KR20150112392A - 펜 신호 검출 수단을 포함하는 터치 패널 - Google Patents

Abstract

본 실시예의 터치 패널은, 제 1 방향과 제 2 방향으로 배열된 복수의 터치 패널 전극들의 정전 용량의 변화를 이용하여 터치 위치를 검출하는 터치 패널로서, 상기 터치 패널 전극들 중 적어도 하나의 전극에 연결되고, 상기 터치 패널에 접촉되는 입력 수단의 필압을 검출하기 위한 펜 신호 검출 수단을 포함하고, 상기 펜 신호 검출 수단은, 상기 터치 패널 전극으로 전달할 AC 신호를 발생시키는 AC 신호 발생부와, 상기 입력 수단으로부터 전달되는 신호를 상기 터치 패널 전극을 경유하여 수신받고, 상기 입력 수단에 가해지는 필압을 판단하는 필압 검출부와, 상기 터치 패널 전극이 AC 신호 발생부와 선택적으로 연결되도록 하거나, 상기 터치 패널 전극이 상기 필압 검출부와 선택적으로 연결되도록 하는 스위칭부를 포함하는 펜 신호 검출 수단를 포함한다.

Description

펜 신호 검출 수단을 포함하는 터치 패널{A touch panel comprising pen signal detection means}

본 발명은 터치 패널에 대한 것으로서, 터치 패널을 구성하는 드라이빙 전극 또는 센싱 전극을 이용하여 스타일러스 펜으로부터 전달되는 신호를 수신할 수 있는 신호 검출 장치에 대한 것이다.

터치 패널 장치는, 사용자가 손으로 터치하거나 스타일러스 펜으로 터치하는 경우에 그 위치를 검출할 수 있는 기기이다. 이러한 터치 패널은 PDA, 은행의 ATM(Automated Teller Machine) 및 디스플레이 기기에도 사용되고 있다.

이러한 터치 패널의 기술에 의해서, 사용자의 손가락이나 펜이 컴퓨터의 입력 장치가 될 수 있다.

이러한 터치 패널에 채용되는 위치 검출 방식에는, 손가락이나 펜이 접촉되는 때의 압력 변화로부터 위치 검출을 수행하는 저항막 방식이나, 센서 도체간의 정전 용량의 변화로부터 위치 검출을 수행하는 정전 용량 방식(이하, 정전식 이라 함) 등이 있다.

최근에는 스타일러스 펜을 사용자 명령 수단으로 이용하여, 사용자가 스타일러스 펜을 정전식의 터치 패널에 터치함으로써, 그림을 그리거나 특정 영역을 선택하는 등의 명령을 수행하도록 하고 있다.

스타일러스 펜을 사용하는 경우에, 예를 들면, 펜의 측면에 스위치나 버튼을 마련하고, 마우스의 버튼 클릭과 같은 조작을 할 수 있도록 할 수 있으며, 스타일러스 펜으로 붓 글씨와 같은 효과를 내기 위하여 필압을 감지하여 터치되는 면적인 펜촉의 굵기를 변경할 수도 있다.

(특허문헌 1) JP2011-138180 A

예를 들면, 특허문헌 1의 경우에도, 사용자가 스타일러스 펜으로 터치 패널의 접촉을 가압하는 필압을 검출하기 위한 장치가 개시되어 있다. 상기 특허문헌 1에서는, 스타일러스 펜에 내장된 지시체에서 주파수가 다른 두 신호를 발생시키고, 이때, 두 신호의 발생 시간차를 펜의 필압에 대응하여 변화시키고, 그 시간차를 신호 검출 장치에서 감지하여 펜의 필압을 검출하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 특허문헌 1은 주파수가 다른 두 개(또는 그 이상)의 신호를 생성하는 전기 회로를 구동시켜야 하기 때문에, 일정한 전위를 유지하는 전력 공급원이 반드시 필요하다. 이러한 전력원을 스타일러스 펜에 장착하기 위해서는, 터치 패널을 구동하는 장치에서 무선 송전 수단을 이용하여, 상기 특허문헌 1에서 설명하는 바와 같은 지시체 내의 전력 저장 장치로 전송하여야 하거나, 전지를 상기 지시체에 연결할 필요가 있다.

이러한 구조를 개시하고 있는 상기 특허문헌 1의 경우, 무선 송전으로 전달되는 전력을 회로 구동에 적합한 안정적인 전원으로 사용할 수 있도록 하기 위하여, 정류 회로와 전력 에너지 저장을 위한 커패시터 등이 필요하며, 이러한 회로나 소자들이 상당한 전력을 소비하기 때문에, 전력 손실이 크다는 문제점과, 충분한 전력을 축적하는데 오랜 시간이 소요된다는 문제점이 있다.

또한, 전지를 사용하는 경우에는, 배터리의 교환이나 충전이 필요하며, 전지가 내장되는 스타일러스 펜의 경우 그 크기가 대형화되는 문제점이 있다.

본 발명은, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 스타일러스 펜과 같은 사용자 입력 수단의 필압을 검출하기 위하여 스타일러스 펜 내에 복잡한 회로를 구성하지 않으면서, 별도의 전지 등을 내장할 필요가 없는 스타일러스 펜에 대하여, 상기 스타일러스 펜의 필압 또는 버튼 입력을 검출할 수 있는 장치 및 그 장치를 포함하는 터치 패널을 제안하고자 한다.

