KR20110124089A - 정전용량식 입력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 정전용량식 입력장치(1)는, 지지를 제공하는 기판(10), 기판(10) 위에 적층된 다수의 하부극판(20), 각각의 하부극판(20) 위에 적층된 탄성층(30), 각각의 탄성층(30) 위에 적층된 상부극판(40), 및 상부극판(40)들 위에 적층된 연성의 커버패널(50)을 포함하고, 상하 적층된 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)이 각각 센싱포인트(S)를 형성하며, 특정 위치의 커버패널(50)이 가압되면, 커버패널(50)의 탄성 변형력이 상부극판(40)을 통해 탄성층(30)에 전달되어 탄성층(30)이 복원 가능하게 탄성적으로 변형되면서, 적어도 하나의 센싱포인트(S)의 하부극판(20)과 상부극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 탄성적으로 변화함으로써, 해당 센싱포인트(S)의 하부극판(20)과 상부극판(40) 사이에 정전용량변화가 발생하고, 해당 센싱포인트(S)에서 측정된 정전용량변화들의 패턴으로부터 가압위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치로서, 기판(10)과 커버패널(50)은 위로 볼록한 형상으로 형성되어 있고, 센싱포인트(S)들은 기판(10)과 커버패널(50)의 형상에 대응하여 전체적으로 위로 볼록한 형상으로 배열되어 있으며, 각각의 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)은 해당 위치의 기판(10)과 커버패널(50)의 형상에 대응하는 형상으로 형성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

정전용량식 입력장치{Capacitive Input Device}

본 발명은 입력장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가압 위치와 압력의 크기에 따른 극판 사이의 정전용량변화로부터 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치로서, 정전용량변화를 측정하는 센싱포인트들이 위로 볼록한 형상으로 배열된 새로운 구조의 정전용량식 입력장치에 관한 것이다.

휴대전화기, 엠피쓰리, PDA, PMP, 휴대용 게임기, DMB 수신기 등 각종 휴대장치와 기타 전기전자장치에는 그 작동과 문자 등의 데이터를 입력하기 위해 입력장치가 장착되어 있다. 이런 입력장치의 입력소자로서는, 돔스위치가 가장 널리 사용되어 왔다.

휴대전화기로 대표되는 휴대장치의 기능 다양화, 소형화 및 터치스크린화 경향에 따라, 입력장치는 돔스위치 방식 대신에 저항막 방식, 적외선 방식, 초음파 방식 및 정전용량 방식 등의 터치식 입력장치들이 널리 개발되었으며, 정전용량식 입력장치 중에는 가압 위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하는 입력장치('압력센서'라고도 함)가 있다.

본 발명자는 정전용량식의 입력장치로서 대한민국 등록특허 제10-661000호 등의 휴대용 전자장치의 입력장치(2006. 12. 22.)를 제안한 바 있으며, 본 입력장치는 일정 거리 이격된 상하의 극판 사이에 압력에 의해 그 두께가 탄성적으로 복원성 있게 가변되는 탄성층을 적층한 구조이다.

상기 등록특허 제10-661000호의 입력장치(2006. 12. 18. 등록)는, 손가락으로 누르는 것과 같은 압력에 상기 상하부 극판들 사이의 거리(탄성층의 두께)가 복원성 있게 가변되면서, 상기 거리의 변화에 따른 상기 상하부 극판들 사이의 정전용량변화로부터 가해진 압력의 위치와 크기를 검출하여 이에 대응하는 입력신호를 생성하는 입력장치이다.

도5는 종래 정전용량식 입력장치의 기본구조를 보여주는 단면도이다.

