수도 있다.
상기 안테나 루프(120)는 인덕턴스 유도가 가능한 일종의 코일으로서, 입력 펜에 구비된 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되어 유도되는 전자기 신호를 수신하기 위한 것이다. 여기서, 안테나 루프(120)는 입력 펜 간의 에어 코어(air core)를 매개로 하여 동작하는 코일일 수 있다. 이러한 상기 안테나 루프(120)는 터치 패널(110)의 외곽부를 둘러싸도록 주변 영역 상에 형성되되, 일단과 타단이 일정한 거리로 이격되어 패드부(PP)에 연결된다. 즉, 상기 안테나 루프(120)는 패드부(PP)에 인접한 액티브 영역(AA)의 일측 영역 일부를 제외한 나머지 액티브 영역(AA)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 터치 패널(110)의 주변 영역에는 액티브 영역(AA)을 둘러싸면서 일정한 간격으로 형성되는 2개 이상의 안테나 루프(120)가 형성될 수 있다.
상기 터치 구동부(130)는 연성 회로 필름(140)에 실장되어 터치 패널(110)에 형성된 패드부(PP)에 연결됨으로써 패드부(PP)를 통해 복수의 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx)과 안테나 루프(120)의 일단 및 타단 각각에 연결된다. 여기서, 상기 터치 구동부(130)는 인쇄 회로 기판(미도시)에 실장될 수도 있으며, 이 경우, 상기 터치 구동부(120)는 터치 패널(110)의 패드부(PP)와 인쇄 회로 기판 간에 연결되는 연성 회로 필름(미도시)을 통해 복수의 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx)과 안테나 루프(120)의 일단 및 타단에 각각에 연결될 수 있다. 이러한 상기 터치 구동부(130)는 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호를 기반으로 입력 펜의 터치 좌표와 펜 압력 데이터 및 공진 회로의 펜 공진 주파수를 산출하고, 산출된 공진 회로의 펜 공진 주파수와 매칭되는 주파수를 갖는 구동 신호를 생성하여 복수의 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx) 각각에 인가한다.
상기 터치 구동부(130)는 호스트 시스템의 MCU(Micro Controller Unit)로부터 공급되는 터치 모드 신호에 응답하여 터치 패널(110)을 손가락 터치 센싱 구간 또는 펜 터치 센싱 구간으로 동작시킨다. 예를 들어, 상기 터치 구동부(130)는 펜 터치 센싱 구간과 손가락 터치 센싱 구간으로 나누어 1 프레임을 시분할 구동한다. 그리고, 상기 터치 구동부(130)는 펜 터치 센싱 구간과 손가락 구간 모드를 교번적으로 구동할 수 있다.
상기 손가락 터치 센싱 구간에서, 터치 구동부(130)는 복수의 제 1 라인(Tx)에 순차적으로 구동 신호를 인가하면서 복수의 제 2 라인(Rx) 각각을 통해 정전 용량 변화를 검출하여 손가락 터치의 좌표를 산출해 호스트 시스템의 MCU에 제공한다.
상기 펜 터치 센싱 구간에서, 터치 구동부(130)는 고유 공진 주파수를 기반으로 구동 신호를 생성하여 복수의 제 1 라인(Tx)과 복수의 제 2 라인(Rx)에 순차적으로 인가하면서 구동 신호에 응답하여 입력 펜의 공진 회로에서 발생되는 전자기 신호에 의해 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호를 수신한다. 그리고, 터치 구동부(130)는 안테나 루프(120)로부터 수신된 전자기 신호를 기반으로 입력 펜 터치 좌표와 펜 압력 데이터를 산출하여 호스트 시스템의 MCU에 제공한다. 또한, 터치 구동부(130)는 안테나 루프(120)로부터 수신된 전자기 신호를 기반으로 공진 회로의 펜 공진 주파수를 산출하고, 산출된 펜 공진 주파수와 고유 공진 주파수의 주파수 변화량만큼 또는 상기 주파수 변화량과 위상의 변화량만큼 구동 신호의 주파수를 가변하여 공진 회로의 펜 공진 주파수와 구동 신호의 주파수를 매칭시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 펜 터치 센싱 구간에서는 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx)에 인가되는 구동 신호의 주파수와 공진 회로의 펜 공진 주파수가 서로 매칭(또는 일치)됨으로써 입력 펜(10)에 가해지는 압력의 변화에도 펜 터치 및 펜 압력을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 터치 구동부와 펜 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 입력 펜(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 코일(L1) 및 2차 코일(L2), 공진 커패시터(Cre), 스위치(SW), 및 터치 팁(TT)을 포함한다.
