KR20110128533A

KR20110128533A - 복층 구조의 정전용량식 입력장치

Info

Publication number: KR20110128533A
Application number: KR1020100048038A
Authority: KR
Inventors: 한상열; 윤영복; 김정수
Original assignee: (주)하이디스터치스크린
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2011-11-30

Abstract

본 발명은 가압 위치와 압력의 크기에 따른 극판 사이의 정전용량변화로부터 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치로서, 정전용량변화를 측정하는 센싱포인트들이 격판을 사이에 두고 상하 복층으로 배치된 정전용량식 입력장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 입력장치(1)는, 절연 격판(10); 일정 두께(d)의 탄성층(20)과 탄성층(20)의 상면에 적층된 상부극판(30)과 탄성층(20)의 하면에 적층된 하부극판(40)으로 구성되고, 격판(10)의 상면에 일정 패턴으로 배열된 상부-센싱포인트(S1)들; 탄성층(20)과 탄성층(20)의 상면에 적층된 상부극판(30)과 탄성층(20)의 하면에 적층된 하부극판(40)으로 구성되고, 격판(10)의 하면에 일정 패턴으로 배열된 하부-센싱포인트(S2)들; 및 상부-센싱포인트(S1)들의 상면을 전체적으로 커버하도록 적층되고, 입력 작동을 위한 물체가 직접 가압되는 연성의 커버패널(50); 을 포함하고: 커버패널(50)이 가압되면, 가압된 위치의 상하부 센싱포인트(S1, S2)에서, 커버패널(50)의 탄성 변형력이 상부극판(30)을 통해 탄성층(20)에 전달되어 탄성층(20)이 복원 가능하게 탄성적으로 변형되면서, 상부극판(30)과 하부극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 변화함으로써 상부극판(30)과 하부극판(40) 사이에 정전용량변화가 발생하고, 측정된 정전용량변화들의 패턴으로부터 가압위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

복층 구조의 정전용량식 입력장치{Capacitive Input Device Having Duplex Structure}

본 발명은 입력장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 가압 위치와 압력의 크기에 따른 극판 사이의 정전용량변화로부터 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치로서, 정전용량변화를 측정하는 센싱포인트들이 격판을 사이에 두고 상하 복층으로 배치되어 있는 정전용량식 입력장치에 관한 것이다.

휴대전화기, 엠피쓰리, PDA, PMP, 휴대용 게임기, DMB 수신기 등 각종 휴대용 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, 손으로 누르는 것과 같은 압력에 상하 극판들 사이의 거리(탄성층의 두께)가 복원성 있게 가변되면서, 상기 거리의 변화에 따른 상기 상하 극판들 사이의 정전용량변화로부터 가해진 압력의 위치와 크기를 검출하여 이에 대응하는 입력신호를 생성하는 입력장치이다.

도3은 상기한 종래 정전용량식 입력장치의 기본구조를 보여주는 단면도이다.

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 적층된 구조로서, 물체로 연성의 커버패널(150)을 가압하면, 커버패널(150)의 변형, 탄성층(130)의 변형, 상하 극판(120, 140) 사이의 거리(d)의 변화, 및 상기 거리(d)의 변화에 따른 상하 극판(120, 140) 사이의 정전용량의 변화가 발생하게 된다.

실제 휴대장치에 적용되는 입력장치(100)는 다수의 상부극판(120)과 다수의 하부극판(140)을 예를 들어 가로세로 매트릭스 배열하고, 상부극판(120)들과 하부극판(140)들의 각 교차점들(센싱포인트)에서의 상기 거리(d)의 변화에 따른 정전용량 변화를 관련 회로로 측정하여 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, 상하 극판(120, 140) 사이에 탄성층(130)이 적층된 기본 구조의 센싱포인트가 정해진 면적 내에 일정 패턴으로 다수 배열되는 바, 소형화를 추구하는 휴대장치들의 경우 입력장치의 설치에 부여된 면적도 그만큼 좁게 되므로, 한정된 면적 내에 목적하는 입력신호들을 정밀도 있게 생성할 수 있을 만큼의 개수로 센싱포인트들을 배열하기 어려운 환경이 있을 수 있으며, 이런 한계로 인하여 센싱포인트들의 개수가 적정수보다 적을 경우, 즉 센싱포인트의 배치밀도가 낮을 경우, 그 센싱 성능의 저하를 유발하여 입력신호의 생성 감도가 낮아 그 정밀도가 떨어질 수 있다.

본 발명의 목적은, 가압 위치와 압력의 크기에 따른 극판 사이의 정전용량변화로부터 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치에 관련하여, 가해진 압력에 의해 정전용량의 변화를 발생시키는 센싱포인트(상하부 극판과 그 사이의 탄성층)가 절연 격판을 중심으로 상하면에 복층으로 배치하여, 제한된 면적에서의 센싱포인트들의 배치밀도를 높임으로써 입력장치의 센싱 감도를 향상시켜, 결과적으로 입력장치의 정밀도를 향상시키고자 하는 것이다.