본 실시예의 터치 패널은, 제 1 방향과 제 2 방향으로 배열된 복수의 터치 패널 전극들의 정전 용량의 변화를 이용하여 터치 위치를 검출하는 터치 패널로서, 상기 터치 패널 전극들 중 적어도 하나의 전극에 연결되고, 상기 터치 패널에 접촉되는 입력 수단의 필압을 검출하기 위한 펜 신호 검출 수단을 포함하고, 상기 펜 신호 검출 수단은, 상기 터치 패널 전극으로 전달할 AC 신호를 발생시키는 AC 신호 발생부와, 상기 입력 수단으로부터 전달되는 신호를 상기 터치 패널 전극을 경유하여 수신받고, 상기 입력 수단에 가해지는 필압을 판단하는 필압 검출부와, 상기 터치 패널 전극이 AC 신호 발생부와 선택적으로 연결되도록 하거나, 상기 터치 패널 전극이 상기 필압 검출부와 선택적으로 연결되도록 하는 스위칭부를 포함하는 펜 신호 검출 수단를 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의해서, 기존의 터치 패널의 전극을 이용할 수 있으며, 펜으로 공진 여기 AC 신호가 용이하게 전달될 수 있으므로, 스타일러스 펜 내에 전원부를 별도로 구성할 필요가 없는 장점이 있다. 또한, 펜으로부터 전달되는 필압 신호(LC 공진 신호)를 이용하여 필압을 검출할 수 있어, 보다 정확한 필압의 측정이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 실시예의 위치 검출 장치의 전체 사시도이다.
도 2는 본 실시예의 사용자 명령 수단이 되는 스타일러스 펜 내부에 마련되는 LC 공진 회로의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 실시예의 펜 신호 검출 수단에서 펜으로 전력을 전달하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 실시예의 펜 신호 검출 수단이 펜으로부터 전달되는 신호를 이용하여 필압을 검출하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 터치 패널 전극에서 관찰되는 전기 신호 V_PS의 시간 변화를 나타내는 도면이다.
도 6은 다른 실시예의 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예의 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

본 발명과 관련되는 이동 단말기의 설명에 사용되는 접미수 "수단" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

이하의 본 발명의 설명에서는, 터치 패널로 사용자 명령을 입력하기 위한 수단으로 스타일러스 펜을 예로 들어 설명하며, 본 발명은 이러한 스타일러스 펜으로부터 전달되는 전기 신호를 감지하는 회로에 대한 것이다. 스타일러스 펜에서 발생되는 LC 공진 신호를 펜과 터치 패널의 전극 사이에 형성되는 커플링 용량을 개재하여, 터치 패널의 전극으로 전달하고, 터치 패널의 전극 일단에 연결되는 필압 검출부에 의하여 수신된 신호의 주파수를 검출하는 장치에 대한 것이다. 그리고, 펜과 필압 검출부 사이에서 신호의 전달 경로가 되는 것은 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 터치 패널, 그 중에서도 터치 패널의 드라이빙 전극(Tx) 또는 센싱 전극(Rx)을 이용하는 특징이 있다.

특히, 상기 필압 검출부에 의하여 펜으로부터 전달된 신호로부터 상기 펜의 필압을 검출할 수 있고, 그로부터 사용자가 펜을 터치 패널측으로 가압하는 힘의 정도를 판단할 수 있는 것을 특징으로 한다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 스타일러스 펜의 필압으로 기재하고 있으나, 상기 스타일러스 펜에 마련되는 커패시터의 커패시턴스를 변화시킬 수 있는 버튼 등이 구비되는 경우에도 본 발명의 사상의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 실시예의 위치 검출 장치의 전체 사시도이다.

실시예의 위치 검출 장치는, 제 1 입력 수단으로서 스타일러스 펜(이하, 펜 이라고 함)(20)과, 제 2 입력 수단으로서 손가락(10)이 터치 또는 입력되는 위치를 검출하기 위한 검출 영역(30)을 포함한다. 검출 영역(30)에는, 유리 또는 아크릴 등의 보호 커버가 배치되고, 그 밑에는 LCD, OLED 등과 같은 표시 패널이 배치된다. 터치 패널에는 컴퓨터 등의 제어 수단으로부터 전달되는 신호가 표시된다.

알려진 바와 같이, 펜(20)을 검출 영역(30)상에서 조작하는 것에 의해, 표시 패널에 펜 조작에 따른 그림을 그리거나, 글씨를 쓰거나, 표시된 이미지의 영역을 선택할 수 있다. 사용자가 손가락(10)으로 입력하는 경우도 마찬가지이다. 그리고, 사용자가 두 개의 이상의 손가락을 검출 영역(30)상에 터치 또는 입력시키는 경우를 멀티 터치라고 하며, 실행되고 있는 응용 프로그램 또는 모바일 어플리케이션 등(이하, 응용 프로그램이라 함)에 따라 화면이 확대되거나 회전되는 등의 명령이 수행된다.

도 2는 본 실시예의 사용자 명령 수단이 되는 스타일러스 펜 내부에 마련되는 LC 공진 회로의 구성을 보여주는 도면이다.

본 발명의 실시예에서 스타일러스 펜에 마련되는 회로는, 트랜지스터나 다이오드 등의 전력 소모 소자는 사용하지 않고, 코일 L소자(Ls)와, 커패시터 C소자(ΔC 및 C_S)로 구성되는 LC 공진 회로를 포함한다. 그리고, 펜이 가압되는 힘에 따라 커패시턴스가 변화하는 가변 용량 커패시터(ΔC)를 포함한다.

LC 공진 회로는 기본적으로 전력을 소비하지 않기 때문에, 스타일러스 펜 내의 회로를 구동시키기 위한 별도의 전원을 구비하지 않아도 된다.

그리고, 스타일러스 펜의 LC 공진 회로의 공진 동작을 개시하기 위해서, 공진 동작의 개시 신호를 줄 필요가 있으며, 이러한 개시 신호를 주는 것은 공진의 초기 조건을 부여하는 것인데, 구체적으로는, 외부에서 LC 공진 회로로 AC 전압을 인가하고, 위상이 90도 어긋난 AC 전류를 공급한다. 이 경우, LC 공진 회로의 공진은 개시되지만, 에너지 주입이 아니기 때문에 매우 빠르게 공진이 안정화 상태로 진입하여 버린다. 이때, 주입 전력은 무효 전력이라고 하며, 실제로는 에너지 소비에 기여하지 않는 전력이라 할 수 있다.

