KR20050004233A - 영구 자석을 이용한 스타일러스 입력 장치 - Google Patents

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KR20050004233A KR10-2004-7019129A KR20047019129A KR20050004233A KR 20050004233 A KR20050004233 A KR 20050004233A KR 20047019129 A KR20047019129 A KR 20047019129A KR 20050004233 A KR20050004233 A KR 20050004233A
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리차드 울리
폴 글래드
다니엘 리
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Abstract

본 발명은 자기장(영역(16)내의 필드)을 이용하여 동작하는 스타일러스에 관한 것으로, 이때 영구자석(32)은 수동 스타일러스(30)내에 배치되어 있고, 상기 수동 스타일러스는 다수의 자기 센서(센서(8)는 위치(14)에 있음)에 의해 감지될 수 있으며, 상기 다수의 자기 센서는 지구의 상대적 자기장으로부터 상기 스타일러스의 자기장을 제거하게 됨으로써, 사용되는 자기 센서 수에 따라 2차원 또는 3차원에서 스타일러스(30)의 위치를 결정하도록 삼각측량 방정식에서 사용되는 벡터를 획득하게 되며, 이때 한 세트 이상의 자기 센서(10, 12, 20)가 지구의 자기장에 대한 기준으로 사용될 수 있고, 이때 자기 센서들(8)의 각각은 극성 코일을 포함하여서 감도, 널 코일(42) 및 플립핑 코일(44)의 방향을 바꾸게 된다.

Description

영구 자석을 이용한 스타일러스 입력 장치{STYLUS INPUT DEVICE UTILIZING A PERMANENT MAGNET}
스타일러스를 사용하는 입력 장치들의 기술적 상태는 일반적으로 디지타이징 태블릿이나 터치패드에 의해 특징지워진다. 상기 디지타이징 태블릿은 일반적으로 상기 태블릿이나 터치패드에 결합된 스타일러스를 이용하여 데이터를 입력하는데 사용되는 큰 표면이다. 예를 들어, 스타일러스를 태블릿과 연결하기 위해 케이블이 사용되며, 스타일러스가 태블릿의 표면을 가로질러 움직일 때 상기 스타일러스의 움직임이 감지되거나 추적된다. 상기 스타일러스의 움직임은 일반적으로 디스플레이 장치에서 라인으로 그려진다.
대부분의 스타일러스에 기반을 둔 태블릿의 기본적 동작은 전자기 센서에 의존한다. 자기장은 루프에 흐르는 전류에 의해 형성된다. 펜 내부에는 코일이 있어서 상기 자기장을 획득하고 이를 컨버터로 재전송하여 X 및 Y의 위치를 결정한다. 이러한 형태의 펜은 일반적으로 상기 펜과 데이터 전송용 장치 사이에 테더(tether)를 필요로하거나, 또는 배터리로 전원이 공급되고 터치패드에 의해 감지될 수 있는 신호를 생성하는 활성 펜의 사용을 필요로한다.
따라서, 종전 기술보다 우수한 점으로는, 매어있는 스타일러스나 활성 펜을 필요로 하지 않는 커서 제어 및 데이터 입력용 펜 또는 스타일러스 기반 시스템을 제공하는 것이다. 만일 상기 스타일러스가 내부 전력 전원을 필요로하지 않는다면 이 또한 선호될 것이다.
종래 기술은 개인 휴대 정보 단말기(PDA)로써 스타일러스의 사용을 설명하였다. 스타일러스가 감지할 수 있도록 압력을 필요로한다면, 상기 PDA의 쓰기 표면은 손상될 것이다. 게다가, 상기 스타일러스에 대한 쓰기 영역은 일반적으로 매우 작다. 쓰여진 것을 보여주기 위해 아무런 시각적 피드백이나 "잉킹 흔적(inking trail)"이 없을 경우 스타일러스를 사용하는 것은 또한 어렵다.
따라서, PDA 스크린에 손상을 방지하기 위해서 오프 스크린 잉킹 표면을 제공하는 것은 종래 기술보다 우수할 것이다. 또한 빠른 시각적 피드백뿐만 아니라 PDA를 위한 더 큰 쓰기 표면을 제공하는 것도 우수한 점이다.
종전 기술은 또한 스타일러스의 존재 여부를 감지할 수 있는 표면과 접촉하지 않고서도 동작할 수 있는 형태의 스타일러스를 설명하지 못한다. 즉, 쓰여지는 표면은 상기 스타일러스를 감지할 수 있는 일부 표면이다. 따라서, 한 표면에서 스타일러스의 움직임을 감지하고 추적할 수 있는 것이 선호되며, 이때 상기 표면은스타일러스를 감지 표면이 아니다.
종전 기술은 또한 스타일러스와 함께 사용되어야 하는 센싱 표면의 일부 형태를 설명한다. 따라서, 감지하기 위한 센싱 표면을 필요로하지 않는 스타일러스를 제공하는 것은 종래 기술 보다 우수한 점이 될 것이다. 3차원내에서 움직일 때, 스타일러스가 감지될 수 있도록 하는 것이 또한 선호된다.
다루어질 또 다른 측면은 쓰기를 턴온 및 턴오프하는 능력이다. 일반적으로, 이러한 형태의 기능은 민감한 표면, 펜으로부터 또 다른 장치로의 테더, 또는 활성 펜 등을 필요로 한다. 따라서, 관련된 디스플레이 장치에서 쓰기를 턴온 및 턴오프하도록 구동될 수 있는 스타일러스를 제공하는 것이 종래 기술보다 선호될 것이며, 이때 상기 스타일러스는 특정 센싱 표면에서는 쓰지 않는 수동 장치이고, 또 다른 장치에 물리적으로 매어있지는 않다.