본 발명에 따라 복층 구조의 정전용량식 입력장치가 제공된다.

본 발명에 따른, 복층 구조의 정전용량식 입력장치는, 절연 격판; 일정 두께의 탄성층과 상기 탄성층의 상면에 적층된 상부극판과 상기 탄성층의 하면에 적층된 하부극판으로 구성되고, 상기 격판의 상면에 일정 패턴으로 배열된 상부-센싱포인트들; 상기 탄성층과 상기 탄성층의 상면에 적층된 상기 상부극판과 상기 탄성층의 하면에 적층된 상기 하부극판으로 구성되고, 상기 격판의 하면에 일정 패턴으로 배열된 하부-센싱포인트들; 및 상기 상부-센싱포인트들의 상면을 전체적으로 커버하도록 적층되고, 입력 작동을 위한 물체가 직접 가압되는 연성의 커버패널; 을 포함한다.

본 발명에 따른 복층 구조의 정전용량식 입력장치는, 상기 커버패널이 가압되면, 가압된 위치의 상기 상부 및 하부 센싱포인트에서, 상기 커버패널의 탄성 변형력이 상기 상부극판을 통해 상기 탄성층에 전달되어 상기 탄성층이 복원 가능하게 탄성적으로 변형되면서, 상기 상부극판과 상기 하부극판 사이의 거리가 복원 가능하게 변화함으로써 상기 상부극판과 상기 하부극판 사이에 정전용량변화가 발생하고, 측정된 상기 정전용량변화들의 패턴으로부터 가압위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성한다.

바람직하게, 상기 상부-센싱포인트들과 상기 하부-센싱포인트들은 상하로 서로 엇갈리게 배치된다.

본 발명에 따른 복층 구조의 정전용량식 입력장치는, 가압 위치와 압력의 크기에 따른 극판 사이의 정전용량변화로부터 대응하는 입력신호를 생성하는 정전용량식 입력장치에 관련하여, 가해진 압력에 의해 정전용량의 변화를 발생시키는 센싱포인트가 전연 격판을 사이에 두고 상하 복층으로 배열되어 있음에 따라, 동일 면적의 입력장치에 대해 단위면적당 센싱포인트의 배치밀도를 높일 수 있고, 이로써 입력장치의 센싱 감도를 향상시켜 입력장치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 예시적인 정전용량식 입력장치의 개략 단면도,
도2는 본 발명에 따른 예시적인 정전용량식 입력장치의 개략 분해사시도,
도3은 종래의 예시적인 정전용량식 입력장치의 개략 단면도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 복층 구조의 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 복층 구조의 정전용량식 입력장치(1)는, 도1과 도2에 도시된 바와 같이, 격판(10), 상부-센싱포인트(S1)들, 하부-센싱포인트(S2)들 및 커버패널(50)을 포함된다.

상기 격판(10)은 상부-센싱포인트(S1)들과 하부-센싱포인트(S2)들의 사이에 매개되어 적층되는 판상의 절연 부재로서, 커버패널(50)에 가해진 압력은 격판(10)을 경유하여 하부-센싱포인트(S2)들에 전달된다.

상기 상부-센싱포인트(S1)들은 격판(10)의 상면에 일정 패턴으로 배열되고, 상기 하부-센싱포인트(S2)들은 상기 격판(10)의 하면에 일정 패턴으로 배열된다. 즉, 본 발명의 입력장치(1)는 격판(10)을 사이에 두고 그 상면과 하면에 센싱포인트가 상하 복층으로 적층되어 있다.

상부-센싱포인트(S1)들과 하부-센싱포인트(S2)들의 배열 패턴은, 가로세로 매트릭스 패턴 등, 본 발명의 입력장치(1)가 적용되는 휴대전화기와 같은 장치에서 요구되는 입력기능을 실현할 수 있는 적당한 패턴으로서 특히 제한되는 것은 아니다.

각각의 상부-센싱포인트(S1)와 하부-센싱포인트(S2)는, 탄성층(20), 상부극판(30) 및 하부극판(40)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

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

탄성층(20)은 해당 상부-센싱포인트(S1) 또는 하부-센싱포인트(S2)에서 전체의 상부극판(30)과 전체의 하부극판(40) 사이에 일체로 된 1개를 부착하여 형성할 수도 있고, 각각의 센싱포인트마다 개별적으로 부착하여 형성할 수도 있다.

탄성층(20)의 소재와 형상은, 상부극판(30) 및 하부극판(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 육면체 블록 등 일정 형상으로 성형하여 적용할 수 있다.

