KR20050116041A - 가속도센서로 구성된 디지털 펜 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가속도 센서와 근접 센서와 피에조 필름형 터치센서를 사용하여 펜의 위치 정보와 동작정보를 생성하고 활용하게 하는 디지털 펜에 관한 것이다. 특히 반타원구형으로 구성된 전극을 갖는 정전용량형 근접센서부를 디지털 펜의 팁부분에 배치함으로써 사용자가 어떠한 각도로 펜을 잡아도 표면과의 근접 상태를 알려준다. 또한 환형의 피에조 필름형 터치센서를 사용하고, 고도의 신호처리로 사용자의 의식적인 터치를 검출하여 터치신호를 발생함으로써 사용자가 어떠한 각도로 펜을 잡더라도 부담없이 사용이 가능하게 한다. 펜의 팁부분에 위치한 가속도 센서는 중력가속도와 관성 가속도를 동시에 측정이 가능한 것을 사용하여, 수평계를 구성함과 동시에 3차원 가속도 정보를 얻어서, 수평계를 토대로 2차원의 위치 이동 정보를 환산을 해준다.

Description

가속도센서로 구성된 디지털 펜{digital pen composed with accelerometer}

본 발명은 가속도 센서와 근접 센서와 피에조 필름형 터치센서를 사용하여 펜의 위치 정보와 동작정보를 생성하고 활용하게 하는 디지털 펜(혹은 전자펜)에 관한 것이다.

2차원의 위치 변화를 검출하는 방법으로는 가속도계를 사용하는 방법과 초음파를 사용하는 방법과 이미지 센서를 사용하는 방법과 볼의 회전을 사용하는 방법이 있다.

가속도계를 사용하는 위치변화 검출 방법은 펜 팁의 운동을 감지하는 방식으로, 펜 내부에 장착된 2축 또는 3축 가속도 센서를 이용하여 이중적분을 통하여 전자펜의 운동 상태를 측정하는데, 미국특허 제5,247,137호와 WO 제 94/09,447 호와 미국특허 제 5,587,558호에 제시되어져 있다. 가속도 센서는 펜팁에 장착하기 어려워서, 펜 팁으로부터 일정한 높이에 장착할 경우 펜 중심축에 대한 기울기를 고려하지 않을 경우 큰 위치오차가 발생되므로, 이를 해결하기 위해서 몇가지 방법들이 제시되고 있다.

경사각의 보정을 위해 미국특허 제 5,437,371호에서는 2축이상의 가속도센서를 펜팁에 설치하는 방법을 제안하고, 미국특허 제 5,981,884호 등에서는 3축 가속도 센서와 3축 자이로 센서를 같이 사용하는 방법을 제안하고 있다. 대한미국 특허 출원번호 10-2002-0019570에서는 3축 가속도 센서와 광학식 3차원 측정 장치를 이용하여 경사각 보정으로 정확한 위치 정보를 추정하는 방법을 제안하고 있다.

그러나 상기의 방법들은 많은 고가의 센서와 구조물을 요구하게 되고, 사용시에 사용자에게 많은 주의 사항을 요구하게 된다.

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 펜팁에 가속도 센서를 사용하여 중력 가속도로 부터 수평계를 구성하고 그 수평계로부터 2차원의 위치 이동 정보를 추출하여 사용이 편리하게 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 펜팁에 정전용량형 근접센서를 부가하여 표면에 접촉하지 않고도, 근접하여 움직이는 펜의 움직임을 실시간으로 표시하여 사용이 편리하게 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 펜에 붙어있는 버튼에 피에조필름을 적용시킴으로써 펜을 잡을때의 방향성을 없애고, 버튼을 적용시킬 때 발생했던 버튼의 눌림에 대한 불안감에서 해방되게 하는데 있다.

본 발명은 가속도센서와 정전용량형 근접센서와 피에조 필름형 터치센서로 구성된 디지털펜(100)에 괸한 것이다. 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명한다.