본 발명의 마지막 측면은 매우 작은 영역에서 사용하기 위한 스타일러스를 구현하는 능력이다. 이동 전화의 사용자는 email 메시지를 입력하고 전송하기를 원할 것이라고 생각하라. 이동 전화에 옵션을 입력하는 기술은 지겹고 시간이 소모되는 일이다. 비교적 작은 장치를 갖고서 이동 상황에서 사용될 수 있도록 스타일러스에 의해 구동되는 매우 작은 키보드를 제공하는 것은 종래의 기술보다 우수할 것이다.
본 발명은 전자 정보 장치용 입력 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명에서 스타일러스는 2차원 또는 3차원에서 동작할 수 있고, 스타일러스의 동작을 나타내는 라인(lines)과 같은 입력을 제공하는데 사용되거나, 또는 컴퓨터 및 개인 휴대 정보 단말기(PDA)와 같은 휴대용 정보 장치 또는 이동 전화와 같은 다른 형태의 전자 장치에서 커서를 제어하는데 사용될 수 있다.
도 1은 자기장 센서의 상측도로서 2차원에서는 두 개의 세트가, 3차원에서는 세 개의 세트가 사용되어서 감도 영역을 제공한다.
도 2A는 본 발명의 감도 영역의 한 실시예이다.
도 2B는 본 발명의 감도의 또 다른 영역의 실시예이다.
도 2C는 본 발명의 감도의 또 다른 영역의 실시예이다.
도 3은 스타일러스의 측면 단면도이다.
도 4는 자기장 센서의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 부품들의 개략도이다.
도 6은 대안적 실시예를 보여주는 스타일러스의 측면 단면도이다.
도 7은 스타일러스의 대안적 실시예의 측면 단면도이다.
도 8은 스타일러스의 대안적 실시예의 측면 단면도이다.
도 9는 구동 코일의 확대도이다.
도 10은 스타일러스의 대안적 실시예의 측면 단면도이다.
도 11은 수동 스타일러스의 또다른 단면도이다.
도 12는 도 11의 수동 스타일러스의 단면도이다.
도 13은 도 11의 수동 스타일러스의 확대 단면도이고, 상기 스타일러스는 디스플레이에서 쓰도록 작동된다.
도 14는 쓰기 표면에서 스타일러스의 팁에 의해 인가된 압력의 정도를 결정하는데 사용될 수 있는 블록 회로도이다.
도 15는 도 14에 설명된 압력 센싱을 실행하는 활성 스타일러스에 사용된 전송기의 회로도이다.
도 16은 참고 도면.
도 17은 참고 도면.
도 18은 참고 도면.
도 19는 참고 도면.
도 20은 참고 도면.
도 21은 참고 도면.
도 22는 참고 도면.
도 23은 참고 도면.
도 24는 참고 도면.
도 25는 참고 도면.
본 발명의 목적은 2차원 또는 3차원에서 동작하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내부에 영구 자석만을 필요로하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 터치다운 및 압력을 나타내는 신호를 제공하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 "시작" 및 "정지"쓰기 신호를 디스플레이 장치에 제공할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이며, 이때 상기 신호는 정상적인 쓰기 움직임 및 동작에 의해 활성화된다.
본 발명의 또 다른 목적은 오프스크린에서 사용될 때 페이퍼상에 스타일러스의 잉킹을 하는 잉킹 카트리지를 포함할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원 감지 볼륨을 제공하도록 충분한 수의 센서를 제공함으로써 3차원에서 동작할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자기장 세기를 증가시켜서 신호 변화의 지표로 작용하게 되는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 펜 몸체내에 저장된 영구 자석을 회전시켜서 극성을 바꾸도록 하는 수동 스타일러스를 제공하는 것이며, 디지털 "on" 및 "off"신호를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 스타일러스의 회전을 감지할 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 디스플레이 장치에서 삭제(erasing) 기능을 수행하도록 뒤집어질 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 잉킹 카트리지와 함께 기계적 연필로 통합될 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작은 키패드와 함께 사용될 수 있는 수동 스타일러스를 제공하는 것이며, 이때 상기 키패드는 키패드상의 키로써 상기 수동 스타일러스의 접촉을 감지한다.
본 발명의 또 다른 목적은 디스플레이 장치에 신호를 인가하여 압력 정보를 제공함으로써 음영(shading)의 변화를 이끌어낼 수 있도록하는 활성 스타일러스를 제공하는 것이다.
선호되는 실시예에서, 본 발명은 자기장을 이용하여 동작하는 스타일러스이고, 이때 영구 자석이 수동 스타일러스내에 배치되어 있어서 다수의 자기 센서에 의해 감지될 수 있고, 상기 다수의 자기 센서는 지구의 상대적 자기장으로부터 스타일러스의 자기장을 뺌으로써 쓰기 영역내에서 스타일러스의 위치를 결정하기 위해 삼각측량(triangulation) 방정식에서 사용되는 벡터를 얻게 된다.
본 발명의 제 1 측면에서, 각각의 자기 센서 쌍은 벡터를 제공하고, 이때 두 개의 쌍은 2차원에 대한 벡터 정보를 제공하고, 그리고 세 개의 쌍은 3차원에 대한 벡터 정보를 제공한다.