보다 상세히 설명하면, AC 전원의 주파수와 LC 공진 주파수가 완전히 동일하지 않은 경우에, 스타일러스 펜의 LC 공진 회로는 LC 공진 주파수 성분을 갖는 진동과, AC 전원의 주파수 성분을 갖는 진동이 혼합된 진동이 이루어진다.

LC 공진 자체는 전력의 소비를 수반하지 않기 때문에, AC 전력 공급을 중단하더라도, LC 회로는 LC 공진을 계속한다. 다만, 실제에 있어서는, L에는 저항 성분이 있기 때문에, 그 저항에서 에너지 소비가 이루어지고, 열이 방출된다. 따라서, LC 공진의 진폭은, 시간이 지남에 따라, 점차 감쇄하여 간다. 이때, AC 전력을 계속하여 공급하더라도, LC 공진의 감쇄는 지속되고, 결국 LC 공진 주파수 성분의 진동은 제로가 된다. 다만, AC 전원의 주파수 성분을 갖는 진동은, AC 전원을 계속하여 공급하는 동안에는, 감쇄하지 않고 계속하여 존재한다.

AC 전원의 공급을 중단하면, 지금까지 AC 전력의 주파수로 진동하던 LC 공진 회로는, 즉시 AC 전원 주파수에서의 진동은 멈추고, LC 공진 주파수로 진동을 시작한다.

본 발명에서는, 인덕티브 커플링을 사용하지 않으며, 터치 패널과 스타일러스 펜 사이에 존재하는 커패시턴스(상호 용량)로 용량성 커플링시키고, 이러한 상호 커패시턴스를 통하여 전기 신호를 송수신한다.

스타일러스 펜에 내장된 LC 공진 회로를 구성하는 L소자의 인덕턴스 L_S , 혹은 C소자의 캐패시턴스 C_S 또는 두 가지 값은 스타일러스 펜 헤드의 필압에 따라 증감하는 구성이다. 가변 용량 콘덴서 ΔC를 도 2에서와 같이 고정 용량 C_S 와 병렬 연결한 LC 공진 회로의 C소자의 일부 요소로 설명한다.

필압에 따라 가변 용량 커패시터의 용량 ΔC는 다른 값을 취한다. 따라서, LC 공진 주파수도 그에 따라 다른 값이 된다. 즉, 본 발명에서, 필압을 검출하는 원리는, 스타일러스 펜에 내장된 LC 공진 회로가 발생시키는 공명 신호의 주파수 를 검출하는 것이다.

따라서, 압력을 감지하는 스타일러스 펜 LC 공진 회로로 공진 동작을 시작하게 하는 개시 신호를 전달하여야 한다. 구체적으로는, 이미 언급한 바와 같이 공진 구동 AC 전원을 외부에서 스타일러스 펜 LC 공진 회로로 줄 필요가 있다 .

도 2에 도시된 바와 같은 스타일러스 펜으로 전력을 전달하고, 상기 펜으로부터 전달되는 신호를 수신하기 위한 신호 검출 수단에 대해서는, 도 3 내지 도 6을 참조하여 더 자세히 살펴본다.

도 3은 본 실시예의 펜 신호 검출 수단에서 펜으로 전력을 전달하는 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 실시예의 펜 신호 검출 수단이 펜으로부터 전달되는 신호를 이용하여 필압을 검출하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 가변 용량 커패시터(ΔC)를 포함하는 LC 공진 회로가 내장된 스타일러스 펜의 펜 회로부(22)로 전력을 공급하고, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호를 수신하는 펜 신호 검출 수단(100)이 터치 패널 전극(50)에 연결된다.

여기서, 상기 터치 패널 전극(50)은, 앞서 설명한 바와 같이, 터치 패널의 드라이빙 라인 또는 센싱 라인이 될 수 있으며, 필요에 따라서는, 상기 펜 신호 검출 수단(100)이 상기 터치 패널의 드라이빙 라인과 센싱 라인 각각에 연결되는 구성도 가능하다. 즉, 상기 펜 신호 검출 수단(100)에서 펜으로 공진 여기 AC 신호를 전달하기 위한 AC 신호 발생부(110)는 터치 패널의 드라이빙 전극(Tx)으로 전압을 공급하기 위한 회로측에 구성되고, 펜으로부터 전달되는 신호를 수신하기 위한 필압 검출부(130)는 터치 패널의 센싱 전극(Rx)으로부터 신호를 검출하기 위한 회로측에 구성될 수 있다. 이에 대해서는, 도 7을 참조하여 자세히 설명하여 본다.

한편, 본 발명에서 펜으로부터 전달되는 신호로부터 필압을 검출하기 위한 신호 검출 장치가 터치 패널에서 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 드라이빙 전극(TX)과 센싱 전극(RX) 중 어느 하나의 전극선(이하, 터치 패널 전극이라 함)에 연결된다. 즉, 터치 패널에 구비되는 드라이빙 전극 또는 센싱 전극 중 적어도 하나의 전극선을 이용하여, 스타일러스 펜으로의 전력 전달과, 상기 펜으로부터 전달되는 신호의 수신이 이루어지는 것이 가능하다.

본 발명에서는, 정전 용량 커플링에 의한 신호 전달이 이루어지도록 하므로, 전압 변화시켜 전기 신호를 발생시키므로, 신호 전달 배선의 저항은 높아도 무방하다. 따라서, 신호 반환 경로는 별도로 설치할 필요가 없기 때문에, 신호 전달선은 코일로 구성하여야 할 필요가 없으며, 터치 패널을 구성하는 드라이빙 전극(Tx)이 이용될 수 있다.