상기 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2)은 입력 펜(10)의 길이 방향을 따라 입력 펜(10)의 내부 중심축에 배치된 자기 코어를 감싸도록 권선됨으로써 제 1 상호 인덕턴스(MI1)로 커플링된다.
상기 1차 코일(L1)의 일단은 터치 팁(TT)에 전기적으로 연결되고, 상기 1차 코일(L1)의 타단은 접지부(12)에 접지된다. 여기서, 일 예에 따른 접지부(12)는 입력 펜(10)과 접하는 사용자일 수 있으며, 이 경우, 입력 펜(10)과 사용자가 서로 접촉하면, 사용자가 유전체 역할을 하게 되어 입력 펜(10)과 접지 단자 사이에 접지용 정전 용량(Cg)이 발생될 수 있다. 다른 예에 따른 접지부(12)는 입력 펜(10)과 터치 패널(110) 사이에 연결되는 접지 스트랩일 수 있다.
상기 2차 코일(L2)의 일단은 공진 커패시터(Cre)에 연결되고, 상기 2차 코일(L2)의 타단은 스위치(SW)의 일단에 연결된다.
상기 공진 커패시터(Cre)는 2차 코일(L2)의 일단과 스위치(SW2)의 타단 사이에 연결된다.
상기 2차 코일(L2)의 인덕턴스와 공진 커패시터(Cre)의 커패시턴스는 터치 패널(110)의 제 1 라인(Tx) 또는 제 2 라인(Rx)과 터치 팁(TT)이 접하는 부위에서 발생되는 커패시티브 커플링되어 형성되는 가상의 센싱 커패시터(Cse)를 통해 입력되는 구동 신호의 주파수와 전자기 공진이 발생하도록 설정된다.
상기 스위치(SW)는 상기 2차 코일(L2)과 공진 커패시터(Cre) 사이에 연결되고, 터치 팁(TT)과 자기 코어와는 전기적으로 절연된다. 여기서, 스위치(SW)는 스프링 또는 탄성 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 상기 스위치(SW)는 터치 팁(TT)이 일정한 압력으로 터치 패널(110)에 접촉할 경우에 동작(On)하여 상기 2차 코일(L2)과 공진 커패시터(Cre)를 전기적으로 직렬 연결함으로써 입력 펜(10)의 내부에 공진 회로를 형성한다.
상기 터치 팁(TT)은 입력 펜(10)의 하면으로부터 일정한 길이로 돌출되고, 입력 펜(10)의 내부에서 연결선을 통해 1차 코일(L1)의 일단에 전기적으로 연결된다. 특히, 터치 팁(TT)은 터치 패널(110)과의 접촉 압력에 따라 입력 펜(10)의 길이 방향으로 이동 가능하도록 스위치(SW)와 물리적으로 연결된다.
이와 같은, 입력 펜(10)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 입력 펜(10)이 터치 패널(110)에 접하여 터치 팁(TT)이 상승되어 스위치(SW)가 닫히게 되면, 1차 코일(L1)의 일단이 터치 팁(TT)을 통해 터치 패널(110)의 제 1 또는 제 2 라인(Tx, Rx)와 정전 용량 커플링되어 가상의 센싱 커패시터(Cse)가 형성되게 된다. 이에 따라, 터치 패널(110)의 제 1 또는 제 2 라인(Tx, Rx)에 인가되는 구동 신호가 가상의 센싱 커패시터(Cse)를 통해 1차 코일(L1)에 인가되고, 1차 코일(L1)에 인가된 신호는 1차 코일(L1)과 2차 코일(L2) 간에 형성되는 제 1 상호 인덕턴스(MI1)에 의해 2차 코일(L2)에 인가되고, 이로 인해 2차 코일(L2)과 공진 커패시터(Cre) 및 스위치(SW)의 폐회로에 의해 형성되는 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 전자기 신호가 발생하게 된다. 이러한 전자기 신호는 2차 코일(L2)(또는 1차 코일(L1))과 안테나 루프(120) 간의 제 2 상호 인덕턴스(MI2)에 의해 안테나 루프(120)로 유도되게 된다. 이때, 안테나 루프(120)는 터치 패널(110)의 외곽을 둘러싸도록 형성되므로 회로적으로 3차 코일(L3)의 역할을 한다.