본 발명의 제 2 측면에서, 상기 세 쌍의 자기 센서는 가상의 직사각형 평면에서 네 모서리 중 세 개의 모서리에 배치된다.
본 발명의 제 3 측면에서, 상기 세 쌍의 자기 센서 중 하나는 지구 자기장에대한 기준으로 작용한다.
본 발명의 제 4 측면에서, 상기 각각의 자기 센서는 감도(sensitivity), 널 코일(null coil) 및 플립핑 코일(flipping coil)의 방향을 변화시키는 분극 코일을 포함한다.
본 발명의 제 5 측면에서, 상기 수동 스타일러스에 의해 생성된 "시작" 및 "정지"신호는 상기 스타일러스 몸체내의 영구 자석의 빠른 움직임에 의해 상기 자기 센서가 감지할 수 있다.
본 발명의 선호되는 실시예는 전력 전원이 없이 자기장을 생성하는 수동 스타일러스의 위치 및 방향을 결정할 수 있는 다수의 자기 센서이다. 선호되는 실시예에서, 상기 다수의 자기 센서는 방향에 있어서 민감한 장치이다. 예를 들어, 상기 자기 센서는 필립스 반도체로부터 구입할 수 있는 자기장 센서(부품번호 KMZ51)가 될 수 있다. 그러나, 동일한 결과를 얻기 위해 유사한 자기 센서로 대체될 수 있다. 상기 자기 파일 센서(KMZ51)는 비교적 비용이 적게 들며, 본원의 응용에 적합하다.
선호되는 실시예에서, 상기 자기장 센서는 쌍으로 배치되며, 나란히 배열되거나 서로 위에 스택되며, 그리고 스택될 경우 PC 보드와 같은 비도전성 물질에 의해 분리된다. 각각의 자기장 센서들은 상기 스타일러스에 벡터를 부여한다. 따라서, 자기장 센서의 두 쌍은 두 벡터를 제공하는데 충분하고, 따라서 2차원에서 상기 스타일러스의 위치를 결정한다.
대안적 실시예에서는, 제 3 자기장 센서가 각 쌍에 추가되어서 각각 세 개의 자기장 센서로된 두 그룹을 만들게 된다. 상기 제 3 자기장 센서는 3차원적 감도의 구성을 갖도록 업다운(up-down) 감도를 제공한다.
선호되는 실시예에서, 세 개의 자기장 센서들은 이 세 개의 자기장 센서들 사이에 직선을 갖도록 배열될 것임에 유의해야 한다. 예를 들어, 도 1은 제 1 자기 센서 세트(10) 및 제 2 자기 센서 세트(12)를 보여주고 있으며, 여기서 각 세트는 세 개의 자기장 센서(8)로 구성된다. 상기 자기장 센서(8) 각각의 방향 감도는 화살표(14)로 표시된다. 각 세트(10, 12)에서 화살표(14)를 나타내는 점은 감도가 페이지 밖으로 나오는 방향이다. 상기 감도의 대략적 영역은 점선(16)에 의해 식별된다.
불행히도, 스타일러스는 상기 제 1 및 제 2 자기 센서 세트(10, 12) 사이에 직접 놓여있는 직선(18)을 따라 배치될 때 감지될 수 없다. 감지가능하기 위해서는 대안적 실시예에서 자기장 센서의 제 3 세트(20)를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제 3 세트(20)는 3차원에서 스타일러스의 감지를 더욱 간단하게 하고, 또한 라인(18)으로 표시되는 "블라인드 스폿(blind spot)"을 제거한다.
세 개의 자기장 센서들 각각의 세 세트(10, 12, 20)의 대안적 실시예에서, 상기 세트들은 정사각형이나 직사각형의 세 모서리로 배열된다. 이 영역은 영역(16)으로 표시된다.
상기 감도 영역은 상기 자기장 센서 세트의 원하는 배치에 따라 변할 수 있다. 이는 상기 감도 영역이 응용되는 필요에 따르는 상대적 영역임을 의미한다. 예를 들어, 만일 상기 응용이 커서 제어 입력 장치에 대한 경우에, 상기 감도 영역(22)은 세 개의 자기장 센서 세트(24)에 대하여 도 2A에서와 같이 또는 도 2B나 2C에서와 같이 주어질 수 있다. 중요한 것은 상기 감도 영역이 매우 근사적이고, 도면에서 정의되는 라인을 넘어설 것이다. 그러나, 실제로 몇몇 임의로 정의된 영역은 사용자가 상기 영역에 쓰여지고, 그려지는 것으로 느끼도록 선택되거나, 또는 스타일러스 및 센서의 응용에서 컴퓨터 스크린 상의 정의된 영역에서 커서가 움직이도록 한다.
도 3에서 현재 선호되는 스타일러스(30)는 펜과 같은 형상이고, 스타일러스의 팁(34) 가까이에는 영구 자석(32)이 배치되어 있다. 상기 스타일러스(30)는 자기장을 가지며, 그 세기는 대략 지구의 자기장 세기와 거의 같다.
상기 스타일러스(30)의 동작을 알기 위해서는 자기장 센서의 동작이 이해되어야 한다. 선호되는 실시예의 각 자기장 센서는 분극 코일을 갖는다. 상기 분극 코일은 사용자가 자기장 센서가 감지하는 방향을 바꾸도록 한다. 이러한 특성은 사용자가 오프셋, 드리프트 등을 상쇄하도록 한다. 일반적으로 사용자는 가끔 자기장 센서를 "소거(zero-out)"하기 위해 방향을 바꾸기만 할 것이며, 매 측정마다 이러한 동작을 실행하지는 않을 것이다. 상기 자기장 센서는 대략 1볼트 DC에서 대략 1MHz까지의 좋은 대역폭을 가진다.