실시예의 펜 신호 검출 수단(100)은, 사용자의 손가락 또는 펜 등의 터치 위치를 정전식으로 검출하기 위한 터치 패널 전극(50)에 연결되고, 상기 터치 패널 전극(50)을 경유하여 상기 펜 회로부(22)로 공진 여기 AC 신호를 공급하기 위한 AC 신호 발생부(110)와, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호에서 공진 주파수를 검출해내기 위한 필압 검출부(130)를 포함한다. 그리고, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 상기 터치 패널 전극(50)을 상기 AC 신호 발생부(110) 또는 필압 검출부(130)으로 선택적으로 연결되도록 하는 스위칭부(120,SW)를 포함한다.

상기 스위칭부(120)의 스위칭에 의하여, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 상기 펜 회로부(22)로 공진 여기 AC 신호를 공급하기 위한 AC 전력 공급원으로서의 역할을 수행하거나, 상기 펜 회로부(22)로부터 전달되는 신호를 분석하여 공진 주파수를 센싱함으로써 결국 스타일러스 펜의 필압을 검출하기 위한 필압 검출부로서의 역할을 수행한다.

상기 스위칭부(120)의 스위칭 동작에 의하여, 상기 터치 패널 전극(50)에는 상기 AC 신호 발생부(110) 또는 상기 필압 검출부(130)가 선택적으로 연결되는데, 상기 스위칭부(120)의 스위칭 시점 또는 시간에 대해서 기재하여 본다. 예를 들어, 상기 터치 패널 전극(50)이 정전식으로 사용자의 손가락 또는 스타일러스 펜의 위치를 검출하기 위하여 1프레임을 스캔하는데 소요되는 시간을 1/60초라고 한다면, 상기 스위칭부(120)는 그 1/60초의 시간 중에 1프레임을 스캔하는데 사용하지 않는 시간의 일부 동안(예, 200㎲ 정도) 상기 터치 패널 전극(50)에 공진 여기 AC 신호 발생부(110)가 연결되도록 스위칭한다. 터치 패널 전극을 스캔하여 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 시간은 제품과 제조 회사에 따라 상이할 수 있으나, 예를 들어, 1/60초 정도를 1프레임 스캔하는데 주어진 시간이라고 한다면, 실제에 있어서는 1프레임을 스캔하는데에 1/60초 중 일부를 사용하고 있기 때문에, 상기 스위칭부(120)에 의한 터치 패널 전극(50)이 상기 AC 신호 발생부(110)에 연결되는 시간(예, 200㎲ 정도)은 1/60초의 시간 내에서 정전식 위치 검출을 위한 프레임 스캔이 수행되지 않는 영역이라 할 수 있다.

도면에 도시되어 있지는 않지만, 상기 터치 패널 전극(50)으로 라인 스캐닝을 위한 전압을 공급하고, 손가락 또는 펜의 터치 위치를 검출하기 위하여 터치 패널 전극(50)으로부터의 출력 신호를 수신하여 정전식으로 터치 위치를 검출하기 위한 정전 센서부(전원 공급 회로 및 신호 검출 회로)가 존재한다. 그리고, 본 발명에서의 펜 신호 검출 수단이 AC 신호 발생부(110)와 필압 검출부(130)가 단일의 하드웨어/회로로 구성되어 있는 것처럼 도시되어 있으나, 실제의 실시에 있어서는 AC 신호 발생부(110)를 터치 패널의 전압 공급 회로 내에 마련하여 두고, 필압 검출부(130)를 터치 패널의 신호 검출 회로 내에 마련하여 두는 것이 가능하고, 이 경우, AC 신호 발생부(110)는 Tx 라인에 연결되고, 필압 검출부(130)는 Rx 라인에 연결될 수 있다. 이러한 구성 역시 하나의 실시예에 불과하며, 다양한 구성을 본 발명으로부터 획득할 수 있을 것이다.

본 실시예에서는, 상기 터치 패널 전극(50)이 기존의 터치 위치 검출을 위한 동작 이외에, 상기 스위칭부(120)에 의해서 상기 터치 패널 전극(50)으로 공진 여기 AC 신호를 전달하거나, 펜으로부터 전달되는 신호를 상기 터치 패널 전극(50)을 경유하여 주파수 검출을 위한 필압 검출부(130)로 전달될 수 있다.

먼저, 도 3을 참조하여, 펜 신호 검출 수단(100)의 AC 신호 발생부(110)에서 생성된 공진 여기 AC 신호, 즉, 공진 구동의 개시 신호를 터치 패널 전극(50)으로 전달하는 경우를 설명하여 본다.

펜 신호 검출 수단(100)에 포함되는 AC 신호 발생부(110)는 스위칭부(120)의 스위칭으로 터치 패널 전극(50)에 연결되고, 상기 AC 신호 발생부(110)에서 생성된 AC 신호는 터치 패널 전극(50)으로 전달되고, 스타일러스 펜과 상호 용량 C_M을 통해 공진 구동 신호로서 공진 여기 AC 신호는 LC 공진 회로(스타일러스 펜의 펜 회로부)에 AC 전원으로 전달된다.

위에서 언급하였지만, 본 발명에서 사용하는 터치 패널은 상호 용량 방식 터치 패널이며, 터치 위치 검출에 사용되는 전극 라인을 스타일러스 펜의 필압검출에도 함께 사용된다.