도5에 도시된 바와 같이, 종래 정전용량식 입력장치(100)는 강성의 기판(110) 위에 하부극판(120), 하부극판(120) 위에 일정 두께의 탄성층(130), 탄성층(130) 위에 상부극판(140), 상부극판(140) 위에 연성의 커버패널(150: 윈도우)이 순차로 상하 적층된 구조로서, 손가락과 같은 물체로 연성의 커버패널(150)을 가압하면, 커버패널(150)의 변형, 탄성층(130)의 변형, 상하부 극판(120, 140) 사이의 거리(d)의 변화, 및 상기 거리(d)의 변화에 따른 상하부 극판(120, 140) 사이의 정전용량의 변화가 발생하게 된다.

실제 휴대장치에 적용되는 입력장치(100)는 다수의 상부극판(120)과 다수의 하부극판(140)을 서로 교차하도록 매트릭스 배열하고, 상부극판(120)들과 하부극판(140)들의 각 교차점들(센싱포인트)에서의 상기 거리(d)의 변화에 따른 정전용량 변화를 관련 회로로 측정하여 각 센싱포인트들에서 측정된 정전용량의 변화량과 그 패턴에 따라 압력이 가해진 센싱포인트의 위치와 가해진 압력의 크기를 검출하고, 그에 대응하는 입력신호를 생성하여 입력장치(100)가 적용된 휴대장치의 입력신호로 전송하게 되는 것이다.

이와 같은 종래 입력장치(100)는, 상부극판(120), 탄성층(130) 및 하부극판(140)으로 각각 구성되는 단위 센싱포인트들이 '평평한' 기판(110) 위에 배열된 것을 기본으로 하고 있고, 따라서 그 커버패널(150)도 기본적으로 '평평한' 면으로 되어 있다.

따라서 가장 일반적인 가압 물체인 손가락으로 커버패널(150)을 가압할 때, 적지 않은 접촉 면적을 가질 수밖에 없는 손가락이 커버패널(150)의 일정면적에 걸쳐 접촉 및 가압하게 되고, 이때 접촉(가압)된 면적 아래에 하나의 센싱포인트가 아닌 다수의 센싱포인트들이 존재하게 될 경우가 발생할 수 있다.

이렇게 다수의 센싱포인트가 동시에 가압될 경우, 가압된 센싱포인트들에 대한 정전용량변화들의 특정 패턴에 특정 입력신호가 대응하도록 입력장치의 관련 회로와 프로그램을 구축할 수 있다고 하더라도, 하나의 입력 작동(가압)에 대응하는 특정 입력신호의 생성에 관여하는 센싱포인트의 수가 상대적으로 작은 것이 센싱포인트들 간의 간섭효과를 줄이고 가압위치와 압력의 크기를 산출하는 것에 대한 오류를 줄일 수 있다는 점에서 바람직할 수 있다.

그러나 종래의 입력장치(100)는 가압되는 표면 구조가 전체적으로 평평한 면이기 때문에, 특히 손가락과 같이 접촉 면적이 넓은 물체로 가압할 때 상대적으로 많은 수의 센싱포인트에 압력이 가해지고 결과적으로 하나의 입력신호 생성에 상대적으로 많은 수의 센싱포인트가 관여하게 되어, 전술한 간섭효과나 오류가 일어날 가능성이 높아질 수 있는 우려가 있다.

본 발명의 목적은, 가압 위치와 압력의 크기에 따른 극판 사이의 정전용량변화로부터 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치에 관련하여, 가압에 따른 정전용량변화를 측정하는 센싱포인트들이 평면이 아닌 위로 볼록한 형상으로 배열됨으로써, 손가락과 같은 물체에 의해 압력을 받을 때 해당 압력을 받아 정전용량변화를 일으키는(입력신호 생성에 관여하는) 센싱포인트의 개수가 감소되도록 함으로써, 결과적으로 입력신호 생성의 오류를 줄이고자 하는 것이다.

본 발명에 따라 정전용량식 입력장치가 제공된다.