도 4에서, 상기 자기장 센서는 기본적으로 브리지(40)이며, 이는 또한 널링 코일(42) 및 플립핑 코일(44)을 포함한다. 좋은 동적 범위를 갖기 위해서는 매 측정 이전에 플립핑을 피하는 것이 바람직한데, 이는 자기장이 커질수록 자기장 센서를 포화시키기 시작하기 때문이다. 여기서, 상기 자기장 센서는 선형성을 잃기 시작한다.
따라서, 선호되는 자기장 센서는 널링 코일(42)을 포함한다. 차동 증폭기(46)의 출력은 상기 널링 코일(42)로 피드백된다. 이는 상기 자기장 센서에 "영(zero)" 자기장을 갖게 하여서 선형성을 유지하는 동안 이득이 매우 증가하도록 한다.
만일 상기 센서 시스템이 정확하다면, 상기 센서 시스템은 선형 회로를 유지할 필요가 없다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 그 대신, 사용자는 널 포인트를선택해야 하고, 널 포인트를 유지하기 위해 이후 선형 DAC를 공급한다. 이는 상기 센서 시스템이 매우 큰 동적 범위를 갖도록 한다. 상기 널링 코일(42)을 사용함으로써, 선형성 및 좋은 범위를 유지하는 것이 가능하다.
상기 자기장 센서의 범위는 몇몇 인자들의 함수이다. 선호되는 실시예에서 사용되는 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터는 14비트이다. 상기 A/D 컨버터는 대략 8.5ㅧ 11인치, 또는 일반적인 페이퍼의 감도 영역을 획득하는데 충분하다. 상기 감도 영역은 자기장 센서들의 세트가 대략 4 또는 5 인치만큼 분리될 때 획득된다. 16비트 A/D 컨버터를 사용하면 훨씬 큰 범위를 가질 수 있어서 더 큰 감도 영역을 부여하게 된다.
센서 시스템이 도 1과 같이 세 자기장 센서들의 세 개의 세트(10, 12, 20)를 갖는 구성에서 동작된다고 가정한다. 상기 센서 시스템이 먼저 턴온되면, 상기 시스템은 고정적이고 데스크톱 컴퓨터나 다른 고정 장치에 결합되는 것으로 가정한다. 제 1 동작은 지구 자기장에 대한 위치를 결정할 수 있도록 상기 센서 시스템을 캘리브레이션하는 것이다. 이러한 정보는 드라이버, RAM 또는 다른 메모리 장치에 저장되는 것이 선호된다. 이러한 정보는 감도 및 교정 인자에 사용된다. 각 자기장 센서 세트(10, 12, 20)는 상기 확인된 감도 영역(16)내에 배치된 스타일러스에 벡터를 제공한다. 절대 벡터를 결정하고 이후 캘리브레이션 벡터를 빼는 것이 중요하다.
만일 모든 자기장 센서 세트(10, 12, 20)가 서로 평행한 벡터를 제공한다면, 상기 감도 영역(16)내에는 아무런 자석도 없다고 가정된다. 상기 지구 자기장이 또한 공지되어 있기 때문에, 상기 지구 자기장 또한 제거됨으로써 상기 센서 시스템의 감도 필드내에 널 스페이스를 획득하게 된다.
상기 스타일러스가 상기 널 스페이스(감도 필드)로 도입되면, 스타일러스가 존재하는 임계치는 벡터가 더 이상 평행하지 않는 단순한 결정에 해당한다. 상기 지구의 상대적 자기장으로부터 상기 스타일러스내에 배치된 영구 자석의 자기장을 뺌으로써, 사용자는 상기 스타일러스를 가리키는 두 개의 벡터를 획득한다. 삼각측량에 의해 상기 스타일러스의 위치는 결정된다.
도 5는 선호되는 센서 시스템의 개략도이다. 도시된 바와 같이, MUX(50)는 상기 세 자기장 센서 세트(10, 12, 20)의 모든 자기장 센서(8)로 진행한다. 상기 MUX(50)로부터의 신호는 A/D 컨버터(52)로 진행하고, 이후 CPU(54)로 나아간다. 선호되는 실시예는 개인용 컴퓨터의 슬롯내에 배치된 A/D 컨버터를 이용한다. 상기 A/D 컨버터(52)로의 입력은 삼각측량 공식을 처리하기 위해 상기 개인용 컴퓨터상에서 실행되는 프로그램에 의해 액세스됨으로써, 스타일러스의 위치를 결정하게 된다. 적절한 특성을 갖는 A/D 컨버터의 좋은 예는 8051 프로세서이다.
삼각측량 방법에 관한 세부 사항들은 본 발명을 구현을 이해하는데 유용하다. 삼각측량은 대개 두 가지 방법 중 하나로 이루어지며, 둘 다 본 발명에 대하여 적합하지는 않다. 제 1 방법은 효과가 없는데, 이는 x 또는 y 센서가 0에 가까운 값을 가질 때, 상기 x 또는 y 센서는 정확한 좌표를 결정하기가 어렵기 때문이다. 또한, 만일 사용자가 상기 스타일러스를 기울이게 되면, 부정확한 좌표가 다시 주어지기 때문이다.
