KR102495665B1 - 전력 소모를 감소시킬 수 있는 액티브 펜 위치 검출 방법 및 액티브 펜 위치 검출 장치 - Google Patents

전력 소모를 감소시킬 수 있는 액티브 펜 위치 검출 방법 및 액티브 펜 위치 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 액티브 펜 위치 검출 장치는: 제1 센싱 라인과 제2 센싱 라인을 포함하는 패널; 상기 제1 센싱 라인과 상기 제2 센싱 라인에서 출력된 신호의 차동 성분 신호(differential mode signal)를 증폭하여 출력하는 차동 증폭 회로부; 상기 차동 증폭 회로부에서 출력된 신호로부터 상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인 중 상기 액티브 펜이 인접한 채널에 상응하는 인접 신호를 출력하는 인접 검출부; 상기 인접 검출부의 출력으로부터 상기 액티브 펜의 위치를 검출하는 위치 검출부를 포함한다.

Description

전력 소모를 감소시킬 수 있는 액티브 펜 위치 검출 방법 및 액티브 펜 위치 검출 장치{ACTIVE PEN SENSING METHOD AND APPARATUS CAPABLE OF REDUCING POWER CONSUMPTION}
본 기술은 액티브 펜 위치 검출 방법 및 액티브 펜 위치 검출 장치와 관련된다. 보다 자세하게는 전력 소모를 감소시킬 수 있는 액티브 펜 위치 검출 방법 및 액티브 펜 위치 검출 장치와 관련된다.
터치센싱 기술은 터치패널에 근접하거나 터치패널을 터치하는 외부 오브젝트를 인식하는 기술이다. 터치패널은 평면상에서 디스플레이 패널과 같은 위치에 놓인다. 이에 따라, 사용자들은 디스플레이 패널의 영상을 보면서 터치 패널로 사용자 조작 신호를 입력할 수 있다. 이러한 사용자 조작 신호 발생방법은 그 이전의 다른 사용자조작신호 입력방식-예를 들어, 마우스 입력방식이나 키보드 입력방식-에 비해 놀라운 사용자 직관성을 제공해 준다.
이러한 장점에 따라, 디스플레이 패널을 포함하고 있는 다양한 전자장치들에 터치 센싱 기술이 적용되고 있다. 터치 센싱 장치는 터치패널에 배치되는 구동전극으로 구동신호를 공급하고 센싱전극에 형성되는 반응신호를 수신하여 터치패널에 대한 외부 오브젝트의 터치 혹은 근접을 센싱할 수 있다. 터치패널은 구동전극과 센싱전극 사이에 정전용량을 만들어내는데, 상기 정전용량의 변화는 상기 외부 오브젝트의 터치 또는 근접을 나타낼 수 있다.
한편 사용자는 신호를 입력하기 위하여 손가락(finger) 뿐만 아니라 액티브 펜(active pen)을 사용할 수 있다. 액티브 펜과 터치센싱장치 사이에서의 데이터통신은 다음의 과정을 거칠 수 있다. 터치 센싱 장치가 액티브 펜이 인식할 수 있는 업링크 신호를 송신하면, 액티브 펜은 업링크 신호를 수신하고 터치 센싱 장치를 인식할 수 있다. 이후 액티브 펜은 터치 센싱 장치가 인식할 수 있는 다운링크신호를 송신하면, 터치 센싱 장치는 다운링크신호를 수신하고 액티브 펜을 인식할 수 있다.
셀프 닷(Self-Dot) 방식의 터치 패널에서 드라이빙 백(Driving-Back) 방식으로 터치 센싱을 하기 위해서는 열 개수 혹은 행 개수의 절반에 해당하는 센싱 채널을 필요로 한다. 이에 반하여 동일한 패널에서 액티브 펜(Active-Pen) 센싱을 통해 펜의 위치를 파악하기 위해서는 터치 패널의 열 개수나 행 개수에 해당하는 센싱 채널을 요청하는 것이 종래 기술이다.
열 개수에 해당하는 센싱 채널을 구성하고 드라이빙 백 방식의 터치 센싱을 수행하면 절반의 센싱 채널은 동작하지 않는다. 이는 터치 센싱 IC 사이즈 및 소모 전류의 증가를 가져온다.
셀프 닷 방식의 터치 패널에서 드라이빙 백 방식을 통해 터치 센싱을 하는데 필요한 열 개수의 절반에 해당하는 센싱 채널을 가지고 액티브 펜 센싱을 수행할 수 있도록 하는 것이 본 발명으로 해결하고자 하는 주요한 과제 중 하나이다.
나아가, 셀프 닷 방식의 터치 패널에서 드라이빙 백 방식을 통해 액티브 펜의 센싱을 수행하여 공통 디스플레이 노이즈를 제거하고, 액티브 펜의 정보를 추출할 수 있도록 하는 것이 본 발명으로 해결하고자 하는 주요한 과제 중 하나이다.