본 발명에 따른 정전용량식 입력장치는, 지지를 제공하는 기판, 상기 기판 위에 적층된 다수의 하부극판, 각각의 상기 하부극판 위에 적층된 탄성층, 각각의 상기 탄성층 위에 적층된 상부극판, 및 상기 상부극판들 위에 적층된 연성의 커버패널을 포함하고, 상하 적층된 상기 하부극판, 상기 탄성층 및 상기 상부극판이 각각 센싱포인트를 형성한다.

본 발명에 따른 정전용량식 입력장치는, 특정 위치의 상기 커버패널이 가압되면, 상기 커버패널의 탄성 변형력이 상기 상부극판을 통해 상기 탄성층에 전달되어 상기 탄성층이 복원 가능하게 탄성적으로 변형되면서, 적어도 하나의 상기 센싱포인트의 상기 하부극판과 상기 상부극판 사이의 거리가 복원 가능하게 탄성적으로 변화함으로써, 해당 상기 센싱포인트의 상기 하부극판과 상기 상부극판 사이에 정전용량변화가 발생하고, 해당 상기 센싱포인트에서 측정된 상기 정전용량변화들의 패턴으로부터 가압위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성한다.

본 발명의 특징에 따라, 상기 기판과 상기 커버패널은 위로 볼록한 형상으로 형성되어 있고, 상기 센싱포인트들은 상기 기판과 상기 커버패널의 형상에 대응하여 전체적으로 위로 볼록한 형상으로 배열되어 있으며, 각각의 상기 하부극판, 상기 탄성층 및 상기 상부극판은 해당 위치의 상기 기판과 상기 커버패널의 형상에 대응하는 형상으로 형성으로 되어 있다.

바람직하게, 상기 기판과 상기 커버패널은 다면체 또는 구형에 의해 위로 볼록한 형상을 형성한다.

본 발명의 정전용량식 입력장치는, 센싱포인트가 평면이 아닌 위로 볼록한 형상으로 배열되어 있기 때문에, 손가락과 같은 물체에 의해 압력을 받을 때 해당 압력을 받아 정전용량변화를 일으키는(입력신호 생성에 관여하는) 센싱포인트의 개수를 평면일 경우 보다 줄일 수 있고, 결과적으로 하나의 입력신호 생성에 관여하는 센싱포인트의 수를 줄여서 입력신호 생성의 오류를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 예시적인 정전용량식 입력장치의 사시도,
도2는 본 발명에 따른 예시적인 정전용량식 입력장치의 단면도,
도3은 본 발명에 따른 다른 예시적인 정전용량식 입력장치의 단면도,
도4는 본 발명에 따른 정전용량식 입력장치의 사용상태도,
도5는 종래의 예시적인 정전용량식 입력장치의 개략 단면도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 정전용량식 입력장치를 보다 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 정전용량식 입력장치를 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

본 발명에 따른 정전용량식 입력장치(1)는, 도1 내지 도4에 도시된 바와 같이, 기판(10), 각각의 센싱포인트(S)를 구성하는 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40), 그리고 커버패널(50)을 포함한다.

상기 기판(10)은 본 발명에 따른 입력장치(1)의 지지체를 형성하는 예를 들어 회로기판과 같은 통상의 기판으로서, 커버패널(50)에 가해진 압력이, 상부극판(40), 탄성층(30) 및 하부극판(20)을 통해 전달될 때, 실질적으로 그 어떤 실질적인 변형도 발생하지 아니하는 강성의 소재로 형성된다.

상기 하부극판(20)은 통상적인 정전용량식 입력장치에 적용되는 2개의 전극 중에서 하나인 판상의 전극판으로서, 동판과 같은 전도성 소재로 형성된다.

다수의 하부극판(20)들은 기판(10) 위에 소정의 패턴으로 다수개가 적층 부착되며, 각각의 하부극판(20)은 그 위에 적층 부착된 탄성층(30) 및 상부극판(40)과 함께 본 발명의 입력장치(1)에서 각각 센싱포인트(S)를 형성하게 된다.