제 2 방법은 고정 주파수 소스로부터 교번 신호를 필요로하며, 두 개의 센서를 일정한 거리를 두고서 사용한다. 이러한 방법은 본 발명의 스타일러스를 추적(tracking)하는데 유용하지 않은데, 그 이유는 상기 자기 센서가 비-교번(non-alternating) 자기 필드를 바라보고 있으며 주파수 정보가 필요하지 않기 때문이다.
따라서, 본 발명은 원형-삼각측량(circular-triangulation) 방법에 의존한다. 이 방법은 자기장이 어떻게 거리에 따라 감소하는지를 이용한다. 자기 소스가 자신의 센서로부터 멀어질 때, 상기 센서는 상기 소스와 센서 사이의 거리의 세제곱에 반비례하는 값을 기록한다. 이러한 정보는 가상의 원이 상기 센서 주위로 그려지도록 하고, 그 반지름은 센서 값 및 세제곱에 반비례하는 공식으로부터 계산된다. 상기 원은 상기 스타일러스가 있을 수 있는 모든 가능한 점들을 투영한다.
일정한 거리를 두고 떨어져 있는 제 2 센서는 다른 반지름을 갖는 또 다른 원을 투영한다. 상기 원들은 단지 두 지점에서 교차하고, 두 점 중 하나는 도면 이외의 영역(non-drawing area)에서 센서들 뒤에 있어서 해답(solution)으로서 제거될 수 있음을 의미한다. 따라서, 나머지 점의 좌표는 상기 두 원의 교차점을 풀고 상기 스타일러스의 좌표로서 양의 해답을 사용함으로써 계산된다.
이러한 방법은 일정한 거리를 두고 분리되어 있는 두 개의 x 또는 두 개의 y 센서를 필요로하는 장점을 가지며, 앞서 설명된 각도 방법에서 필요한 네 개의 센서를 이용하는 것과는 상반된다.
만일 두 개의 x 및 y 센서가 각각의 센싱 위치에서 사용된다면, 쓰기 표면에대하여 펜의 각도에서의 변화는 상기 스타일러스의 좌표를 계산하는데 영향을 미치지 않는다. 한 세트의 센서들로부터 x에서의 감소는 상기 세트로부터 상응하는 y에서의 증가에 의해 보상될 것이다. 상기 두 센서들 사이의 크기는 (x2+ y2)의 제곱근으로 결정될 수 있다. 이는 낮은 x 및 y 값 때문에 각도 변동을 없애주며, 그리고 쓰기 표면에 대하여 펜 각도의 효과를 없애준다.
이러한 방법은 또한 상기 크기로부터 계산된 각도 대신에 순수한(raw) 센서 크기를 사용하기 때문에 증가된 거리를 가능하게 한다. 이와 동일한 개념이 전자기장에도 적용될 수 있으며, 상기 전자기장은 거리의 제곱에 반비례하여 자기장내에서 에너지가 손실되며, 자기 쌍극자에 대한 거리의 세제곱에 반비례하는 것과는 상반된다. 이러한 방법으로 전자기 소스를 삼각형화함으로써, 객체가 상기 자기 센서의 안테나에 관해 마주보는 각도에 대한 의존성은 제거될 수 있다.
선호되고 대안적인 실시예에서 사용되는 상기 스타일러스(30)는 내부에 영구 자석(32)을 갖는 수동 장치로서 설명되었다. 그러나, 본 발명은 또한 상기 수동 구성에 변경이 가해진 스타일러스에 대해서도 대안적인 디자인을 설명할 수 있고, 또한 능동 소자를 추가함으로써 사용자가 상기 위치를 결정하는 것보다 많은 것을 할 수 있도록 한다.
예를 들어, 수동 스타일러스를 향상시키기 위해서, 상기 스타일러스에 의해 생성된 자기장의 세기를 변경하는 것이 선호될 수 있다. 만일 이러한 세기에서 변화가 감지될 수 있으면, 상기 스타일러스는 수신 장치에 더 많은 입력 정보를 제공할 수 있다. 자기장을 변화시키는 한 실시예는 스타일러스 팁에 가해지는 압력에 의존한다.
도 6에서, 증가된 압력은 스타일러스 팁(60)을 내부방향으로 밀게 됨으로써, 제 1 영구 자석(62)이 제 2 영구 자석(64)과 접촉하게 된다. 결합된 영구 자석(62, 64)의 자기장은 개별 자석보다 크고, 이러한 자기장 세기의 증가는 감지될 수 있다. 상기 스타일러스 팁(60)에 가해진 압력은 스프링(66)이 상기 두 영구 자석(62, 64)을 따로따로 밀도록 함으로써, 자기장의 세기를 초기 상태로 되돌린다. 이는 전력 전원을 사용하지 않고서 이루어진다.
대안적 실시예에서는 앞서의 기본적인 스타일러스 디자인을 넘어서는 능동 소자들을 도입하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 7은 능동 스타일러스(70)의 대안적 실시예이다. 이 실시예에서, 스타일러스(70)의 내부 상세사항은 영구 자석(72)이 휴지 상태에서 제 1 방향으로 되어 있는 것으로 도시되어 있다. 여기서, 자석의 남극은 스타일러스 팁 방향이다. 압력이 스타일러스 팁(74)으로 인가될 때, 막대(76)는 영구 자석(72)을 밀어서 회전하도록 한다. 이러한 회전은 영구 자석(72)의 극성을 바꾸게 하여서, 남극이 스타일러스 팁(74)에서 멀어진 반대편에 있도록 한다. 따라서, 스타일러스는 신호를 입력 장치에 다시 제공한다. 신호는 디지털 0으로 바뀌는 디지털 1이 될 수 있고, 또는 그 반대가 될 수 있다. 스프링(78)은 상기 막대(76)를 스타일러스 팁(74) 방향으로 다시 밀어서, 압력이 스타일러스 팁으로부터 제거될 때 영구 자석이 다시 회전하여 원래의 방향으로 되돌아가게 한다.