본 발명에 의한 액티브 펜 위치 검출 방법은 (a) 제1 입력과 제2 입력으로 입력된 신호로부터 액티브 펜 신호와 노이즈를 제공받고, 상기 노이즈를 제거하는 단계와, (b) 상기 액티브 펜 신호를 상위 임계값, 하위 임계값과 비교하는 단계 및 (c) 상기 (b) 단계의 비교 결과에 상응하는 비교 결과 신호를 상기 액티브 펜과 동기된 동기 신호로 샘플하여 상기 액티브 펜의 위치를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 (a) 단계는, 상기 제1 입력으로 검출한 상기 액티브 펜의 신호와 노이즈가 중첩된 신호와 상기 제2 입력으로 검출한 노이즈를 차동 증폭기로 증폭하여 수행한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 (a) 단계에서 출력된 신호를 저역 통과 필터(LPF, low pass filter)로 노이즈를 제거하는 단계와, (b2) 저역 통과 필터에서 출력된 상기 액티브 펜 신호를 상위 임계값, 하위 임계값과 비교하는 단계를 포함하여 수행된다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 동기 신호는, 상기 액티브 펜의 비콘 신호와 동일한 주파수를 가지는 신호이다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 동기 신호는, 상기 액티브 펜의 비콘 신호를 검출하여 형성한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 (a) 단계에서 형성된 노이즈가 제거된 신호에 상응하는 디지털 코드를 형성하는 단계 및 (c2) 상기 디지털 코드에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하는 단계를 더 포함하며, 상기 FFT(Fast Fourier Transform) 결과와 상기 액티브 펜과 동기된 동기 신호로 샘플한 결과로 상기 액티브 펜의 위치를 검출한다.
본 발명에 의한 액티브 펜 위치 검출 장치는: 제1 센싱 라인과 제2 센싱 라인을 포함하는 패널; 상기 제1 센싱 라인과 상기 제2 센싱 라인에서 출력된 신호의 차동 성분 신호(differential mode signal)를 증폭하여 출력하는 차동 증폭 회로부; 상기 차동 증폭 회로부에서 출력된 신호로부터 상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인 중 상기 액티브 펜이 인접한 채널에 상응하는 인접 신호를 출력하는 인접 검출부; 상기 인접 검출부의 출력으로부터 상기 액티브 펜의 위치를 검출하는 위치 검출부를 포함한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 패널은 어레이로 배치된 복수의 센싱 패드들을 포함하고, 상기 액티브 펜 위치 검출 장치는, 상기 복수의 센싱 패드들을 행 및 열 중 어느 하나 이상으로 연결하는 다중화기(MUX)를 더 포함한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인은 상기 패널에 포함된 센싱 패드들이 상기 다중화기에 의하여 행 또는 열로 연결되어 검출한 신호가 제공된다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 인접 검출부는, 상기 차동 증폭 회로부의 출력 신호를 상위 임계값 및 하위 임계값과 비교하는 비교기와, 상기 비교 결과 신호를 상기 액티브 펜이 출력하는 신호와 동기된 동기 신호로 샘플하여 상기 인접 신호를 출력하는 샘플하는 샘플부를 포함한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 액티브 펜이 출력하는 신호는 비콘 신호(beacon signal)이며, 상기 동기 신호는 상기 비콘 신호와 동일한 주파수를 가진다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 액티브 펜 위치 검출 장치는, 상기 차동 증폭 회로부의 출력 신호에서 저역 노이즈를 제거하는 저역 통과 필터(LPF, low pass filter)를 더 포함하고, 상기 저역 통과 필터의 출력 신호는 상기 비교기에 입력된다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 인접 신호는 서로 다른 두 레벨을 가지며, 상기 인접 신호의 레벨은 상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인 중 상기 액티브 펜이 인접한 라인에 상응한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 액티브 펜 위치 검출 장치는 상기 차동 증폭회로부의 출력을 상응하는 디지털 코드로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기(ADC, analog digital converter)를 더 포함하고, 상기 위치 검출부는, 상기 디지털 코드에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)을 연산하는 FFT 연산부 및 상기 FFT 연산부의 출력과 상기 인접 신호로부터 상기 액티브 펜의 좌표를 연산하는 연산부를 포함한다.
본 발명의 어느 한 모습에 의하면, 상기 연산부는 상기 FFT 연산부의 출력을 보간(interpolate)하고, 상기 인접 신호로부터 더 가까운 채널을 검출하여 상기 액티브 펜의 좌표를 연산한다.
본 발명에 의하면 터치 검출 및 액티브 펜의 위치 검출을 수행하는 센싱 채널을 패널에 형성된 센싱 라인 수보다 적게 형성하여 수행할 수 있다. 따라서, 전력 소모와 센싱을 수행하는 회로의 면적을 감소시킬 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 액티브 펜(PEN)의 개요를 도시한 도면이다.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 액티브 펜(PEN)의 동작 모드와 동작 모드 별로 팁 전극(TIP), 링 전극(RING) 및 테일 전극(TAIL)이 제공하는 신호를 예시한 도면이다.
도 3(a)는 액티브 펜(PEN)이 패널에 포함된 어느 한 전극에 접근한 상태를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 3(b)는 패널에 포함된 서로 다른 전극들에 의하여 액티브 펜(PEN)을 검출한 상태를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 4(a)는 본 실시예에 의한 셀프 닷 방식의 패널을 이용하여 터치를 검출하는 예를 개요적으로 도시한 도면이고, 도 4(b)는 어느 한 센싱 패드(SP)에 사용자의 손가락(미도시)이 접촉하였을 때의 전기적 등가회로를 예시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 의한 액티브 펜 위치 검출 방법의 개요를 도시한 순서도이다.
도 6은 본 실시예에 의한 액티브 펜 위치 검출 장치의 개요를 도시한 도면이다.