상기 탄성층(30)은 각각의 하부극판(20)의 상면에 적층 부착된다. 탄성층(30)은, 하부극판(20) 및 상부극판(40) 사이에 위치하여 일종의 유전체로서 작용하면서 동시에 가해진 압력에 의해 그 두께(d)가 복원성 있게 탄성적으로 가변되어 양 극판(20, 40) 사이의 거리(d)가 탄성적으로 가변되도록 함으로써, 결과적으로 하부 및 상부극판(20, 40) 사이에 정전용량변화가 발생되게 하는 층이다.

탄성층(30)은 하부극판(20) 및 상부극판(40) 사이의 거리(d)를 복원성 있게 탄성적으로 가변시킬 수 있는 것이라면 특히 제한되지 아니하며, 예를 들어 폴리올레핀계, PVC계, 폴리스틸렌계, 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 폴리아미드계 등 널리 알려진 탄성소재, 특히 탄성실리콘을 예를 들어 블록 등 일정 형상으로 성형하여 적용할 수 있다.

상기 상부극판(40)은, 통상적인 정전용량식 입력장치에 적용되는 2개의 전극 중에서 나머지 하나인 판상의 전극판으로서, 동판과 같은 전도성 소재로 형성되며, 각각의 탄성층(30)의 상면에 적층 부착된다.

상기 커버패널(50)은 본 발명의 입력장치(1)에 대해 입력 작동을 할 때 손가락과 같은 물체가 직접 가압되는 예를 들어 유리나 플라스틱판(예, 윈도우)과 같은 판상의 부재로서, 가압할 때 복원성 있게 탄성적인 휨 변형을 일으킬 수 있을 정도의 연성을 가진 패널로서, 전체 상부극판(40)의 상면에 걸쳐 적층 부착된다.

결국, 본 발명에 따른 정전용량식 입력장치(1)는, 견고한 기판(10) 위에 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)으로 구성된 다수의 센싱포인트(S)들이 일정 패턴을 가지고 배열되어 있고, 그 위에 커버패널(50)이 덮여 있는 구조이다.

이상과 같은 구조의 본 발명에 따른 입력장치(1)는, 도4에 도시된 바와 같이, 예를 들어 손가락으로 커버패널(50)을 가압하면, 연성의 커버패널(50)은 탄성적으로 휨 변형을 일으키게 되고, 커버패널(50)의 변형에 따라 커버패널(50)의 아래에 있는 상부극판(40)(들)이 아래로 가압되어 변위하면서 그 아래의 탄성층(30)(들)이 탄성적으로 변형하게 되며, 결과적으로 각각의 센싱포인트(S)를 구성하는 하부극판(20)과 상부극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 탄성적으로 변화하게 됨으로써, 양 극판 사이의 정전용량이 변화하게 된다.

즉, 커버패널(50)을 가압하면, 하부극판(20)과 상부극판(40) 사이의 거리(d)가 가변(줄어들게) 되고, 이런 거리(d)의 변화에 따라 C=μA/d의 공식(여기에서 C는 정전용량, μ는 유전율, A는 면적, d는 극판 사이의 거리이다)에 해당하는 정전용량변화가 발생하고, 이때 전전용량의 변화량은 가압 위치와 압력의 크기에 따라 다르게 나타난다.

이후 커버패널(50)에의 압력이 사라지면, 탄성층(30)의 탄성복원력 및 커버패널(50)의 복원력에 의해, 하부극판(20) 및 상부극판(40)과 커버패널(50)은 원위치로 복귀된다.

본 발명에 따른 입력장치(1)는 커버패널(50)의 임의의 위치를 임의의 압력으로 가압했을 때, 압력을 받은 센싱포인트(S)(들)에서 발생하는 정전용량변화의 패턴으로부터 가압된 위치와 압력을 측정하여 대응하는 입력신호를 생성한다.