일반적으로, 스타일러스는 입력 장치에 "Z"를 제공하는 것을 필요로하지 않는다. 그러나, 전자 페인트브러쉬(paintbrush)를 사용할 경우"Z" 방향이 유용한데, 이는 "Z"가 무한한 압력값 범위를 제공하기 때문이다.
활성 스타일러스의 다음 대안적 실시예는 도 8에서 주어진다. 스타일러스(80)는 스타일러스의 팁(84) 가까이에 코일 형태(82)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 상기 코일 형태(82)는 도 9의 확대된 도면에서와 같이 구(92) 주위로 배치된 세 개의 코일(86, 88, 90)을 갖는다. 상기 코일(86, 88, 90)은 250KHz에서 1MHz까지의 서로 다른 세 개의 주파수를 갖는 구동 코일이다. 상기 자기장 센서 세트들 각각은 다른 구동 코일에 민감하도록 조정될 것이다. 이러한 방식으로, 상기 센서 시스템은 3차원에서 각 구동 코일의 위치를 추적할 수 있을 뿐 아니라, 회전을 감지하는 것도 가능하다. 이러한 실시예의 유일한 단점은 상기 구동 코일을 필요한 주파수로 구동시키는데 전력을 필요로 한다는 것이다. 그러나, XYZ 위치뿐 아니라 피치(pitch), 롤(roll), 및 요(yaw)를 획득하게 되면 균형이 이루어진다. 따라서, 상기 센서 시스템은 6의 자유도(degrees of freedom)를 갖는다. 각 코일(86, 88, 90)로부터 신호를 개인 휴대 정보 단말기(PDA)와 같은 다른 장치로 전송하는 것이 가능한데, 이는 각 코일이 자신의 신호에 대한 안테나로 작용하여 무선 연결을 제공하기 때문이다.
따라서, 본 발명은 동적 필드 대신에 정적 자기장의 사용을 가능하게 한다. 이러한 사실은 본 발명의 기본적 특성을 사용할 경우에는 전력을 필요로 하지 않는 영구 자석을 사용하는 방법을 제공하고, 단지 사용자에게 더 많은 특성을 제공하려고 할 때만 전력을 필요로 한다.
도 10은 자기장 세기를 증가시키는 또 다른 수단을 도시한다. 스타일러스 팁(100)은 영구 자석(102)에 및 원통형 코일(104)(단면이 도시됨)에 결합되어 있다. 스프링(106)이 또 다른 원통형 코일(108)과 접촉할 때까지 상기 팁(100)에 의해 압축될 경우, 자기장 세기는 증가된다.
도 11은 수동 스타일러스(110)의 대안적 실시예의 단면도를 확대하여 도시하고 있다. 이러한 수동 스타일러스(110)는 기울어진 자석을 사용하여 상기 자기 센서에"시작"및"정지"신호를 제공한다. 수동 스타일러스(110)의 구성요소는 플라스틱 하우징(112)이나 또는 자기장을 방해하지 않는 다른 물질이다. 상기 하우징(112)은 잉크 카트리지(116)를 대체하기 위하여 제거될 수 있는 플라스틱 또는 철(ferrous) 하우징 캡(114)을 갖는다. 상기 잉크 카트리지(116)는 억지끼워맞춤(interference fit) 스레디드 철 구성요소(118)를 포함한다. 상기 스레디드 철 구성요소(118)는 상기 플라스틱 하우징 캡(114)에 플라스틱 하우징(112)을 결합하도록 스레디드되어 있다. 스프링(120)은 상기 억지끼워맞춤 스레디드 철 구성요소(118)와 상기 플라스틱 하우징 캡(114)의 내부 사이에 배치되어 있다. 상기 억지끼워맞춤(118) 요소 위에는 상기 잉크 카트리지(116)가 통과할 수 있는 구멍을 갖는 원형의 세라믹 자석(122)이 배치되어 있다. 상기 세라믹 자석(122)의 수는 세라믹 자석의 위치를 감지하는데 사용되는 자기 센서의 감도에 의존한다. 더 많은 혹은 더 강한 자석이 상기 수동 스타일러스(110)의 감지를 향상시킬 것이다.
상기 잉크 카트리지(116)의 위에는 플라스틱 구동기(actuator)(124)가 배치되어 있다. 상기 플라스틱 구동기는 희토류 자석(126)을 더욱 균일하게 밀기 위하여 사용된다. 상기 잉크 카트리지의 상부는 움푹들어가 있거나 혹은 불규칙하게 만들어질 수 있는 반면, 상기 플라스틱 구동기(124)는 자석(126)에 일정한 인터페이스를 제공한다. 상기 플라스틱 구동기(124)와 상기 희토류 자석(126) 사이에는 세라믹 트리거 자석(128), 및 피치(pitched) ID를 갖는 철 워셔(130)(washer)가 배치되어 있다. 마지막 두 구성요소로는 상기 플라스틱 하우징(112)의 대부분의 길이를 따라 확장되어 있는 철 원통(132), 및 상기 플라스틱 하우징(112) 속으로 나사모양으로 돌려지는 플라스틱 하우징 캡(134)이 있다.