도 7은 본 실시예에 의한 검출 회로부(30)에 포함된 센싱 채널(CH1)의 개요적 도면이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 비교기(420)가 저역 통과 필터(410)가 출력한 신호(IN)를 입력받고 상위 임계값(VTH,H), 하위 임계값(VTH,L)과 비교하여 형성한 비교 결과 신호(COMPOUT)와, 샘플부(430)가 비교 결과 신호(COMPOUT)를 동기 신호(VSYNC)로 샘플하여 인접 신호(VPOS)를 형성하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 9(a)는 액티브 펜(PEN)이 제1 열(C1) 상에 위치할 때 FFT 연산부(510)가 FFT(fast Fourier transform) 연산을 수행한 결과를 예시한 도면이고, 도 9(b)는 액티브 펜(PEN)이 제4 열(C4) 상에 위치할 때 FFT 연산부(510)가 FFT(fast Fourier transform) 연산을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 실시예에 의한 액티브 펜(PEN)의 개요를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 액티브 펜(PEN)은 액티브 펜 신호 검출 장치의 패널과 접촉하는 팁 전극(TIP)과, 팁 전극(TIP)과 이격되어 절연된 링 전극(RING) 및 액티브 펜(PEN)의 길이 방향으로 팁 전극(TIP)과 반대 방향에 위치하는 테일 전극(TAIL)을 포함한다. 상기 팁 전극(TIP)은 팁 신호(TIP_SIGNAL)를 제공하고, 링 전극(RING)은 링 신호(RING_SIGNAL)를 제공하며, 상기 테일 전극(TAIL)은 액티브 펜의 테일 신호(TAIL Signal) 신호를 제공한다.
도 2(a) 내지 도 2(b)는 액티브 펜(PEN)의 동작 모드와 동작 모드 별로 팁 전극(TIP), 링 전극(RING) 및 테일 전극(TAIL)이 제공하는 신호를 예시한 도면이다. 도 2(a)는 액티브 펜(PEN)이 프론트 호버(Front Hover) 모드에 있을 때의 신호를 예시한 도면이다. 도 2(a)를 참조하면, 프론트 호버(Front Hover) 모드는 팁 전극(TIP)이 액티브 펜의 패널에 접촉하지 않고 부유하는 상태이다.
상기 프론트 호버(Front Hover) 모드에서 팁 전극(TIP)은 비콘 신호(BEACON LF), 디지털 정보를 포함하는 디지털 신호(DIGITAL LF), 포트 타입(Port Type HF), 디지털 신호(DIGITAL HF) 및 필압 정보를 가지는 프레셔(Pressure LF) 신호와 비콘(BEACON HF) 신호를 순차적으로 출력한다. 또한, 상기 프론트 호버(Front Hover) 모드에서 팁 전극(TIP)은 비콘 신호(BEACON LF)에서 시작하여 비콘(BEACON HF) 신호로 종료하는 하나의 프레임 단위로 신호를 출력하며, 프레임 시작시의 비콘 신호(BEACON LF)와 프레임 종료시의 비콘 신호(BEACON HF)의 주파수는 서로 상이할 수 있다.
한편, 프론트 호버(Front Hover) 모드에서 링 전극(RING)은 팁 전극(TIP)이 출력하는 높은 주파수의 포트 타입(Port Type HF) 신호와 동기되어 신호를 출력할 수 있다.
도 2(b)는 액티브 펜(PEN)의 팁 전극(TIP)이 패널에 접촉한 상태인 프론트 잉크(Front Ink) 모드에서 팁 전극(TIP)과 링 전극(RING)이 제공하는 신호의 개형을 도시한 도면이다. 도 2(b)를 참조하면, 프론트 잉크(Front Ink) 모드에서 팁 전극(TIP)이 제공하는 신호는 도 2(a)로 예시된 프론트 호버(Front Hover) 모드에서 팁(TIP) 전극이 제공하는 신호에서 디지털 신호(Digital HF) 신호가 없다는 점에서 차이가 있다. 다만, 프론트 잉크(Front Ink) 모드에서 링 전극(RING)은 팁 전극(TIP)이 제공하는 비콘 신호(BEACON LF), 포트 타입 신호(Port Type), 프레셔 신호(Pressure) 및 비콘 신호(BEACON HF)의 시작과 동기되어 신호를 출력한다.
따라서, 액티브 펜(PEN)의 프론트 잉크(Front Ink) 모드에서 팁 전극(TIP)과 접촉하는 패널에 포함된 전극들은 팁 전극(TIP)에서 제공된 신호와 링 전극(RING)에서 제공된 신호를 모두 수신한다. 도시된 신호의 예에서 프레셔 신호(Pressure)는 팁 전극이 패널에 대하여 어느 정도로 눌리는 지를 검출한 신호이다. 따라서, 액티브 펜 신호 검출 장치는 프레셔 신호를 검출하여 필압에 관한 정보를 획득할 수 있다.
도 2(c)는 액티브 펜(PEN)에서 테일 전극(TAIL)이 패널에 접촉하지 않고 부유한 상태인 테일 호버(Tail Hover) 모드에서 테일 전극(TAIL)이 제공하는 신호의 개형을 도시한 도면이다. 도 2(c)를 참조하면, 테일 호버(Tail Hover) 모드에서 테일 전극(TAIL)은 비콘 신호(BEACON LF)와 연속된 디지털 신호(DIGITAL LF)을 출력한다.
도 2(d)는 액티브 펜(PEN)에서 테일 전극(TAIL)이 패널에 접촉한 상태인 테일 이레이즈(Tail Erase) 모드에서 테일 전극(TAIL)이 제공하는 신호의 개형을 도시한 도면이다. 도 2(d)를 참조하면, 테일 이레이즈(Tail Erase) 모드에서 테일 전극(TAIL)은 비콘 신호(BEACON LF)와 연속된 디지털 신호(DIGITAL LF)를 출력하고 프레셔 신호(PRESSURE LF)를 출력한다. 프론트 호버(Front Hover) 모드는 사용자가 액티브 펜 신호 검출 장치에 액티브 펜(PEN)을 접근시키는 경우에 상응하는 모드이고, 프론트 잉크(Front Ink) 모드는 사용자가 액티브 펜 신호 검출 장치에 액티브 펜(PEN)을 터치시켜 점을 찍거나, 필기하는 등과 같이 궤적을 형성하는 경우에 상응하는 모드이다.