한편, 터치 팁(TT)에 가해지는 압력에 의해 자기 코어가 상부 방향으로 밀리게 되면, 2차 코일(L2)의 인덕턴스 값이 변화됨에 따라 공진 회로의 펜 공진 주파수가 증가하거나 감소함으로써 안테나 루프(120)로 유도되는 전자기 신호의 세기가 감소하게 된다. 즉, 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되는 전자기 신호는, 하기의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112014076012791-pat00001
상기의 수학식 1에서, w는 펜 공진 주파수를 의미한다. 상기 신호(Signal)의 세기는 수학식 1의 허수부((wL-wC)2 )가 0(zero)가 될 경우, 공진 회로의 펜 공진 주파수와 고유 공진 주파수가 매칭되어 최대로 발생되게 된다.
그러나, 입력 펜(10)의 터치 팁(TT)에 압력이 가해지게 되면, 2차 코일(L2)의 인덕턴스 값이 변화되면서 수학식 1의 허수부((wL-wC)2 )가 0이 아닌 값을 가지기 때문에 전자기 신호(Signal)의 세기가 수학식 1의 허수부((wL-wC)2 )의 값에 따라 감소하게 된다. 이에 따라, 터치 구동부(130)는 공진 회로의 펜 공진 주파수를 검출하고, 검출된 펜 공진 주파수와 고유 공진 주파수의 주파수 변화량만큼 구동 신호의 주파수를 가변하여 구동 신호의 주파수와 펜 공진 주파수를 매칭시킴으로써 입력 펜(10)에 인가되는 압력에 따라 2차 코일(L2)의 인덕턴스 값이 변화되더라도 수학식 1의 허수부((wL-wC)2 )가 항상 0이 되도록 한다. 결과적으로, 터치 구동부(130)는 구동 신호의 주파수와 펜 공진 주파수를 매칭시킴으로써 입력 펜(10)에 인가되는 압력에 따라 2차 코일(L2)의 인덕턴스 값이 변화되더라도 공진 회로에서 발생되는 전자기 신호의 세기가 항상 최대가 되도록 한다.
이하, 펜 터치 좌표 및 펜 압력을 검출하기 위한 터치 구동부(130)의 예를 설명하면 다음과 같다.
일 예에 따른 터치 구동부(130)는 터치 제어부(135), 구동 신호 공급부(133), 및 펜 센싱부(135)를 포함한다.
상기 터치 제어부(131)는 펜 터치 센싱 구간을 펜 터치 풀 센싱 모드와 펜 터치 여부에 따라 펜 압력 부분 센싱 모드 및 펜 터치 부분 센싱 모드로 구동한다.
터치 제어부(131)는 상기 공진 회로의 펜 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 기준 신호(DRS)를 생성하여 구동 신호 공급부(133)에 제공한다.
상기 펜 터치 풀 센싱 모드시, 터치 제어부(131)는 복수의 제 1 라인(Tx)과 복수의 제 2 라인(Rx) 각각에 구동 신호가 순차적으로 공급되도록 구동 신호 공급부(133)를 제어한다. 그리고, 터치 제어부(131)는 펜 터치 풀 센싱 모드에 따라 상기 펜 센싱부(135)로부터 공급되는 펜 센싱 로우 데이터와 설정된 문턱값과 비교하여 문턱값보다 큰 펜 센싱 로우 데이터들을 소정의 알고리즘에 따라 분석하여 펜 터치 유무와 펜 터치 데이터를 산출한다. 그리고, 상기 터치 제어부(131)는 입력 펜(10)의 터치에 따른 펜 터치 데이터가 산출될 경우, 펜 터치 센싱 구간을 펜 압력 부분 센싱 모드로 설정하여 구동 신호 공급부(133)의 구동을 제어한다.