또한, 공진 구동을 위한 공진 여기 AC 신호는 정전 용량 커플링에 의해 스타일러스 펜 LC 공진 회로(22, 펜 회로부)로 전달되기 때문에 전류가 거의 흐르지 않는다. 그래서 상호 용량 방식 터치 패널을 공유할 수 있다. 보다 정확하게는, 호스트가 되는 터치 패널로부터 스타일러스 펜으로 전력(에너지)을 전달하기 위하여, 상기 AC 신호 검출부(110)가 터치 패널 전극(50)으로 공급할 AC 신호를 발생시킨다.

정전 용량 커플링에 의하여 호스트인 터치 패널 전극(50)으로부터 스타일러스 펜으로 공진 여기 AC 신호(AC 전원)이 전달되면, 스타일러스 펜의 LC 공진 회로는 AC 전원의 공급을 받고, 즉시 LC 발진을 시작한다. 여기서, 펜 회로부의 LC 공진 회로가 발진하게 되는 발진 주파수는 아래의 수학식 1과 같다.

여기에 L_S, C_S, ΔC는 각각 L소자의 인덕턴스, C소자를 구성하는 고정용량의 커패시턴스, C소자를 구성하는 가변 용량의 커패시턴스이다. 전술한 바와 같이, ΔC는 사용자가 스타일러스 펜을 터치 패널 상에 가압하는 힘(필압)에 따라 가변하게 되는 커패스턴스이고, 그 변화된 커패스턴스에 의해서 공진 주파수가 변동된다. 그리고, 이러한 공진 주파수의 값(또는 변동)을 확인하기 위하여, 본 실시예의 필압 검출부(130)가 구성된다.

LC 공진 신호의 공진 주파수가 공진 구동을 위한 공진 여기 AC 신호의 주파수와 일치하는 경우라면, LC 공진 신호의 진폭은 공진 여기 AC 신호 진폭과 거의 일치하게 된다. 그러나, LC 공진 신호의 공진 주파수와 공진 여기 AC 신호의 주파수의 차이가 크다면, LC 공진 신호의 진폭은 작아진다. 다만, 주파수의 오차가 -10%~+10% 범위 이내라면, LC 공진 신호의 진폭이 급격히 축소되는 현상은 발생되지 않는다.

LC 공진 회로의 공진 주파수를 정확히 검출해내기 위하여, 전달되는 공진 여기 AC 신호의 진폭보다 일정범위(예를 들면, 50%) 이하로 축소되지 않도록 하기 위하여, 주파수의 오차가 -10%~+10% 범위 이내가 되도록, ΔC의 커패시턴스를 설정하여 두면, 다음에서 설명하는 스타일러스 펜의 필압을 검출하는데 충분한 신호의 강도를 획득할 수 있다.

아래에서 더욱 상세하게 설명하겠지만, 펜의 펜 회로부(LC 공진 회로)의 공진 주파수를 검출해내기 위한 회로로는 미분기(131)와 비교기(132)가 될 수 있다.

본 실시예의 AC 신호 발생부(110)에 의하여 발생되는 AC 신호는, 아래의 수학식 2로 예시할 수 있다.

그리고, 상기 수학식 2를 미분하여 보면, 아래의 수학식 3이 된다.

결국, 미분파의 진폭은 주파수에 비례하게 되고, 미분기에서 LC 공진 신호를 전달받게 되면, 미분기에 의하여 미분된 미분파의 진폭 전압도 주파수에 비례하는 모듈레이션을 받게 되는 것을 알 수 있다.

만약, LC 공진 신호의 공진 주파수와 공진 구동을 위한 공진 여기 AC 신호의 주파수 차이가 ±10%를 초과하는 차이가 발생하게 되면, LC 공진 신호의 진폭은 50% 정도까지 작아진다. 이 경우, 그 신호를 미분기에 입력하면, 미분파의 진폭 전압은 x0.9의 45%가 된다. 한편, 주파수 차이가 ±10% 이내가 되어 LC 공진 신호의 진폭이 50% 정도로 작아지더라도, 미분기에서는 x1.1의 55%가 된다.

다시, 도 3을 참조하여 AC 신호 발생부(110)로부터 스타일러스 펜의 LC 공진 회로로 공진 여기 AC 신호를 전달하는 과정에 대해서 설명하여 본다.

LC 공진 신호의 진폭이 충분한 크기가 될 때까지의 설정 전달 시간(예를 들면, 200㎲ 정도) 동안 터치 패널 전극(50)으로 AC 신호가 전달되도록 한다. 공진 여기 AC 신호를 펜의 LC 공진 회로로 계속하여 공급하는 동안은, LC 공진 회로는 LC 공진 주파수의 진동(제 1 주파수 성분의 진동)과, 공진 여기 AC 신호의 주파수 성분을 갖는 진동(제 2 주파수 성분의 진동)이 혼합된 상태도 진동한다는 것은 앞서 설명한 바와 같다. 따라서, LC 공진 회로의 진동 신호의 진폭은, 제 1 주파수 성분과 제 2 주파수 성분이 혼합된 진동의 진폭이 된다.

펜의 LC 공진 회로로 공진 여기 AC 신호를 제공하는 것을 중단하는 경우에는, 공진 여기 AC 신호의 주파수 성분을 갖는 진동은 사라지고, LC 공진 주파수의 진동을 시작하지만, 그 때의 진동의 진폭은, 2개 주파수 성분의 진동이 혼합한 진동의 진폭을 그대로 갖게 된다. 즉, 공진 여기 AC 신호가 LC 공진 회로로 전달되는 것이 중단되어도, LC 공진 회로의 진동의 진폭이 당연히 작아지지 않는다.

한편, 상기 터치 패널 전극(50)과 AC 신호 발생부(110)가 연결되는 소정의 시간, 즉, 상기 설정 전달 시간 동안에 상기 AC 신호 발생부(110)로부터 공진 여기 AC 신호가 상기 터치 패널 전극(50)으로 제공하는 것은 유의미한 동작을 나타낸다.