테일 호버(Tail Hover) 모드는 사용자가 액티브 펜 신호 검출 장치에 팁 전극(TIP)과 반대 방향에 위치한 테일 전극(Tail)을 접근시키는 경우에 상응하는 모드이고, 테일 이레이즈(Tail Erase) 모드는 사용자가 액티브 펜 신호 검출 장치에 테일 전극(TAIL)을 터치시켜 궤적을 형성하는 경우에 상응하는 모드이다. 일 실시예로 테일 이레이즈(Tail Erase) 모드는 팁 전극(TIP)의 궤적에 따라 형성된 내용을 테일 전극(TAIL)이 형성한 궤적에 따라 지우는 모드에 상응할 수 있다.
도 3(a)는 액티브 펜(PEN)이 패널에 포함된 어느 한 전극에 접근한 상태를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 3(a)를 참조하면, 사용자가 액티브 펜(PEN)을 이용하여 패널에 필기하기 위하여 패널에 접근시키면 팁 전극(TIP)과 패널에 포함된 전극에 의하여 커패시터(capacitor, CTIP)가 형성되고, 링 전극(RING)과 해당 전극에 의하여 커패시터(capacitor, CRING)가 형성되며, 두 커패시터는 서로 병렬로 연결된 것과 등가이다. 또한, 전극은 패널 내부에서 커패시터 CD를 형성한다.
팁 전극(TIP)이 주파수 f1를 가지는 SigTIP신호를 출력하고, 링 전극(RING)이 주파수 f2의 SigRING신호를 출력하면 전극에 형성되어 검출되는 신호 SigOUT은 커패시터 CTIP과 커패시터 CRING및 커패시터 CD에 의하여 분배된 신호이며, 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112021140902463-pat00001
즉, 전극에서 검출 가능한 신호는 팁 전극(TIP)이 제공한 팁 신호(SigTIP)가 커패시턴스의 비에 따라 분배된 신호와, 링 전극(RING)이 제공한 링 신호(SIGRING)가 커패시턴스의 비에 따라 분배된 신호의 합에 상응한다. 따라서, 검출된 신호 SIGOUT은 팁 신호에 의하여 형성되어 팁 신호 주파수 성분인 f1을 포함하는 성분과 링 신호에 의하여 형성되어 링 신호의 주파수 성분인 f2를 포함하는 성분의 합으로 표시된다.
또한, 액티브 펜이 패널에 대하여 기울어질수록 링 전극(RING)이 전극에 가까워지므로 검출된 신호(SigOUT)에서 링 신호에 의한 성분이 증가한다. 따라서, 팁 신호의 크기와 링 신호의 크기를 모두 아는 경우에, 검출된 신호(SigOUT)에서 팁 신호에 의하여 형성된 성분과 링 신호에 의해 형성된 성분의 비를 연산함으로써 액티브 펜이 패널에 어느 정도의 기울기로 위치하는지 파악할 수 있다.
도 3(b)는 패널에 포함된 서로 다른 전극들에 의하여 액티브 펜(PEN)을 검출한 상태를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 3(b)를 참조하면, 팁 전극(TIP)은 가운데의 전극에 제일 인접하므로, 팁 전극(TIP)과 가운데 전극과의 관계에서 형성되는 커패시터 CTIP2의 커패시턴스가 다른 두 전극들 사이에서 형성된 커패시터 CTIP1,CTIP3의 커패시턴스에 비하여 크다. 이러한 관계는 링 전극(RING)과 패널 내의 다른 세 전극과의 관계에서도 마찬가지로 링 전극(RING)과 가운데 전극과 형성되는 커패시터의 커패시턴스가 주변의 다른 두 전극과 형성되는 커패시터의 커패시턴스들에 비하여 크다.
따라서, 팁 전극(TIP) 및 링 신호(RING_SIGNAL)과 가까울수록 더 큰 신호가 형성되며, 검출 가능하다. 따라서, 서로 다른 세 전극에서 형성되는 신호를 검출하고, 그 크기로부터 보간(interpolate) 연산을 수행하여 액티브 펜(PEN)의 팁 전극(TIP)의 터치 위치를 얻을 수 있다.
또한, 팁 신호(SigTIP)와 링 신호(SIGRING)를 통해 팁과 링의 위치를 알 수 있고, 두 위치간의 방향과 거리를 통해 펜이 기울어진 위치와 기울어진 정도를 알 수 있다.
도 4(a)는 본 실시예에 의한 셀프 닷 방식의 패널을 이용하여 터치를 검출하는 예를 개요적으로 도시한 도면이고, 도 4(b)는 어느 한 센싱 패드(SP)에 사용자의 손가락(미도시)이 접촉하였을 때의 전기적 등가회로를 예시한 도면이다. 도 4(a)를 참조하면, 본 실시예에 의한 셀프 닷 방식의 패널(panel, l0)은 어레이로 배치된 복수의 센싱 패드(SP)들을 포함한다.
각 센싱 패드(SP)는 도선을 통하여 다중화기(20)에 연결되며, 도 4(a)로 예시된 것과 같이 다중화기의 연결에 의하여 센싱 패드(SP)들이 열로 연결된 센싱 라인을 구성하거나, 도시되지 않은 실시예와 같이 센싱 패드(SP)들이 행으로 연결된 센싱 라인을 구성할 수 있다.
이하에서는 용이한 이해와, 간결하고 명확한 설명을 위하여 다중화기(M)에 의하여 센싱 패드(SP)들이 열로 연결된 채널을 구성하는 것을 예를 들어 설명한다. 다만, 이는 센싱 패드(SP)들이 행으로 연결된 채널을 구성하는 것을 배제하는 것이 아니다.