도 12는 도 11에 보이는 수동 스타일러스(110)가 동작 모드에서 합쳐진 단면도이다. 수동 스타일러스(110)의 동작은 사용자가 디스플레이 장치에서 쓰기를 시작하고 쓰기를 정지하기를 원하는 때를 자기 센서가 결정할 수 있도록 하는 새로운 시스템이다. 사용자는 수동 스타일러스(110)를 갖고서 쓰기를 시작할 것이다. 부드럽고 통상의 압력이 인가된 후, 잉크를 갖고서 쓰기위해 페이퍼를 누르게 되면, 상기 수동 스타일러스(110)는"시작"신호를 구동하고, 이는 디스플레이 장치가 디스플레이 상에"잉킹"또는 쓰기를 시작하는 것을 표시한다.
상기"시작"신호는 잉크 카트리지(116) 상의 압력에 의해 생성된다. 상기 압력은 잉크 카트리지(116)가 위쪽의 상기 플라스틱 하우징(112) 속으로 대략 1/16인치에서 1/8인치만큼 이동하도록 한다. 상기 잉크 카트리지(116)는 세라믹 트리거 자석(128)내부의 구멍을 통해 움직이는 플라스틱 구동기(124)에 결합되며, 이후 상기 철 워셔(130)의 피치 ID속으로 결합된다. 상기 잉크 카트리지(116)의 움직임은 하부 선반(136)이 상기 세라믹 트리거 자석의 하부(138)와 만날 때 상기 세라믹 트리거 자석(128)을 지나서 움직일 수 없는 상기 플라스틱 구동기(124)로 인해 정지된다.
도 13은 사용자가 쓰고 있을 때 상기 설명된 프로세스가 어떻게 나타나는가를 보여주는 확대도이다. 도 13은 플라스틱 하우징(112), 직립 위치에 있는 상기 희토류 자석(126), 상기 피치 ID를 갖는 철 워셔(130), 상기 세라믹 트리거 자석(128), 및 상기 플라스틱 구동기(124)를 보여주고 있다. 상기 플라스틱 구동기(126)의 팁(140)은 상기 자석(126)의 하부 표면상에서 눌려진다. 상기 자석(126)은 이제 상기 철 워셔(130)의 작은 가장자리(lip)(142)상에서 휴지 상태에 있다.
상기 희토류 자석(126)을 기울어진 위치에서 직립 위치로 세우는 것이 어떻게"시작"신호를 제공하는가는 분명하지가 않다. 그러나, 수동 스타일러스(110)의 위치를 추적하고 있는 상기 자기 센서들은 또한 상기 희토류 자석(126)을 감지하고 있다. 상기 희토류 자석(126)이 도 11 및 12에 도시된 기울어진 위치에서 휴지 상태에 있을 때, 상기 자석(126)은 실제로 상기 철 워셔(130)로의 자기 인력에 의해 제자리에 있게 된다. 희토류 자석(126)을 이탈시키는데 필요한 힘은 비교적 작아서, 대략 80-100gㆍf이다. 그러나, 희토류 자석(126)이 이탈하면, 상기 희토류 자석은 빠르게 가속되어서 상기 철 워셔(130)의 가장자리(142)상에서 자기 인력되는 직립 위치로 움직인다. 상기 희토류 자석(126)에 의해 이동한 거리가 매우 작지만, 감지될 수는 있다. 다행히도, 상기 움직임은 매우 빨라서, 쓰기를 할 때 상기 움직임을 상기 수동 스타일러스(110)의 통상의 움직임과 구별할 수 있도록 한다. 상기 움직임은 매우 빨라서 스타일러스의 정상적인 사용에서 야기되지는 않을 것이다.
이와 마찬가지로, 상기 잉크 카트리지(116)의 압력을 해제하게 되면, 상기 희토류 자석(126)의 더 강한 인력이 상기 기울어진 위치에서 생기도록 한다. 그 힘의 양은 45-50g이지만, 구동력에 따라 원하는 대로 바뀔 수 있다. 상기 희토류 자석은 상기 기울어진 위치에 있을려는 경향이 있는데, 그 이유는 상기 가장자리(142)가 상기 철 워셔(130)의 피치 ID의 넓은 표면과 비교하여 작기 때문이다.
상기 시작 및 정지 신호를 전송하는데 필요한 잉크 카트리지(116)의 움직임은 거의 감지될 수 없어서, 상기 수동 스타일러스(110)가 정상적인 잉킹 펜으로 잘 작동하도록 한다. 상기 희토류 자석이 구동된 직립위치로 갔다가 다시 해제된 경사 위치로 되돌아가는 동작은 스타일러스의 사용에 아무런 방해가 되지 않는다. 또한 이러한 동작을 외부로 나타내는 다양한 방법들은 상기 플라스틱 하우징(112)을 변경함으로써 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면으로 활성 스타일러스를 사용하여 압력을 센싱하는 것이 있다. 스타일러스 팁에 가해지는 압력의 변화 정도를 상기 자기 센서로써 감지하는 것은 어렵다. 따라서, 압력을 감지하는데 저항성 고무가 사용된다. 상기 고무는 압축시 작은 변화에 대한 저항값을 변화시킨다. 쓰기 표면에서 스타일러스 잉크 카트리지의 힘은 상기 고무를 상기 스타일러스의 용기에 대하여 압축하는데 사용된다. 저항값의 변화는 RC 발진기의 주파수를 변화시키는데 사용된다. 이러한 정보는 이후 주파수 변조 전송기로 보내진다. 데이터는 제어기 기판 위의 수신기로 전송된다. 상기 제어기 기판 위의 마이크로제어기는 신호의 주파수나 또는 주어진 주파수에서의 변화를 결정함으로써, 쓰기 표면에서 스타일러스 팁에 인가되는 압력의 정도를 결정한다. 마지막으로, 상기 압력 데이터는 두 가지 방식으로 디스플레이될 수 있다. 그려지는 라인의 폭은 변경될 수 있거나, 또는 잉킹 그레이 스케일은(inking gray scale) 컴퓨터 디스플레이 상에서 디스플레이된다.