도 1은 디지털펜의 외부 구성에 관한 것으로써 본 발명에서 구현할려는 것 가운데 하나로 피에조필름(150, 151, 152)의 특성을 이용하는 것에 관한 것이다. 펜팁 부분에 콘형으로 부착된 콘형 피에조필름(150)은 볼펜심(120)이 눌려질때나, 볼펜심(120)이 없는 상태에서 표면에 직접 접촉하는 경우에 접촉신호를 발생시킨다. 이것은 컴퓨터의 마우스용으로 사용하는 경우에 왼쪽 마우스버튼으로 사용할 수 있게 해준다. 환형 피에조필름1(151)과 환형 피에조필름2(152)는 펜몸체(101)에 필름형태로 부착되어지고, 사람이 디지털펜(100)을 잡고 손가락으로 두드릴때, 그 힘에 비례한 신호가 발생되고, 그 신호는 단순한 접촉상태의 신호보다 크게되고, 제어부는 버튼이 눌려졌다고 판단을 하게 된다. 즉, 단순하게 디지털펜(100)을 잡을때의 힘에는 반응하지 않고, 의도적으로 누를려는 의지를 가진 힘에 반응을 한다. 이것은 일반적인 스위치를 사용할때는 스위치의 위치에 따라 디지털펜(100)의 잡는 위치가 고정이 되는 것에 반해서 어떤 방향으로든 잡을수 있게 해주고, 스위치의 원치 않는 눌림에 대한 불안감을 줄일 수 있게 해준다. 환형 피에조필름1(151)은 컴퓨터의 마우스용으로 사용하는 경우에 오른쪽 마우스버튼의 역할로 사용할 수 있다. 환형 피에조필름2(152)는 컴퓨터의 마우스용으로 사용하는 경우에 중앙 마우스버튼의 역할로 사용할 수 있다.

도 2는 디지털펜(100)의 내부 구성도를 나타낸 것으로써 중앙에는 볼펜심(120)이 관통할 수 있게 구성되어있다. 디지털 펜(100)의 선단부(102)에는 도3에서 보인바와 같이 콘형 피에조 필름(150)과 정전용량을 측정할 수 있는 반타원구형의 근접센서용 전극(191)과 소형의 가속도센서1(130)과 가속도센서2(131)가 직교되게 설치되어 3차원의 가속도를 측정할 수 있게 구성되어 있다. 정전용량형 근접센서(190)는 디지털펜(100)이 표면에 근접할 경우에 근접했다는 신호를 발생시키고, 가속도 센서1과 가속도센서2에 의하여 3차원의 좌표가 구성이 된다. MEMS기술에 의해서 제조되어진 소형의 가속도 센서1(130)과 가속도 센서2(131)는 중력에 대한 기울기신호를 발생시켜서 펜팁의 3차원적인 기울기 정보를 제공해주고, 움직임이 있을때 생성된 3축의 관성 가속도 정보로 부터 2차원적인 좌표이동을 생성하게 된다. 관성가속도가 제로인때에 주기적으로 3차원의 기울기를 체크하여 위치정보를 보정한다. 이 2차원의 이동정보는 무선통신을 이용하여 외부 기기에 제공되고 사용되어진다. 여기서 무선통신은 RF통신, BLUETOOTH, Wi-Fi중 하나가 될 수 있다. 펜팁에 부착되어 있는 콘형 피에조필름(150))은 글씨를 쓸때나 클릭을 위한 두드림이 있을때 기준신호와 틀린 신호를 발생하게 되고, 이 신호는 2차원 이동정보와 함께 외부기기에 보내어져 사용되어진다. 예를들면 모드전환 스위치(140)이 눌려지면 볼펜심(120)은 콘형피에조필름(150)을 자극하게되어서 글씨를 쓸 수 있는 펜모드가 준비되어졌음을 CPU(160)가 알게 되고, 무선통신에 의하여 외부기기에 통보를 하게된다. 이 상태에서 볼펜심(120)이 표면에 닿아서 글씨를 쓰면 펜다운 정보가 무선통신에 의하여 외부기기에 통보되고, 글씨로 번역이 되게 된다. 볼펜심(120)이 표면에서 떨어지면 펜업 정보가 RF통신에 의하여 외부기기에 통보되고, 근접된 상태에서는 위치만 이동하게 된다. 볼펜심(120)의 눌림 강도는 디지털 데이터화 되어 전송되어서 그림모드의 경우에 붓의 굵기 데이터로 활용될 수 있다.