터치 센싱은 도 4(a)로 예시된 것과 같이 짝수 열(EVEN COL)을 수행하고, 홀수열(EVEN COL)을 수행할 수 있다. 이와 같이 짝수 열 센싱과 홀수 열 센싱은 교번하여 수행될 수 있다. 또한, 짝수 열과 홀수 열을 교번하여 터치 검출을 수행할 때, 0 행, 1행, 2행, ... 과 같이 순차적으로 터치 검출을 수행할 수 있다. 이와 같이 교번하여 센싱을 수행하여 터치 감도를 향상시키고, 소모 전류를 감소시킬 수 있다.
도 4(b)는 어느 한 센싱 패드에 사용자의 손가락이 접촉하여 입력을 제공할 때의 등가 회로도이다. 도 4(b)를 참조하면, 패널(l0)에는 센싱 패드(SP)에 형성된 패드 커패시터(CD), 기생 커패시터(CP) 및 사용자의 손가락과 센싱 패드(SP) 사이의 핑거 커패시터(CF)가 형성된다. 구동 회로부는 구동 커패시터(CDRV)를 포함한다.
Figure 112021140902463-pat00002
터치 센싱을 위하여 제1 스위치(SW1)를 도통시키고 패드 커패시터(CD), 기생 커패시터(CP), 핑거 커패시터(CF) 및 구동 커패시터(CDRV)를 프리 차지 전압(VPRE)으로 프리차지를 수행한다. 이어서, 제1 스위치(SW1)를 차단하고, 제2 스위치(SW2)를 도통시킨 상태에서 구동 커패시터(CDRV)를 통하여 구동 전압(VDRV)를 제공하면 사용자의 손가락에 의하여 형성되는 커패시터에 의하여 상기한 수학식 2와 같이 전압 차이(ΔVDB)가 발생한다. 따라서, 이와 같이 전압 차이를 검출하여 터치 입력을 검출할 수 있다.
그러나, 액티브 펜 신호의 검출을 위하여는 모든 열 혹은 모든 행을 검출하여야 하고, 이를 위하여는 모든 열(혹은 모든 행)과 연결된 검출 회로부를 형성하여 구동하여야 한다. 본 실시예는 위에서 설명된 터치 검출과 마찬가지로 전체 열(혹은 전체 행)과 연결된 검출 회로부를 두지 않고 액티브 펜을 센싱할 수 있는 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
도 5는 본 실시예에 의한 액티브 펜 위치 검출 방법의 개요를 도시한 순서도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 액티브 펜 위치 검출 방법은 (a) 제1 센싱 라인과 제2 센싱 라인으로 액티브 펜 신호와 노이즈를 검출하고, 상기 노이즈를 제거하는 단계(S100)와, (b) 상기 액티브 펜 신호를 상위 임계값, 하위 임계값과 비교하는 단계(S200) 및 (c) 상기 (b) 단계의 비교 결과에 상응하는 신호를 상기 액티브 펜과 동기된 동기 신호로 샘플하여 상기 액티브 펜의 위치를 검출하는 단계(S300)를 포함한다.
도 6은 본 실시예에 의한 액티브 펜 위치 검출 장치의 개요를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 액티브 펜 위치 검출 장치(1)는: 제1 센싱 라인(C1)과 제2 센싱 라인(C4)을 포함하는 패널(10)과, 상기 제1 센싱 라인(C1)과 상기 제2 센싱 라인(C4)에서 출력된 신호의 차동 성분 신호(differential mode signal)를 증폭하여 출력하는 차동 증폭 회로부(300); 상기 차동 증폭 회로부(300)에서 출력된 신호로부터 상기 제1 센싱 라인(C1) 및 상기 제2 센싱 라인(C4) 중 상기 액티브 펜이 인접한 채널에 상응하는 인접 신호(Vpos)를 출력하는 인접 검출부(400); 상기 인접 검출부(400)의 출력으로부터 상기 액티브 펜의 위치를 검출하는 위치 검출부(500)를 포함한다.
도 6을 참조하면, 패널(10)에 포함된 센싱 패드(SP) 각각은 도 4로 예시된 것과 같이 도선을 통하여 다중화기(multiplexer, 20)와 연결된다. 다중화기(20)는 센싱 패드(TP) 각각을 행 또는 열로 연결하여 센싱 라인을 형성한다. 상술한 바와 같이 이하에서는 센싱 패드(SP)들이 열로 연결된 센싱 라인을 구성하는 것을 예를 들어 설명한다. 다만, 이는 센싱 패드(SP)들이 행으로 연결된 채널을 구성하는 것을 배제하는 것이 아니며, 용이한 이해와, 간결하고 명확한 설명을 위한 것임을 유의하여야 한다. 따라서, 다중화기(20)를 이용하여 센싱 패드(SP)를 열로 연결하여 액티브 펜의 센싱을 수행하는 것으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아님을 유의하여야 한다.
도 6으로 도시된 예에서, 다중화기(20)는 어느 한 열에 위치한 센싱 패드들을 연결하여 검출 회로부(30)에 포함된 센싱 채널(CH0, CH1, CH2, ...)의 제1 입력에 제공하고, 다른 열에 위치한 센싱 패드들을 들을 연결하여 센싱 채널(CH0, CH1, CH2, ...)의 제2 입력으로 제공한다. 도 6은, 패널(10)에 포함된 열 수의 절반에 해당하는 수의 센싱 채널을 이용하여 센싱할 때, 각 센싱 채널이 어떻게 차동 증폭기의 입력에 연결되는지 도시한다.