상기 펜 압력 부분 센싱 모드시, 터치 제어부(131)는 펜 터치 풀 센싱 모드에서 산출된 펜 터치 위치에 포함된 제 1 및 제 2 라인들(Tx, Rx)에 순차적으로 구동 신호가 공급되도록 구동 신호 공급부(133)를 제어한다. 그리고, 터치 제어부(131)는 펜 압력 부분 센싱 모드에 따라 상기 펜 센싱부(135)로부터 공급되는 센싱 로우 데이터를 기반으로 펜 공진 주파수를 산출하고, 고유 공진 주파수 대비 산출된 펜 공진 주파수의 변화량을 소정의 알고리즘에 따라 분석하여 펜 압력 데이터를 산출한다. 또한, 터치 제어부(131)는 고유 공진 주파수 대비 산출된 펜 공진 주파수가 변화되었는지를 판단하고, 펜 공진 주파수가 변화되었다면, 공진 회로의 펜 공진 주파수와 구동 신호의 주파수를 매칭되도록 고유 공진 주파수 대비 펜 공진 주파수의 변화량만큼 구동 기준 신호(DRS)의 주파수를 변경하여 구동 신호 공급부(133)에 제공하고, 펜 터치 센싱 구간을 펜 터치 부분 센싱 모드로 설정하여 구동 신호 공급부(133)의 구동을 제어한다. 여기서, 터치 제어부(131)는 고유 공진 주파수 대비 산출된 펜 공진 주파수가 변화되지 않았다면, 상기 공진 회로의 펜 공진 주파수가 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지므로 구동 기준 신호(DRS)의 주파수를 변경하지 않는다.
상기 펜 터치 부분 센싱 모드시, 터치 제어부(131)는 펜 터치 풀 센싱 모드에서 산출된 펜 터치 위치에 포함된 제 1 및 제 2 라인들(Tx, Rx)에 순차적으로 구동 신호가 공급되도록 구동 신호 공급부(133)를 제어한다. 그리고, 터치 제어부(131)는 펜 터치 부분 센싱 모드에 따라 상기 펜 센싱부(135)로부터 공급되는 상기 펜 센싱부(135)로부터 공급되는 펜 센싱 로우 데이터와 설정된 문턱값과 비교하여 문턱값보다 큰 펜 센싱 로우 데이터들을 소정의 알고리즘에 따라 분석하여 최종적인 펜 터치 데이터를 산출한다. 그런 다음, 터치 제어부(131)는 산출된 펜 터치 데이터와 펜 압력 데이터를 호스트 시스템의 MCU에 제공하고, 상기 MCU는 펜 터치 데이터에 대응되는 펜 터치 좌표에 연계되는 응용 응용 프로그램을 실행하거나, 펜 압력 데이터에 대응되는 그래픽 작업을 실행한다.
상기 구동 신호 공급부(133)는 터치 제어부(131)로부터 제공되는 구동 기준 신호(DRS)를 기반으로 구동 신호를 생성한다. 그리고, 상기 구동 신호 공급부(133)는 터치 제어부(131)에 의해 설정되는 펜 터치 풀 센싱 모드와 펜 압력 부분 센싱 모드 및 펜 터치 부분 센싱 모드 각각에 대응되는 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx)에 구동 신호를 순차적으로 공급한다. 이때, 상기 구동 신호는 구형파 또는 정현파일 수 있다. 여기서, 상기 구동 신호는 터치 제어부(131)의 제어에 의해 펜 공진 주파수와 항상 동일한 주파수를 갖는다.
상기 펜 센싱부(135)는 안테나 루프(120)의 양단에 연결되어 입력 펜(10)의 공진 회로로부터 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호를 수신하여 펜 센싱 로우 데이터를 생성한다. 일 예에 따른 펜 센싱부(135)는 연산 증폭부(135a), 아날로그-디지털 변환부(135b), 및 신호 처리부(135c)를 포함한다.
상기 연산 증폭기(135a)는 안테나 루프(120)의 일단과 타단에 연결되어 안테나 루프(120)의 일단과 타단에 수신되는 전압 차를 증폭하여 펜 센싱 신호로 출력한다.
상기 아날로그-디지털 변환부(135b)는 연산 증폭기(135a)로부터 공급되는 펜 센싱 신호를 아날로그-디지털 변환하여 센싱 데이터를 생성한다.
상기 신호 처리부(135c)는 상기 아날로그-디지털 변환부(135b)로부터 공급되는 펜 센싱 로우 데이터를 수신하여 내부 메모리에 차례대로 저장하고, 내부 메모리에 저장된 펜 센싱 로우 데이터를 터치 제어부(135)에 제공한다.