즉, 상기 AC 신호 발생부(110)로부터 아주 짧은 시간(수천㎲)에만, 공진 여기 AC 신호가 터치 패널 전극(50)을 통하여 스타일러스 펜으로 전달할수도 있겠지만, 아래에서 설명한 V_O에 노이즈 내성을 갖기 위하여(즉, V_O의 SNR을 크게 하기 위하여), 일정 시간(설정 전달 시간) 동안의 공진 여기 AC 신호를 펜으로 공급할 필요가 있다.

터치 패널 전극(50)에는 부유 용량 C_P가 존재하기 때문에, 공진 여기 AC 신호를 단절시키면, 단절 직전의 전위 V_DC1가 C_P의 DC 전위로 유지된다. 참고로, 상기 스위칭부(120)의 스위칭에 동작에 의하여 터치 패널 전극(50)이 필압 검출부(130)와 연결되면, 상기 필압 검출부(130)로는 V_PS 전압(즉, 필압 검출 전압)의 AC 성분이 전달되지만, 상기 터치 패널 전극으로부터 전달되는 필압 검출 전압(V_PS)의 AC 성분과 함께 존재하는 DC 성분을 나타내기 위하여 DC성분을 V_DC1으로 표시하여 본다.

전위 V_DC1가 유지되는 상태에서는, 펜의 LC 공진 회로의 LC 공진 신호 V_S 는 C_M을 통해 터치 패널 전극(50)으로 전달된다. 이때 전달되는 것은 LC 공진 신호의 AC 성분으로서, 상기 부유 용량 C_P가 존재하기 때문에, 터치 패널 전극(50)으로 전달되는 AC 신호 V_O 는, 아래의 수학식과 같다.

또한, AC 신호 발생부(110)의 단절로서 V_DC1가 중첩되기 때문에, 터치 패널 전극(50)에서 관찰되는 전기 신호 V_PS는, 실제로 아래의 수학식 5와 같다.

도 5에는 터치 패널 전극에서 관찰되는 전기 신호 V_PS의 시간 변화를 나타낸다. 상기 스위칭부(120)는 공진 여기 AC 신호를 기설정된 설정 전달 시간동안 터치 패널 전극으로 전달한 다음에는, 상기 AC 신호 발생부(110)와의 연결을 단절시키는 것과 동시에, 공진 주파수 측정을 위하여 터치 패널 전극(50)을 필압 검출부(130)에 연결시킨다. 상기 필압 검출부(130)가 터치 패널 전극(50)에 연결되는 것에 의하여, 펜의 필압 검출을 수행하며, 이것은 결국 펜의 LC 공진 회로의 공진 주파수 측정을 위한 동작을 수행하는 것이다.

본 실시예의 필압 검출부(130)의 구성까지 상세히 도시한 도면은 도 4에 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 펜 신호 검출 수단(100)은 정전식으로 터치 위치를 검출해내기 위한 터치 패널 전극(50)에 연결되고, 상기 펜 신호 검출 수단(100)은 터치 패널 전극(50)측으로 AC 신호를 공급되도록 하거나, 터치 패널 전극(50)을 통하여 전달되는 신호를 수신받도록 하며, 이러한 선택적인 동작은 스위칭부(120)에 의하여 수행된다.

펜의 LC 공진 주파수가 포함된 신호가 상호 용량 C_M과 터치 패널 전극을 경유하여 필압 검출부(130)로 전달된다.

상기 필압 검출부(130)는 수신한 신호에 포함된 주파수를 측정함으로써 펜의 필압 정도를 검출하는 역할을 수행하고, 이를 위하여 미분기(131, differentiator)와, 비교기(132, comparator)를 포함한다. 그리고, 추가적으로, 신호의 지연을 부여하는 샘플링 쉬프터(133)와, 지연된 신호로부터 해당 주파수의 값을 카운팅하기 위한 EXOR 카운터(134)을 더 포함할 수 있다. 그러나, 상기 쉬프터(133)와 카운터(134)는 소프트웨어적으로 주파수의 값을 연산하는 것이 가능하기 때문에, 다른 구성요소로 치환되는 등의 실시예의 변경은 충분히 가능하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 터치 패널 전극(50)으로부터 필압 검출부(130)로 입력되는 필압 검출 전압(V_PS)은 필압 검출부의 미분기(131)의 입력으로 입력진다. 그리고, 상기 미분기(131)의 출력 신호 V_Dif는,

위의 수학식 6과 같다.

즉, 앞서 설명한 바와 같이, 미분기(131)에 의하여 DC 성분의 영향은 사라지게 되며, LC 공진 신호는 단일 주파수의 정현파이기 때문에, 당연히 미분하여도 신호 주기는 보존된다. 상기 미분기(131)의 출력 신호 V_Dif는, DC 성분이 제거된 필압 검출 전압이라 할 수 있다. 한편, 도 6에는 스타일러스 펜 회로부의 전압(V_S), 터치 패널 전극으로부터 필압 검출부(130)로 전달되는 필압 검출 전압(V_PS), 비교기(132)의 출력 전압(V_CO), 카운터(134)로 입력되는 전압(V_EX) 및 카운터(134)에 의하여 주파수가 카운팅되는 결과가 도시되어 있다.

상기 미분기(131)에 의하여 DC 성분이 제거된 필압 검출 전압, 즉, V_Dif는 비교기(132)로 입력된다. 비교기(132)의 비교 기준 레벨을 AC 그라운드로 한다면, 비교기(132)의 출력은 Vs의 반주기 마다 1 또는 0으로 바뀌는 제로 크로싱 감지 디지털 신호가 된다.

비교기(132) 출력의 주기는 디지털 카운터(134)에서 계산하기 위해 출력 신호의 스위칭 에지를 f_CNT 샘플링 클록에 동기화시킨다. 이를 위하여, f_CNT 샘플링 클록에 동기하여 신호를 쉬프트하는 쉬프터(133)를 사용할 수 있다.