도시된 예에서, 다중화기(20)는 제1 열(C1)에 위치한 센싱 패드들을 라인으로 연결하여 센싱 채널(CH1)의 제1 입력으로 제공하고, 제4 열(C4)에 위치한 센싱 패드들을 라인으로 연결하여 센싱 채널(CH1)의 제2 입력으로 제공한다. 센싱 패드들이 연결된 센싱 라인은 액티브 펜(PEN)이 출력한 신호와 노이즈를 검출하여 다중화기(20)에 의하여 연결된 센싱 채널(CH1)에 출력한다.
도시된 실시예에서, 센싱 라인을 이루는 센싱 패드들은 패널(10)에 위치하여 사용자의 터치 입력, 액티브 펜의 입력을 검출하는 센싱 패드들이다. 도시되지 않은 실시예에서 센싱 라인들은 사용자의 터치 입력, 액티브 펜의 입력을 검출하는 센싱 패드들이 연결되어 형성된 센싱 라인과 노이즈를 검출하도록 형성된 노이즈 센싱 라인일 수 있다.
도 7은 본 실시예에 의한 검출 회로부(30)에 포함된 센싱 채널(CH1)의 개요적 도면이다. 도 7을 참조하면, 차동 증폭 회로부(300)는 차동 증폭기(differential amplifier)를 포함하며, 제1 열(C1)과 제4 열(C4) 중 어느 하나가 차동 증폭기의 비반전 입력에 연결되고 다른 하나가 반전 입력에 연결될 수 있다. 차동 증폭 회로부(300)는 차동 증폭기의 반전 입력, 비반전 입력으로 입력된 신호로부터 액티브 펜 신호와 노이즈를 제공받고, 동상 모드 신호(common mode signal)인 노이즈를 제거(S100)하고, 차동 성분 신호(differential mode signal)인 액티브 펜 신호를 증폭하여 출력한다. 일 예로, 차동 증폭기의 반전 입력, 비반전 입력 중 어느 하나에는 액티브 펜이 출력하는 신호와 노이즈가 중첩된 신호가 입력되고, 차동 증폭기의 반전 입력, 비반전 입력 중 다른 하나에는 노이즈가 입력될 수 있다.
도 7로 예시된 실시예에서, 인접 검출부(400)는 차동 증폭 회로부(300)가 출력한 액티브 펜 신호에서 높은 고역 대역의 노이즈를 제거하는 저역 통과 필터(LPF, low pass filter, 410)를 더 포함할 수 있다. 차동 증폭 회로부(300)는 액티브 펜 신호와 동상 모드로 중첩된 노이즈를 제거하는 반면에 저역 통과 필터(LPF, 410)는 고역 대역의 노이즈를 제거하고, 상대적으로 낮은 대역의 펜 신호를 통과시킨다.
또한, 차동 증폭 회로부(300)가 출력한 신호는 아날로그 디지털 변환기(ADC)로 제공된다. 아날로그 디지털 변환기(ADC)는 제공된 신호에 상응하는 디지털 코드를 형성하여 위치 검출부(500)에 제공한다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 비교기(420)가 저역 통과 필터(410)가 출력한 신호(IN)를 입력받고 상위 임계값(VTH,H), 하위 임계값(VTH,L)과 비교하여 형성한 비교 결과 신호(COMPOUT)와, 샘플부(430)가 비교 결과 신호(COMPOUT)를 동기 신호(VSYNC)로 샘플하여 인접 신호(VPOS)를 형성하는 과정을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 인접 검출부(400)는 차동 증폭 회로부(300)가 출력한 액티브 펜 신호를 입력받고 상위 임계값(VTH,H), 하위 임계값(VTH,L)과 비교(S200)하여 비교 결과 신호(COMPOUT)를 출력한다.
상위 임계값(VTH,H)과 하위 임계값(VTH,L)은 액티브 펜(PEN)이 출력한 신호와 노이즈를 구분하기 위한 임계값이다. 즉, 차동 증폭 회로부(300)가 제공한 신호의 진폭이 상위 임계값(VTH,H)을 초과하고, 하위 임계값(VTH,L) 보다 낮을 때, 액티브 펜이 출력한 신호로 파악할 수 있다. 반대로, 차동 증폭 회로부(300)가 제공한 신호가 하위 임계값(VTH,L)과 상위 임계값(VTH,H) 사이에서 스윙(swing)하는 신호이면 해당 신호는 액티브 펜(PEN)이 출력한 신호가 아닌 것으로 파악할 수 있다.
또한, 비교 결과 신호(COMPOUT)가 액티브 펜이 출력한 신호에 상응하는 신호이면 비교 결과 신호(COMPOUT)는 액티브 펜이 출력한 신호와 동일한 주파수를 가진다. 따라서, 비교 결과 신호(COMPOUT) 신호로부터 패널(10)이 검출한 신호가 액티브 펜(PEN)이 제공한 신호인지 파악할 수 있다.
액티브 펜(PEN)이 패널(10)에 인접하면 센싱 패드(SP)들은 액티브 펜(PEN)신호를 검출하여 검출 회로부(30)에 출력한다. 액티브 펜 신호가 검출되면, 위치 검출부(500)에 포함된 연산부(520)는 액티브 펜(PEN) 신호와 동기된 동기 신호(VSYNC)를 형성한다. 일 실시예로, 동기 신호(VSYNC)는 액티브 펜(PEN)이 출력하는 비콘 신호(Beacon LF)와 동일한 주파수를 가질 수 있으며, 위상 고정 회로(PLL), 지연 고정 회로(DLL)를 이용하여 비교 결과 신호(COMPOUT)와 동기될 수 있다.