한편, 일 예에 따른 터치 구동부(130)는 손가락 터치 모드에서, 손가락 터치 센싱을 위한 손가락 센싱부(미도시)를 더 포함한다.
먼저, 손가락 터치 모드에서, 상기 구동 신호 공급부(133)는 터치 제어부(131)의 제어에 따라 2개 이상의 펄스를 갖는 구동 신호를 생성하여 복수의 제 1 라인(Tx)에 순차적으로 공급한다.
상기 손가락 센싱부는 터치 제어부(131)의 제어에 따라 복수의 제 2 라인(Rx)을 통해 제 1 라인(Tx)과 제 2 라인(Rx)의 교차부에 형성된 정전 용량의 변화를 센싱하여 손가락 센싱 로우 데이터를 생성한다. 이를 위해, 상기 손가락 센싱부는 복수의 센싱 유닛(미도시)과 복수의 아날로그-디지털 변환기(미도시)을 포함한다.
상기 복수의 센싱 유닛은 제 1 내지 제 m 터치 센싱 라인(Rx1 ~ Rxm)별로 정전 용량 변화를 센싱하여 손가락 터치 신호를 생성한다.
상기 복수의 아날로그-디지털 변환기는 복수의 센싱 유닛으로부터 공급되는 손가락 터치 신호를 아날로그-디지털 변환하여 손가락 센싱 로우 데이터를 생성해 터치 제어부(131)에 제공한다. 이에 따라, 터치 제어부(131)는 손가락 센싱부로부터 공급되는 손가락 센싱 로우 데이터와 설정된 문턱값과 비교하여 문턱값보다 큰 손가락 센싱 로우 데이터들을 소정의 알고리즘에 따라 분석하여 최종적인 손가락 좌표 데이터를 산출한다. 그런 다음, 터치 제어부(131)는 산출된 손가락 좌표 데이터를 호스트 시스템의 MCU에 제공하고, 상기 MCU는 손락 좌표 데이터에 대응되는 손가락 터치 좌표에 연계되는 응용 응용 프로그램을 실행한다. 결국, 본 발명의 터치 스크린 장치는 하나의 터치 패널(110)을 통해 사용자의 손가락 터치와 펜 터치 및 펜 압력을 센싱할 수 있다.
한편, 전술한 본 발명에 따른 터치 구동부(130)는 하나의 ROIC(Readout Integrated Circuit) 칩으로 집적화될 수 있다. 선택적으로, 상기 터치 제어부(131)는 ROIC 칩에 집적되지 않고 호스트 시스템의 MCU(Micro Controller Unit)로 구현될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 있어서, 입력 펜에 가해지는 압력에 따라 펜 센싱부에 수신되는 신호를 RMS(Root Mean Square) 값으로 나타낸 파형도로서, 이는 수학식 1에서 분모 값의 변화에 대응된다.
도 3에서, NCO는 고유 공진 주파수, 10% 내지 50% 각각은 입력 펜에 가해지는 압력을 각각 나타낸다.
고유 공진 주파수 대비 입력 펜에 가해지는 압력이 변화될 경우, 펜 센싱부에 수신되는 신호가 쉬프트되고, 펜 센싱부에 수신되는 신호의 주파수가 증가하거나 감소하는 현상이 발생하게 된다. 도 3에서는 입력 펜에 가해지는 압력(10% 내지 50%)에 따라 펜 센싱부에 수신된 신호가 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 현상을 이용하여 본 발명은 고유 공진 주파수와 펜 센싱부에 수신되는 신호의 주파수 간의 변화량에 따라 공진 회로의 펜 공진 주파수를 검출함과 아울러 펜 압력을 검출한다.
도 4는 본 발명에서, 입력 펜에 가해지는 압력에 따라 공진 회로에서 발생되는 신호의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 입력 펜에 가해지는 제 1 내지 제 4 압력(A, B, C, D) 각각에 대해 공진 회로에서 발생되는 신호의 세기가 최대로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명은 입력 펜에 가해지는 제 1 내지 제 4 압력(A, B, C, D)에 따라 변화되는 펜 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖도록 복수의 제 1 및 제 2 라인(Tx, Rx) 각각에 인가되는 구동 신호의 주파수를 변경함으로써 펜 공진 주파수와 구동 신호의 주파수가 일치하게 되고, 이로 인해 상기의 수학식 1에서 허수부가 제거되어 공진 회로에서 발생되는 신호의 세기를 최대로 유지시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 터치 스크린 장치에 있어서, 펜 터치 센싱 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 도 2와 결부하여 본 발명에 따른 펜 터치 센싱 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 펜 터치 센싱 구간을 펜 터치 풀 센싱 모드로 설정한다(S100).