손가락과 같이 넓은 접촉면적을 가진 물체로 커버패널(50)을 가압하게 되면, 압력을 받아 정전용량변화를 일으키는 센싱포인트(S)의 개수는 1개일 수도 있지만 2개 이상일 수도 있다.

1개의 센싱포인트(S)에서 정전용량변화가 발생할 경우에 그에 대응하는 가압 위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하면 된다. 그리고 2개 이상 다수의 센싱포인트(S)에서 정전용량변화가 발생할 경우에는 압력이 가해진 위치와 크기에 따라 해당 센싱포인트들의 정전용량변화의 패턴이 서로 다른 양상을 보이게 되는 바, 이런 센싱포인트들의 정전용량변화의 패턴으로부터 가압 위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하게 된다.

본 발명의 입력장치(1)에 의해 측정되는 가압 위치 데이터와 압력크기 데이터는 입력신호를 생성하는 것에 다양하게 활용할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 특정 가압에 대해 정전용량변화를 일으키는 센싱포인트(S)의 개수가 많아질수록 센싱포인트 간의 간섭효과나 입력 오류가 일어날 가능성이 커질 수 있는 바, 이를 극복하기 위해 본 발명의 입력장치(1)는, 센싱포인트(S)들을 위로 볼록한 형상으로 배열함으로써 물체로 가압할 때 압력을 받아 정전용량변화를 일으키는 센싱포인트의 수가 최소화되도록 한다. 즉, 본 발명의 정전용량식 입력장치(1)는, 평평한 것을 바람직한 것으로 인식하였던 종래의 틀을 깨고, 입력장치를 구성하는 전체의 센싱포인트들을 위로 볼록한 형상으로 배열한 것이다.

센싱포인트(S)들의 위로 볼록한 형상 배열을 위해, 본 발명의 입력장치(1)에서 기본 지지체를 이루는 기판(10)과 물체가 직접 접촉 및 가압되는 커버패널(50)은 위로 볼록한 형상으로 형성한다.

기판(10)과 커버패널(50)의 위로 볼록한 형상은, 도2에 도시된 바와 같이, 기판(10)과 커버패널(50)을 위로 볼록한 구형으로 형성하거나, 도3에 도시된 바와 같이, 기판(10)과 커버패널(50)을 위로 볼록한 다면체로 형성하여 구현할 수 있다.

이렇게 형성된 위로 볼록한 기판(10)과 커버패널(50) 사이에 센싱포인트(S)들을 기판(10)과 커버패널(50)의 형상에 대응하여 전체적으로 위로 볼록한 형상으로 배열하면, 본 발명의 입력장치(1)가 형성된다.

센싱포인트(S)를 구성하는 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)은 해당 위치의 기판(10)과 커버패널(50)의 형상에 맞는 형상으로 형성한다. 이때 기판(10)과 커버패널(50)이 구형일 경우(도2)에 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)은 해당 위치의 굴곡에 부합하는 곡면으로 형성할 수 있다. 그리고 기판(10)과 커버패널(50)이 다각형일 경우(도3)에, 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)은 적층되는 위치의 각각의 다각형에 맞는 다각형으로 평평하게 형성할 수 있다.

도1은 6각형 조각들과 5각형 조각들을 붙여서 만들어지는 널리 알려진 축구공의 조각들과 같은 형상으로 센싱포인트(S)들을 형성 및 배열하고, 이런 센싱포인트들의 배열을 수용하도록 기판(10)과 커버패널(50)을 위로 볼록한 형상으로 형성한 예를 도시한 것이다. 이때 기판(10)과 커버패널(50)이 구형일 경우에 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)은 해당 위치의 굴곡에 맞는 곡면을 가지게 형성하고, 기판(10)과 커버패널(50)이 다각형일 경우에 하부극판(20), 탄성층(30) 및 상부극판(40)은 해당 위치의 다각형에 맞는 다각형의 평면으로 형성한다. 도시된 입력장치(1)의 형상은 하나의 예시로서 이에 제한되는 것은 아니다.