이때, 시프터(133)는 2단 변속 구성의 시프터를 사용하여, 샘플링 신호와 1 샘플링주기 지연된 신호를 얻으며, 샘플링 클록의 주파수는 감지하려는 필압 단계의 수에 의존한다. 예를 들어, 20단계 정도로 필압을 검출하고자 하는 경우에, 공진 여기 AC 신호 주파수(예를 들면, 100KHz)의 100배의 주파수의 샘플링 클록 신호 (f_CNT = 10MHz)에서 샘플링하면 된다. 왜냐하면, LC 공진 주파수(V_S 주파수)는 공진 여기 AC 신호 주파수의 -10% ~ +10% 범위 이내로 설정하기 때문에, 1%의 해상도로 주파수 차이를 알게되면, -10 ~ +10 단계의 주파수 차이를 식별할 수 있게 된다. 즉, 20 단계(정확하게는, 21 단계)의 필압을 검출해 낼 수 있다.

쉬프터(133) 2개의 출력 신호의 EXOR 논리를 취하면 , 비교기(132) 출력의 0과 1 전환 에지를 검출하는 것이 가능하다. 즉, EXOR 논리 게이트의 출력은 스타일러스 펜에서 나오는 LC 공진 신호의 반주기마다 1샘플링 클록의 주기만 “1”이 되는 신호로 된다.

f_CNT를 NOR 게이트의 어느 한쪽의 입력 단자로 제공하고, EXOR 게이트의 출력을 NOR 게이트의 다른 입력 단자로 전달하면, NOR 게이트는 EXOR 게이트 출력이 0인 때에는, f_CNT 펄스를 스루로 계속한다. 그래서, EXOR 게이트 출력의 펄스수를 카운터로 카운팅하면, 공진 여기 AC 신호의 반주기에 들어가는 샘플링 펄스로부터 1펄스만을 뺀 펄스수를 알 수 있고, 그로부터 LC 공진 신호의 반주기의 시간을 산출할 수 있다. 그 결과, 스타일러스 펜 헤드의 압력, 즉, 필압을 검출하는 것이 가능하다. 즉, 쉬프터(133)가 2단으로 구성되어, 하나는 클럭에 동기화된 신호를 출력하고, 나머지 하나는 1클럭 지연된 신호를 출력하며, 이를 통해, 입력 신호가 0에서 1로, 반대로 1에서 0으로 변화하는 타이밍을 검출할 수 있다.

이상 설명한 일련의 필압감지 과정에 걸리는 시간은 매우 짧다. 예를 들어, 화면의 수직 동기 신호(V-Sync)의 기간에 필압을 검출할 수 있고, 1프레임 표시 기간 동안 터치 위치 검출과 필압 검출을 연속적으로 할 수 있다.

또한, 스타일러스 펜의 터치 위치를 감지한 다음, 해당 펜의 필압을 검출하는 때에, 공진 여기 AC 신호를 전달하고, 펜으로부터 전달되는 필압 검출 신호를 전달받기 위한 터치 패널 전극을 일부분만 선택하는 것도 가능하다. 즉, 먼저 터치 위치 검출에 의해 얻어진 터치 위치에서 가장 가까운 2개의 RX 전극(또는 2개의 TX 전극)에만 선택적으로 공진 여기 AC 신호를 전달하고, 이들 선택된 RX 전극(또는 TX 전극)을 LC 공진 신호가 포함된 필압 검출 신호를 전달받는 라인으로 사용할 수 있다.

공진 여기 AC 신호를 펜 회로부(LC 공진 회로)로 공급하면, 스타일러스 펜은 항상 LC 공진 신호를 다시 터치 패널 전극으로 보내기 때문에, 본 실시예의 필압 검출을 위한 구성요소들에 의해서 터치한 대상이 손가락인지 LC 공진 회로가 구비된 펜인지 여부까지 확인하는 것이 가능하다.

한편, 도 4에 예시한 본 발명의 펜 신호 검출 수단의 구성의 다른 실시예를 살펴본다.

예를 들어, 터치 패널의 경우, 아래에 배채된 LCD 장치와 터치 패널 전극들 사이의 커플링 노이즈가 존재한다. 이 경우, 인접한 전극선에도 거의 동일한 노이즈가 발생하게 되며, 이것은 공통 모드 노이즈(또는 부유 용량)라고도 한다. 이러한 노이즈는 미분기를 통과하면서 제거되는데, 레퍼런스 레벨을 터치 패널 전극을 경유하여 미분기로 제공하면, 미분기는 2개의 입력 신호의 차이를 미분 출력하기 때문에, 2개의 입력 신호의 차분에 의해 공통 모드 노이즈가 제거될 수 있다.

공통 모드 노이즈를 제거하기 위한 회로 구성이 도 6에 도시된다. 도 6은 다른 실시예의 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 도면이다.

도 6에 도시된 본 발명의 펜 신호 검출장치는, 터치 패널 전극(50)을 이용하여 AC 신호를 전달하고, 상기 터치 패널 전극(50)을 통하여 전달되는 펜의 공진 신호를 수신받아 필압을 검출하는 필압 검출부(130)는 도 4에 도시된 경우와 동일하지만, 터치 패널과 다른 구성(LCD 장치)와의 커플링에 의하여 발생되는 노이즈, 즉, 부유 용량을 제거하기 위하여, 미분기(131)의 입력단자 중 하나와 연결되는 부유 용량 제공부(200)를 더 포함한다.