이어서, 펜 터치 풀 센싱 모드에 따라 복수의 제 1 라인(Tx)과 복수의 제 2 라인(Rx) 각각을 순차적으로 구동하여 펜 터치 풀 센싱을 수행한다(S110). 즉, S110 단계는 입력 펜(10)에 구비된 공진 회로의 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 기준 신호(DRS)를 생성하고, 구동 기준 신호(DRS)에 따라 구동 신호를 생성하여 복수의 제 1 라인(Tx)과 복수의 제 2 라인(Rx) 각각에 구동 신호가 순차적으로 공급하면서 입력 펜(10)에 구비된 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되어 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호를 순차적으로 수신하여 펜 터치 데이터를 생성한다.
이어서, S110 단계에서 생성된 펜 터치 데이터를 소정의 알고리즘에 따라 분석하여 펜 터치 유무와 펜 터치 위치를 산출한다(S120).
이어서, 산출된 펜 터치 위치에 기초하여 펜 터치 센싱 구간을 펜 압력 부분 센싱 모드로 설정한다(S130).
이어서, 펜 압력 부분 센싱 모드에 따라, S120 단계에서 산출된 펜 터치 위치에 대한 펜 압력 부분 센싱을 수행한다(S140). 즉, S140 단계는 산출된 펜 터치 위치에 포함된 제 1 및 제 2 라인들(Tx, Rx)에 구동 신호를 순차적으로 공급하면서 상기 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되어 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호를 순차적으로 수신하여 센싱 로우 데이터를 생성하고, 생성된 센싱 로우 데이터를 기반으로 펜 터치 위치에 대한 펜 압력 데이터를 생성한다.
이어서, 센싱 로우 데이터를 기반으로 펜 공진 주파수를 검출하고, 고유 공진 주파수 대비 산출된 펜 공진 주파수가 변화되었는지를 판단한다(S150).
만약, S150 단계에서, 펜 공진 주파수가 변화되었다면(S150의 "Yes"), 공진 회로의 펜 공진 주파수와 구동 신호의 주파수를 매칭되도록 고유 공진 주파수 대비 펜 공진 주파수의 변화량만큼 구동 기준 신호(DRS)의 주파수를 변경한다(S160).
이어서, 펜 터치 센싱 구간을 펜 터치 부분 센싱 모드로 설정한다(S170).
이어서, 펜 터치 부분 센싱 모드에 따라, S120 단계에서 산출된 펜 터치 위치에 대해 펜 터치 부분 센싱을 수행한다(S140). 즉, S140 단계에서는 펜 공진 주파수의 변화에 매칭되도록 주파수가 변경된 구동 기준 신호(DRS)를 기반으로 가변된 주파수를 갖는 구동 신호를 생성하여 펜 터치 위치에 포함된 제 1 및 제 2 라인들(Tx, Rx)에 순차적으로 공급하면서 상기 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되어 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호를 순차적으로 수신하여 펜 터치 위치에 대한 펜 터치 데이터를 생성한다. 이때, 가변된 구동 신호의 주파수와 펜 공진 주파수가 서로 매칭됨으로써 안테나 루프(120)에 유도되는 전자기 신호는 최대의 크기로 발생되게 된다.
한편, S150 단계에서, 펜 공진 주파수가 변화되지 않았다면(S150의 "No"), 상기 공진 회로의 펜 공진 주파수가 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 가지므로 구동 기준 신호(DRS)의 주파수를 변경하지 않고, S170 단계와 S180 단계를 수행하거나, 펜 터치 센싱 구간을 종료할 수 있다.