도 4은 디지털펜(100)의 내부 구성도를 나타낸 것으로써 모드전환 스위치(140)의 작동예를 보였다. 모드전환 스위치(140)를 OFF시킴으로써 볼펜심(120)을 펜팁 내부에 집어넣고 콘형피에조필름(150)이 표면에 직접 접촉함으로써 버튼의 눌림효과를 주게 한다. 관련 정보는 무선통신에 의하여 외부기기에 통보된다. 본 발명에서 제안한 디지털펜은 표면에 놓여져 있을때는 마우스처럼 사용을 할 수 있다.

여기에서는 도시하지 않았지만 충전용 단자를 디지털 펜의 몸체외부에 구성하여 충전용 전지를 사용하여 재충전할 수 있다.

도 5는 제어부의 구성도이다. AD 컨버터가 내장된 마이크로프로세서에 X축, Y축, Z축의 가속도 신호가 들어오고, 3개의 피에조 필름의 터치 신호가 들어와서 디지털 신호로 전환이 된다. 근접센서의 ON/OFF 신호가 마이크로프로세서로 들어오게 되고, 마이크로프로세서는 2차원 위치이동 정보와 터치신호를 무선칩을 통하여 외부기기로 전달하게 된다.

본 발명은 2차원 위치이동정보와 근접정보, 터치 정보를 생성하여 활용하게하는 디지털 펜에 대한 것이다. 현재의 디지털펜들이 구조적 특성상 고정된 사용방법 만을 강요하는 반면, 본 발명은 펜을 자유자재로 잡을 수 있게 하여, 신경의 긴장이나 특정한 자세로 부터 벗어나게 하여, 부담감없이 사용하게 한다.

모니터에서 바로 입력이 가능하여 디지타이저로 사용이 가능하다. 또한 필기체 인식 기술과 같이 사용하여 키보드를 대체하는 문자 입력기로 사용할 수 있고, 기존의 마우스를 대체하는 입력장치로 활용이 가능하다.

도 1은 디지털펜의 외부 구성도

도 2는 디지털펜의 내부 구성도

도 3은 디지털펜의 선단부 구성도

도 4은 디지털펜의 내부 구성도로 모드전환 스위치(140)의 작동예시도

도 5는 디지털펜의 제어부의 구성도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

100 : 디지털펜 110 : 밧데리

120 : 볼펜심 130,131 : 가속도센서

140 : 모드전환 스위치 150,151,152 : 피에조필름

190 : 정전용량형근접센서

Claims (2)

1. 중력가속도와 동적인 가속도를 측정할 수 있는 가속도센서가 펜팁부에 3차원 측정이 가능하게 구성된 가속도센서부, 펜심에 가해진 힘을 측정하기 위해 펜팁에 콘형으로 부착된 피에조필름센서, 버튼 누름의 효과를 충격량의 크기로 판단할 수 있게 펜의 외부에 환형으로 부착된 피에조필름센서, 콘형상의 전극으로 구성되어서 펜의 회전에 관계없이 표면과의 근접상태를 체크할 수 있는 정전용량형 근접센서부, 무선신호 송신부, 상기 구성부의 제어를 위한 제어부, 펜의 동작을 위한 전원을 공급하는 밧데리를 포함하여 구성된 디지털 펜
2. 반타원구형 전극으로 구성된 정전용량형 근접센서에 의한 표면 접근 정보를 취득하는 단계;

   2개의 2축 가속도센서로 구성된 3축가속도계로부터 각축에 분포된 중력가속도를 측정하여 초기의 3차원 수평계를 구성하는 단계;

   3차원의 관성가속도를 취득하는 단계;

   관성가속도가 제로인 경우 3차원 수평계를 다시 구성하는 단계;

   3차원 수평계와 3차원 관성가속도로 부터 2차원의 위치운동 정보를 추정하는 단계;

   콘형 피에조 필름으로부터 펜팁에 가해진 힘의 크기를 취득하는 단계;

   환형 피에조 필름으로부터 터치 충격량을 취득하는 단계;

   상기 단계들을 포함하고 볼펜심을 사용할 수 있도록 중심이 공동으로 구성된 디지털펜