이와 같이 형성된 비교 결과 신호(COMPOUT)는 샘플부(430)로 입력된다. 일 실시예로, 샘플부(430)는 D 플립플롭(D flip-flop)으로 구현될 수 있다. 샘플부(430)에는 액티브 펜 신호가 입력되고, 동기 신호(VSYNC)가 클록 신호로 입력된다. 샘플부(430)는 입력된 비교 결과 신호(COMPOUT)를 동기 신호(VSYNC)의 상승 에지로 샘플하여 인접 신호(Vpos)를 형성하고 위치 검출부(500)로 출력한다. 후술할 바와 같이 인접 신호(Vpos)와 FFT 연산부(510)의 연산 결과를 통하여 액티브 펜(PEN)의 위치를 검출할 수 있다.
도 9(a)는 액티브 펜(PEN)이 제1 열(C1) 상에 위치할 때 FFT 연산부(510)가 FFT(fast Fourier transform) 연산을 수행한 결과를 예시한 도면이고, 도 9(b)는 액티브 펜(PEN)이 제4 열(C1) 상에 위치할 때 FFT 연산부(510)가 FFT(fast Fourier transform) 연산을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
도 9(a)를 참조하면, 액티브 펜(PEN)은 패널(10)의 제1 열(C1) 상에 위치한다. 따라서, FFT 연산을 수행한 결과, 액티브 펜(PEN)이 위치한 제1 열(C1)으로부터 신호를 제공받는 제1 센싱 채널(CH1)의 신호가 가장 크게 나타난다.
도 9(b)를 참조하면, 액티브 펜(PEN)은 제4 열(C4) 상에 위치한다. 따라서, FFT 연산을 수행한 결과도 도 9(a)로 예시된 것과 같이 액티브 펜(PEN)이 위치한 제4 열(C4)로부터 신호를 제공받는 제1 센싱 채널(CH1)의 신호가 가장 크게 나타난다.
도 9(a)와 도 9(b)를 참조하면, 액티브 펜(PEN)이 제1 열(C1) 상에 위치할 때와 제4 열(C4) 상에 위치할 때 FFT 연산을 수행한 결과는 도시된 것과 같이 서로 동일하다. 따라서, 액티브 펜(PEN)이 제1 채널과 연결된 제1 열(C1) 상에 위치하거나, 제4 열(C4) 상에 위치하는 경우에는 FFT 연산을 통하여 액티브 펜(PEN)의 정확한 위치를 검출할 수 없다. 즉, 액티브 펜(PEN)이 동일한 채널과 연결된 두 열 중 어느 한 열에 위치하였을 때에는 구별할 수 없다.
이러한 결과는 어느 한 채널에 포함된 차동 증폭 회로부(200)는 어느 한 열로 입력된 노이즈와 중첩된 펜 신호와 다른 한 열로 입력된 노이즈의 차동 성분(differential mode) 만을 증폭하여 출력하는 것에 기인한다.
다시 도 8(a) 및 도 8(b)를 참조하면, 액티브 펜(PEN)이 제1 열(C1)상에 위치할 때와 액티브 펜(PEN)이 제4 열(C4)상에 위치할 때 차동 증폭 회로부(300)가 출력하는 신호는 서로 역상이다. 이는 상술한 바와 같이 차동 증폭 회로부(200)는 어느 한 열로 입력된 펜 신호와 다른 한 열로 입력된 노이즈의 차동 성분(differential mode component)만을 증폭하여 출력하기 때문이다.
따라서, 차동 증폭 회로부(300)가 출력한 신호와 상위 임계값(VTH,H)과 하위 임계값(VTH,L)을 비교한 비교 결과 신호(COMPOUT)도 마찬가지로 서로 역상인 관계이며, 서로 역상인 비교 결과 신호(COMPOUT)를 펜 신호(SPEN)과 동기된 동기 신호(VSYNC)로 샘플하면 액티브 펜(PEN)의 위치에 따라 서로 다른 레벨을 가지는 인접 신호(Vpos)를 얻을 수 있다. 따라서, FFT 연산부(510)의 출력이 동일하다 하더라도 인접 신호(Vpos)로부터 액티브 펜(PEN)의 위치를 파악할 수 있다.
즉, 인접 신호(Vpos)와 ADC가 출력한 코드를 FFT 변환부(510)가 변환하여 펜 신호에 해당되는 주파수(예를 들어 비콘 구간에서는 25kHz 영역대)의 크기가 가장 크게 나타난 전극이 액티브 펜이 위치하는 전극으로 파악할 수 있다.
실제 액티브 펜의 위치는 전극별로 신호의 세기를 이용하여 전극 크기의 1/10에 해당되는 좌표까지 추출할 수 있다. 즉, 신호가 가장 큰 전극을 중심으로 좌/우 전극의 신호 크기를 통해 무게 중심을 계산한다.
일 예로, 차례대로 30, 100, 30의 값을 가지면, 두 번째 전극의 정중앙이 펜의 위치로 파악할 수 있으며, 다른 예로, 차례대로 10, 100, 50 의 값을 갖으면, 두 번째 전극의 중앙에서 세번째 전극 쪽으로 중심이 이동되어 있음을 알 수 있다. 상술한 연산 과정을 통해 전극 크기 보다 작은 크기에 해당되는 좌표 연산을 수행할 수 있다. 다만 상기한 예는 센싱 패드들이 좌, 우로 연결한 경우를 예시한 것이나, 동일한 방법을 통하여 센싱 패드들이 상, 하로 연결한 경우에서의 좌표를 연산할 수 있다.