기판(10)과 커버패널(50)이 구형일 경우, 구형의 곡률이 클수록 특정 가압에 대해 정전용량변화를 일으키는 센싱포인트의 수를 더 줄일 수 있을 것이나, 곡률이 클수록 입력장치(1)가 위로 볼록하게 더 튀어나오게 될 것이므로, 입력장치(1)가 적용되는 환경에 부합하지 않을 수 있으므로, 입력장치(1)가 적용되는 환경에 부합하는 적절한 정도의 곡률을 가진 구형으로 형성하면 바람직할 것이다.

이와 같이, 본 발명에 따른 정전용량식 입력장치(1)는, 센싱포인트들이 평면이 아닌 위로 볼록한 형상으로 배열되어 있기 때문에, 손가락과 같은 물체에 의해 압력을 받을 때 해당 압력을 받아 정전용량변화를 일으키는(입력신호 생성에 관여하는) 센싱포인트의 개수를 줄일 수 있고, 결과적으로 하나의 입력신호 생성에 관여하는 센싱포인트의 수를 줄여 입력신호 생성의 오류를 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 입력장치(1)로부터 측정된 정전용량의 변화를 소정의 회로에 의해 처리하여 대응하는 입력신호를 생성하는 것, 생성된 입력신호를 본 발명의 입력장치가 설치된 휴대장치에 전송하는 것 등에 관한 기술은, 본 발명과 직접적인 관련이 없고, 해당 분야의 기술을 본 발명에 맞게 적절히 적용할 수 있으므로, 그에 대한 설명은 생략한다.

도면에서 설명되지 않은 도면부호 2는 본 발명의 입력장치(1)가 적용되는 전기전자장치의 프레임을 설정한 것이다.

1: 본 발명의 입력장치 10: 기판
20:ㅇ 하부기판 30: 탄성층
40: 상부기판 50: 커버패널

Claims (2)

1. 지지를 제공하는 기판(10), 상기 기판(10) 위에 적층된 다수의 하부극판(20), 각각의 상기 하부극판(20) 위에 적층된 탄성층(30), 각각의 상기 탄성층(30) 위에 적층된 상부극판(40), 및 상기 상부극판(40)들 위에 적층된 연성의 커버패널(50)을 포함하고, 상하 적층된 상기 하부극판(20), 상기 탄성층(30) 및 상기 상부극판(40)이 각각 센싱포인트(S)를 형성하며, 특정 위치의 상기 커버패널(50)이 가압되면, 상기 커버패널(50)의 탄성 변형력이 상기 상부극판(40)을 통해 상기 탄성층(30)에 전달되어 상기 탄성층(30)이 복원 가능하게 탄성적으로 변형되면서, 적어도 하나의 상기 센싱포인트(S)의 상기 하부극판(20)과 상기 상부극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 탄성적으로 변화함으로써, 해당 상기 센싱포인트(S)의 상기 하부극판(20)과 상기 상부극판(40) 사이에 정전용량변화가 발생하고, 해당 상기 센싱포인트(S)에서 측정된 상기 정전용량변화들의 패턴으로부터 가압위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치에 있어서,
   상기 기판(10)과 상기 커버패널(50)은 위로 볼록한 형상으로 형성되어 있고, 상기 센싱포인트(S)들은 상기 기판(10)과 상기 커버패널(50)의 형상에 대응하여 전체적으로 위로 볼록한 형상으로 배열되어 있으며, 각각의 상기 하부극판(20), 상기 탄성층(30) 및 상기 상부극판(40)은 해당 위치의 상기 기판(10)과 상기 커버패널(50)의 형상에 대응하는 형상으로 형성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 정전용량식 입력장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판(10)과 상기 커버패널(50)은 다면체 또는 구형에 의해 위로 볼록한 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는, 정전용량식 입력장치.

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