본 발명에서 압력 트랜스듀서로 작용하는 저항성 고무는 도 14에 설명되는 회로에서 동작한다. 도 14는 RC 회로(152)에 결합된 저항성 고무(150)를 도시하고 있다. 예를 들어, 555 칩은 상기 저항성 고무(150)로부터 입력을 수신할 수 있다. RC 회로(152)로부터의 출력은 안테나(156)를 통해 전송용 RF 모듈레이터(154)로 전송된다. RF 모듈레이터(154)로부터의 출력은 상기 저항성 고무(150)의 압축 정도 즉, 압력이 인가되는 정도를 결정하는데 사용된다. 인가되는 압력량을 상기 그려지는 라인의 폭에 대한 값으로 또는 인가되어야 할 회색 음영으로 상관시키는데 전환 테이블이 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 저항성 고무는 ZOFLEX ZF40(TM)의 상품명으로 판매된다. 도 15에는 상기 스타일러스로부터 상기 제어기 기판으로 압력 데이터를 전송하는데 사용될 수 있는 회로의 한 예가 주어져 있다. 도 15는 단지 하나의 샘플이며, 제한적으로 고려되지는 않아야 한다. 그러나, 이러한 종류의 전송기는 스타일러스의 공간상의 한계내에 배치될 수 있다.
본 발명은 많은 용도에서, 특히 셀 폰, 디지털 폰, PDA와 같은 이동 장치 및 데이터를 전자 장치로 입력하는 단순하면서도 효과적인 방법을 필요로하는 다른 유사한 전자 장치에서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은 수동 스타일러스의 미세하면서도 정확한 위치를감지할 수 있는 능력이다. 이는 상기 수동 스타일러스가 키보드로서 정의되는 매우 작은 영역에서 사용될 수 있도록 한다. 상기 키보드의 키는 수동 스타일러스의 작은 팁에 의해 구동된다. 예를 들어, 이동 전화에 결합된 작은 키보드를 고려하라. 이 키보드는 본 발명의 자기 센서를 포함하며, 어떠한 키가 상기 수동 스타일러스의 팁에 의해 터치되는가를 결정할 수 있다. 이러한 감지 능력은 가령 email 메시지를 전송하기 위해 텍스트가 이동 전화로 빠르게 입력될 수 있도록 한다.
상기 키보드에 자체 메모리를 제공함으로써, 상기 키보드에는 LCD 디스플레이 상에 텍스트의 한 라인과 같이 매우 작은 디스플레이 스크린이 또한 제공될 수 있다. 상기 키보드는 이동 전화에 부착되어 있지 않더라도 가령, 전화 통화시 기록을 하는데 사용될 수 있다. 상기 키보드가 상기 이동 전화에 부착된 이후에도, 키보드의 메모리는 업로드되거나 상기 이동 전화내의 메모리와 동기화됨으로써, 사용자는 상기 키보드에 의해 저장되었던 데이터를 입력할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 이동 전화로 통화를 하면서 키보드상에서 기록을 할 수 있다. 통화가 끝난 후, 사용자는 상기 키보드를 이동 전화에 부착하고, 이동 전화의 메모리에 상기 키보드 메모리에 타이핑된 데이터를 업로드한다. 일반적으로, 이러한 동작은 이동 전화로부터 email 메시지에 있는 데이터를 전송하도록 실행된다.
그러나, 상기 키보드는 이동 전화와 분리하여 사용될 필요는 없다. 상기 키보드는 이동 전화에 부착될 때 사용될 수 있다. 사용자는 이동 전화의 더 큰 디스플레이 장치를 이용할 수 있거나, 또는 키보드의 내장형 LCD 디스플레이를 사용할 수 있다. 이는 상기 키보드가 이동 전화에 부착될 때 LCD 디스플레이의 선명도에의존할 것이다.

Claims (1)

  1. 전자 장비에 입력을 제공하는 수동 스타일러스 시스템에 있어서, 이때 상기 수동 스타일러스는 자기 센서 시스템에 위치 정보를 제공하기 위해 영구자석을 사용하고, 상기 수동 스타일러스 시스템은
    - 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 수동 스타일러스,
    - 상기 수동 스타일러스내에 배치된 하나 이상의 영구 자석의 위치를 감지하는 자기 센서 시스템으로서, 이때 상기 자기 센서 시스템은 (1)하나 이상의 영구 자석을 감지할 수 있고, (2)하나 이상의 기준점에 대한 하나 이상의 영구 자석의 위치를 결정할 수 있고, 그리고 (3)하나 이상의 영구자석의 위치를 전송할 수 있는 다수의 자기 센서를 추가로 포함하는 자기 센서 시스템, 및
    - 데이터를 동작 필드내 수동 스타일러스의 움직임을 나타내는 디스플레이 시스템 상에서 디스플레이하기 위하여, 하나 이상의 영구자석의 위치를 이용하는 디스플레이 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 수동 스타일러스 시스템.
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