연산부(520)는 인접 신호(Vpos)와 FFT 연산부(510)가 출력한 신호를 제공받고, 액티브 펜의 위치를 정확하게 파악할 수 있다. 상술한 바와 같이, 위에서 설명된 예는 다중화기(20)에 의하여 센싱 패드(SP)들이 열(column)로 연결되어 센싱 라인을 형성하는 것이다. 그러나, 다중화기(20)는 센싱 패드(SP)들을 행(row)으로 연결하여 센싱 라인을 형성할 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 패널
20: 다중화기
30: 검출 회로부
300: 차동 증폭 회로부
400: 인접 검출부
410: 저역 통과 필터
420: 비교기
430: 샘플부
500: 위치 검출부
510: FFT 연산부
520: 연산부
S100 ~ S300: 액티브 펜 위치 검출 방법의 개요적 각 단계

Claims (15)

  1. (a) 제1 센싱 라인과 제2 센싱 라인을 포함하는 패널에 의해 제1 입력과 제2 입력으로 입력된 신호로부터 상기 제1 입력으로 검출한 노이즈와 중첩된 액티브 펜의 신호와, 상기 제2 입력으로 검출한 노이즈를 차동 증폭 회로부로 증폭하여 노이즈를 제거하는 단계;
    (b1) 상기 (a) 단계에서 상기 차동 증폭 회로부로부터 출력된 신호를 저역 통과 필터(LPF, low pass filter)를 이용하여 노이즈를 제거하는 단계;
    (b2) 상기 저역 통과 필터에서 출력된 신호를 비교기에서 상위 임계값, 하위 임계값과 비교하는 단계; 및
    (c) 샘플부가 상기 (b2) 단계의 비교 결과에 상응하는 비교 결과 신호를 입력받아 상기 액티브 펜과 동기된 동기 신호로 샘플하여 위치검출부로 출력하고, 상기 위치 검출부가 액티브 펜의 위치를 검출하는 단계;를 포함하되,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 동기 신호는 상기 액티브 펜의 비콘 신호와 동일한 주파수를 가지는 신호로서, 검출 회로부가 액티브 펜의 비콘 신호를 검출하여 위치 검출부에 입력하면, 위치 검출부의 연산부가 동기 신호를 형성하는 것을 특징으로 하는 액티브 펜 위치 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 아날로그 디지털 변환기(ADC)가 상기 (b2) 단계에서 형성된 노이즈가 제거된 신호에 상응하는 디지털 코드를 형성하는 단계와,
    (c2) FFT 연산부가 상기 디지털 코드에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하는 단계 및
    (c3) FFT 연산부가 상기 FFT(Fast Fourier Transform) 연산을 수행한 결과와 상기 샘플부가 액티브 펜과 동기된 동기 신호로 샘플한 결과로 위치검출부의 연산부가 액티브 펜의 위치를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액티브 펜 위치 검출 방법.
  7. 액티브 펜 위치 검출 장치로, 상기 액티브 펜 위치 검출 장치는:
    제1 센싱 라인과 제2 센싱 라인을 포함하는 패널;
    상기 제1 센싱 라인과 상기 제2 센싱 라인에서 출력된 신호의 차동 성분 신호(differential mode signal)를 증폭하여 출력하는 차동 증폭 회로부;
    상기 차동 증폭 회로부에서 출력된 신호로부터 상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인 중 상기 액티브 펜이 인접한 채널에 상응하는 인접 신호를 출력하는 인접 검출부; 및
    상기 인접 검출부의 출력으로부터 상기 액티브 펜의 위치를 검출하는 위치 검출부;를 포함하되,
    상기 인접 검출부는,
    상기 차동 증폭 회로부의 출력 신호에서 노이즈를 제거하는 저역 통과 필터(LPF, low pass filter)와,
    상기 차동 증폭 회로부의 출력 신호를 상위 임계값 및 하위 임계값과 비교하는 비교기와,
    상기 비교기의 비교 결과 신호를 상기 액티브 펜이 출력하는 신호와 동기된 동기 신호로 샘플하여 상기 인접 신호를 출력하는 샘플부를 구비하고,
    상기 저역 통과 필터의 출력 신호는 비교기에 입력되며,
    상기 액티브 펜이 출력하는 신호는 비콘 신호(beacon signal)이며,
    상기 동기 신호는 상기 비콘 신호와 동일한 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 액티브 펜 위치 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 패널은 어레이로 배치된 복수의 센싱 패드들을 포함하고,
    상기 액티브 펜 위치 검출 장치는,
    상기 복수의 센싱 패드들을 행 및 열 중 어느 하나 이상으로 연결하는 다중화기(MUX)를 더 포함하는 액티브 펜 위치 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인은
    상기 패널에 포함된 센싱 패드들이 상기 다중화기에 의하여 행 또는 열로 연결되어 검출한 신호가 제공되는 액티브 펜 위치 검출 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제7항에 있어서,
    상기 인접 신호는 서로 다른 두 레벨을 가지며,
    상기 인접 신호의 레벨은
    상기 제1 센싱 라인 및 상기 제2 센싱 라인 중 상기 액티브 펜이 인접한 라인에 상응하는 액티브 펜 위치 검출 장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 액티브 펜 위치 검출 장치는
    상기 차동 증폭회로부의 출력을 상응하는 디지털 코드로 변환하여 출력하는 아날로그 디지털 변환기(ADC, analog digital converter)를 더 포함하고,
    상기 위치 검출부는,
    상기 디지털 코드에 대하여 FFT(Fast Fourier Transform)을 연산하는 FFT 연산부 및
    상기 FFT 연산부의 출력과 상기 인접 신호로부터 상기 액티브 펜의 좌표를 연산하는 연산부를 포함하는 액티브 펜 위치 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연산부는
    상기 FFT 연산부의 채널 별 출력 크기에 대한 무게 중심을 연산하고,
    상기 인접 신호로부터 더 가까운 채널을 검출하여 상기 액티브 펜의 좌표를 연산하는 액티브 펜 위치 검출 장치.
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