상기 상부극판(30)은 탄성층(20)의 상면에 적층 부착된다. 상부극판(30)은 통상적인 정전용량식 입력장치에 적용되는 2개의 전극 중에서 하나인 판상의 전극판으로서, 동판과 같은 전도성 소재로 형성된다.

상기 하부극판(40)은 탄성층(20)의 저면에 적층 부착된다. 하부극판(40)은, 통상적인 정전용량식 입력장치에 적용되는 2개의 전극 중에서 나머지 하나인 판상의 전극판으로서, 동판과 같은 전도성 소재로 형성된다.

이로써 상부-센싱포인트(S1)의 하부극판(40)은 그 하면이 격판(10)의 상면에 적층 부착되고, 하부-센싱포인트(S2)의 상부극판(30)은 그 상면이 격판(10)의 하면에 적층 부착되며, 하부-센싱포인트(S2)의 하부극판(40)은 그 하면이 본 발명의 입력장치(1)가 설치되는 장치의 예를 들어 기판(2) 등 견고한 구조물에 부착된다.

이때, 상부-센싱포인트(S1)들과 하부-센싱포인트(S2)에서 각각의 상부극판(30)과 하부극판(40) 중 하나의 극판(예, 상부극판)은 센싱포인트별로 개별적으로 별도로 형성하고, 나머지 하나의 극판(예, 하부극판)은 공통극판으로 하는 것이 가능하다.

이것은 본 발명의 입력장치(1)에 있어서 각각의 센싱포인트를 구성하는 상부극판(30)과 하부극판(40)은 2개의 극판 중 하나의 극판이 독립된 극판이라면 나머지 극판이 독립된 극판이든 하나의 통판이든 상관없이 각각의 센싱포인트에서 서로 다른 정전용량의 변화가 일어나기 때문이다.

그러나 각 센싱포인트의 상부극판(30), 탄성층(20) 및 하부극판(40)을 각각 독립적으로 형성하는 것이 정전용량변화에 대한 검출 감도를 높일 수 있어 바람직하다.

상기 커버패널(50)은 상부-센싱포인트(S1)들의 상면, 즉 상부-센싱포인트(S1)의 상부극판(30)(들)을 전체적으로 위에서 커버하도록 적층된다.

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, 손가락 등으로 가압할 때 복원성 있게 탄성적인 휨 변형을 일으킬 수 있을 정도의 연성을 가진 패널이다.

본 발명의 입력장치(1)가 터치스크린과 같은 장치에서 입력장치로 적용될 경우, 격판(10)과 커버패널(50)은 그 하측에 적층되는 표시장치의 표시내용이 잘 보이도록 투명한 소재로 형성된다.

결국, 본 발명에 따른 복층 구조의 정전용량식 입력장치(1)는, 본 발명의 입력장치(1)가 적용되는 휴대전화기와 같은 장치에 예를 들어 견고한 기판(2) 위에 설치되되, 기판(2)의 위에, 하부극판(40)과 탄성층(20)과 상부극판(30)의 순으로 적층 형성된 하부-센싱포인트(S2)들이 적층되고, 하부-센싱포인트(S2) 위에 격판(10)이 적층되고, 격판(10) 위에 하부극판(40)과 탄성층(20)과 상부극판(30)의 순으로 적층 형성된 상부-센싱포인트(S1)들이 적층되며, 상부-센싱포인트(S1)들 위에 커버패널(50)이 적층된 구조가 된다.

이상과 같은 구조의 본 발명에 따른 입력장치(1)는, 도1에 도시된 바와 같이, 예를 들어 손가락으로 커버패널(50)을 소정 압력(F)으로 가압하면, 가압된 부분의 연성의 커버패널(50)이 탄성적으로 휨 변형을 일으키게 되고, 커버패널(50)의 변형에 따라 변형된 부분의 커버패널(50)의 아래에 있는 상부-센싱포인트(S1)(들)와 하부-센싱포인트(S2)(들)를 가압하면서, 가압을 받은 상부-센싱포인트(S1) 및 하부-센싱포인트(S2)의 상부극판(30)이 아래로 가압되어 변위하면서 그 아래의 탄성층(20)이 탄성적으로 변형하게 되며, 가압된 센싱포인트를 구성하는 상부극판(30)과 하부극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 탄성적으로 변화하게 됨으로써, 가압된 센싱포인트의 양 극판 사이의 정전용량이 변화하게 된다.

즉, 커버패널(50)을 가압하면, 가압된 센싱포인트의 상부극판(30)과 하부극판(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, 가압되었던 센싱포인트의 탄성층(20)의 탄성복원력, 및 커버패널(50)의 복원력에 의해, 격판(10), 상부극판(30), 탄성층(20), 하부극판(40) 및 커버패널(50)이 원위치로 복귀된다.