마지막으로, 펜 터치 센싱 구간이 종료되면, 산출된 펜 터치 데이터와 펜 압력 데이터를 호스트 시스템의 MCU에 제공한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 입력 펜 110: 터치 패널
120: 안테나 루프 130: 터치 구동부
131: 터치 제어부 133: 구동 신호 공급부
135: 센싱부

Claims (8)

  1. 복수의 제 1 라인과 상기 복수의 제 1 라인과 교차하는 복수의 제 2 라인을 갖는 터치 패널;
    상기 터치 패널에 형성되고, 펜에 구비된 공진 회로의 펜 공진 주파수에 의해 발생되는 전자기 신호가 유도되는 안테나 루프; 및
    상기 복수의 제 1 및 제 2 라인과 안테나 루프에 연결된 터치 구동부를 포함하고,
    상기 터치 구동부는
    상기 터치 패널에 터치된 펜에 가해지는 압력에 따라 변화하는 펜 공진 주파수를, 상기 터치된 펜으로부터 상기 안테나 루프에 유도되는 전자기 신호를 기반으로 산출하고, 산출된 펜 공진 주파수와 고유 공진 주파수를 비교하여 상기 펜 공진 주파수의 변화량을 산출하며, 산출된 펜 공진 주파수의 변화량에 따라 구동 신호의 주파수를 변경하여 상기 터치 패널에 인가하는 터치 스크린 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 신호의 주파수는 상기 터치된 펜에 가해지는 압력에 따라 변화하는 펜 공진 주파수와 동일하게 가변되는 터치 스크린 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치 구동부는 상기 고유 공진 주파수 대비 상기 펜 공진 주파수의 변화량만큼 상기 구동 신호의 주파수를 가변하여 상기 산출된 펜 공진 주파수와 상기 구동 신호의 주파수를 서로 매칭시키는 터치 스크린 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치 구동부는,
    상기 고유 공진 주파수와 동일한 주파수를 갖는 구동 기준 신호에 따라 상기 구동 신호를 생성하여 상기 복수의 제 1 및 제 2 라인 각각에 인가하는 구동 신호 공급부;
    상기 안테나 루프에 유도되는 전자기 신호를 수신하여 센싱 로우 데이터를 생성하는 펜 센싱부; 및
    상기 센싱 로우 데이터를 기반으로 펜 터치 위치에 대한 펜 터치 데이터와 상기 터치된 펜에 가해진 압력에 대한 펜 압력 데이터를 산출하는 터치 제어부를 포함하고,
    상기 터치 제어부는 상기 센싱 로우 데이터를 기반으로 상기 펜 공진 주파수를 산출하고, 상기 고유 공진 주파수 대비 상기 펜 공진 주파수의 변화량만큼 상기 구동 기준 신호의 주파수를 가변하는 터치 스크린 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 터치 제어부는 상기 고유 공진 주파수 대비 상기 펜 공진 주파수의 변화량을 기반으로 상기 펜 압력 데이터를 산출하는 터치 스크린 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나 루프는 상기 터치 패널의 외곽을 둘러싸도록 형성되고, 양 끝단이 상기 터치 구동부에 연결된 터치 스크린 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터치 구동부는 상기 복수의 제 1 라인에 순차적으로 구동 신호를 공급하면서 상기 복수의 제 2 라인 각각을 통해 상기 제 1 라인과 제 2 라인의 교차부에 형성된 정전 용량의 변화를 센싱하여 손가락 터치 데이터를 생성하는 터치 스크린 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 터치 구동부는,
    펜 터치 센싱 구간을 펜 터치 풀 센싱 모드와, 펜 압력 부분 센싱 모드 및 펜 터치 부분 센싱 모드로 구동하고,
    상기 터치 풀 센싱 모드시, 제 1 구동 신호에 의해 상기 터치 패널을 구동하고, 상기 유도되는 전자기 신호를 센싱하여 상기 펜의 터치 위치를 나타내는 펜 터치 데이터를 산출하고,
    상기 펜 압력 부분 센싱 모드시, 상기 펜의 터치 위치를 포함하는 제 1 라인과 제 2 라인을 상기 제 1 구동 신호에 의해 구동하고, 상기 유도되는 전자기 신호를 센싱하여 상기 펜 공진 주파수의 변화량과 펜 압력 데이터를 산출하고, 상기 산출된 펜 공진 주파수의 변화량만큼 상기 제 1 구동 신호의 주파수를 변경하고,
    상기 펜 터치 부분 센싱 모드시, 상기 주파수가 변경된 제 2 구동 신호에 의해, 상기 펜의 터치 위치를 포함하는 제 1 라인과 제 2 라인을 구동하고, 상기 유도되는 전자기 신호를 센싱하여 최종적인 펜 터치 데이터를 산출하는 터치 스크린 장치.
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