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

손가락과 같이 넓은 물체로 커버패널(50)을 가압하게 되면, 압력을 받아 정전용량변화를 일으키는 센싱포인트(S)는 1개일 수도 있고 2개 이상일 수도 있는바, 1개의 센싱포인트에서 정전용량변화가 발생할 경우에 그에 대응하는 가압 위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하면 되고, 2개 이상 다수의 센싱포인트에서 정전용량변화가 발생할 경우에는 압력이 가해진 위치와 크기에 따라 해당 가압된 센싱포인트들의 정전용량변화의 패턴이 서로 다른 양상을 보이게 되는 바, 이런 센싱포인트들의 정전용량변화의 패턴으로부터 가압 위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하게 된다.

본 발명에 따른 정전용량식 입력장치(1)는 압력이 가해지는 수직방향으로 센싱포인트가 복층으로 적층되어 있으므로, 동일 조건이라면 단층에 비해 단위 면적당 센싱포인트의 수를 증가시킬 수 있으므로, 입력 작동에 대한 입력장치의 센싱 감도를 향상시킬 수 있고, 결과적으로 입력장치의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

따라서 본 발명의 정전용량식 입력장치(1)는, 입력장치의 설치에 제공된 면적이 협소하여 목적하는 다양한 입력신호를 생성하기에 충분할 만큼 센싱포인트를 배치하기 어려운 환경에서 동일 면적에 대해 효과적으로 센싱포인트의 수를 증가시킬 수 있게 된다.

단위 면적당 센싱포인트의 수를 증가시키면 센싱 감도를 향상시킬 수 있지만, 임의의 특정 입력 작동에 의해 정전용량 변화를 일으키는 센싱포인트의 개수가 지나치게 많으면, 센싱포인트 간의 간섭효과나 입력 오류가 일어날 가능성이 커질 수도 있다. 이런 점을 고려하여 상부-센싱포인트(S1)들과 하부-센싱포인트(S2)들을 상하 복층으로 배치하되 상하로 서로 엇갈리게 배치하여 인접한 2개의 상부-센싱포인트(S1)에 걸쳐 하나의 하부-센싱포인트(S2)가 위치되고, 인접한 2개의 하부-센싱포인트(S2)에 걸쳐 하나의 상부-센싱포인트(S1)가 위치되도록 배치할 수 있다.

이와 같이 엇갈림 배치를 하면 임의의 특정 입력 작동에 대해 정전용량 변화를 일으키는 센싱포인트가 상부-센싱포인트(S1)들과 하부-센싱포인트(S2)들에 적절히 배치되어 상대적으로 입력 오류를 일으킬 가능성을 감소시키게 된다.

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

또한, 첨부도면에서는 본 발명의 입력장치(1)의 전체 형상이 사각형인 예를 설명하였으나, 그 형상은 원형 등 다른 형상으로 형성할 수도 있음은 당연하다.

1: 본 발명의 입력장치 10: 격판 20: 탄성층
30: 상부극판 40: 하부극판 50: 커버패널

Claims

절연 격판(10);
일정 두께(d)의 탄성층(20)과 상기 탄성층(20)의 상면에 적층된 상부극판(30)과 상기 탄성층(20)의 하면에 적층된 하부극판(40)으로 구성되고, 상기 격판(10)의 상면에 일정 패턴으로 배열된 상부-센싱포인트(S1)들;
상기 탄성층(20)과 상기 탄성층(20)의 상면에 적층된 상기 상부극판(30)과 상기 탄성층(20)의 하면에 적층된 상기 하부극판(40)으로 구성되고, 상기 격판(10)의 하면에 일정 패턴으로 배열된 하부-센싱포인트(S2)들; 및
상기 상부-센싱포인트(S1)들의 상면을 전체적으로 커버하도록 적층되고, 입력 작동을 위한 물체가 직접 가압되는 연성의 커버패널(50); 을 포함하고:
상기 커버패널(50)이 가압되면, 가압된 위치의 상기 상하부 센싱포인트(S1, S2)에서, 상기 커버패널(50)의 탄성 변형력이 상기 상부극판(30)을 통해 상기 탄성층(20)에 전달되어 상기 탄성층(20)이 복원 가능하게 탄성적으로 변형되면서, 상기 상부극판(30)과 상기 하부극판(40) 사이의 거리(d)가 복원 가능하게 변화함으로써 상기 상부극판(30)과 상기 하부극판(40) 사이에 정전용량변화가 발생하고, 측정된 상기 정전용량변화들의 패턴으로부터 가압위치와 압력의 크기를 검출하여 대응하는 입력신호를 생성하는 것을 특징으로 하는, 복층 구조의 정전용량식 입력장치.
제1항에 있어서, 상기 상부-센싱포인트(S1)들과 상기 하부-센싱포인트(S2)들이 상하로 서로 엇갈리게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 복층 구조의 정전용량식 입력장치.