상기 부유 용량 제공부(200)의 커패시턴스(C_P)는, 터치 패널에 형성되는 부유 용량의 값(C_P)과 동일한 값을 가지며, 상기 터치 패널 전극(50)을 통하여 전달되는 펜의 공진 신호가 미분기(131)의 제 1 입력단자로 입력되는 것과 함께, 부유 용량 제공부(200)를 통해서도 동일한 커패시턴스를 갖는 신호가 미분기(131)의 제 2 입력단자로 제공되도록 함으로써, 터치 패널에 형성되는 노이즈가 제거될 수 있다.

도 7은 또 다른 실시예의 펜 신호 검출 수단을 설명하기 위한 도면이다.

도 4와 도 6에 도시되는 본 발명의 실시예들의 경우에는, 공진 여기 AC 신호를 전달하는 터치 패널의 전극선과, 스타일러스 펜으로부터 출력된 펜의 공진 신호(펜 필압신호)를 검출하기 위한 필압 검출부(130)로 전달하기 위한 터치 패널의 전극선을, 동일한 전극선을 사용하는 경우에 대해서 설명하였다.

본 발명에서 이용하는 터치 패널은, 상호 용량 방식의 터치 패널로서, 터치 우치 검출에 사용되는 전극선을 그대로 스타일러스 필압 신호 검출에도 함께 사용한다는 것은, 이미 설명한 바와 같다.

이러한 터치 패널은 터치 위치를 검출하기 위하여 전극선이 X방향(예를 들면, Tx)과 Y방향(예를 들면, Rx)으로 배치되어 있기 때문에, 본 발명에서는, 예를 들어, X방향으로 배치된 전극선을 공진 여기 AC 신호를 공급하기 위한 전극선으로 이용하고, Y방향으로 배치된 전극선을 펜 필압 신호(LC 공진 신호)를 스타일러스 펜으로부터 필압 검출부(130)로 전달하기 위한 전극선으로 이용하는 구성도 가능하다.

스타일러스 펜의 헤드부는, X방향으로 배치된 전극선와의 사이에 상호 용량 C_M1이 존재하지만, 이와 동시에, Y방향으로 배치된 전극선과의 사이에도 상호 용량 C_M2가 존재하기 때문에, 동일한 상호 용량 커플링의 원리에 의해, X방향으로 배치된 전극선에서 스타일러스 펜으로 공진 여기 AC 신호가 전달될 수 있으며, Y방향으로 배치된 전극선을 개재하여 펜 필압 신호를 필압 검출부(130)로 전달하는 것 역시 가능하다.

상세히, 도 7을 참조하면, 터치 패널을 구성하는 전극선들 중에서 AC 신호 발생부(110)가 X방향으로 배치된 전극선, 예를 들면, 드라이빙 전극(Tx)(51)과 연결되고, 필압 검출부(130)는 Y방향으로 배치된 전극선, 예를 들면, 센싱 전극(Rx)(52)과 연결된다.

그리고, 상기 AC 신호 발생부(110) 및 필압 검출부(130)를 터치 패널의 드라이빙 전극(51)과 센싱 전극(52) 각각에 선택적으로 연결되도록 하는 제 1 및 제 2 스위치(SW1,SW2)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 스위치(SW1,SW2)의 동작에 따라, 상기 AC 신호 발생부(110)가 드라이빙 전극(51)에 연결/연결해제가 이루어지고, 미분기 및 비교기를 포함하는 필압 검출부(130) 역시 센싱 전극(52)에 선택적으로 연결된다. 따라서, 도 7에 도시되어 있는 경우의 실시예는, 실제에 있어서는, 터치 위치를 판별하기 위하여 드라이빙 전극(51)으로 전압을 공급하기 위한 전압 공급 회로 내에 상기 AC 신호 발생부(110)가 마련되고, 센싱 전극(52)으로부터 전달되는 신호를 수신하여 터치 위치를 판별하는 신호 검출 회로 내에 상기 필압 검출부(130)가 구성될 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의해서, 기존의 터치 패널의 전극을 이용할 수 있으며, 펜으로 공진 여기 AC 신호가 용이하게 전달될 수 있으므로, 스타일러스 펜 내에 전원부를 별도로 구성할 필요가 없는 장점이 있다. 또한, 펜으로부터 전달되는 필압 신호(LC 공진 신호)를 이용하여 필압을 검출할 수 있어, 보다 정확한 필압의 측정이 가능한 장점이 있다.

Claims (6)

1. 제 1 방향과 제 2 방향으로 배열된 복수의 터치 패널 전극들의 정전 용량의 변화를 이용하여 터치 위치를 검출하는 터치 패널로서,
   상기 터치 패널 전극들 중 적어도 하나의 전극에 연결되고, 상기 터치 패널에 접촉되는 입력 수단의 필압을 검출하기 위한 펜 신호 검출 수단을 포함하고,
   상기 펜 신호 검출 수단은,
   상기 터치 패널 전극으로 전달할 AC 신호를 발생시키는 AC 신호 발생부와,
   상기 입력 수단으로부터 전달되는 신호를 상기 터치 패널 전극을 경유하여 수신받고, 상기 입력 수단에 가해지는 필압을 판단하는 필압 검출부와,
   상기 터치 패널 전극이 AC 신호 발생부와 선택적으로 연결되도록 하거나, 상기 터치 패널 전극이 상기 필압 검출부와 선택적으로 연결되도록 하는 스위칭부를 포함하는 펜 신호 검출 수단를 포함하는 터치 패널.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 필압 검출부로 제공되는 신호는, 상기 입력 수단에서 생성된 공진 신호이고,
   상기 필압 검출부는 상기 공진 신호의 공진 주파수를 획득하기 위한 미분기와, 비교기를 포함하는 펜 신호 검출 수단를 포함하는 터치 패널.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 AC 신호 발생부와 필압 검출부는 상기 스위칭부의 동작에 의하여 동일한 터치 패널 전극과 전기적으로 연결되는 펜 신호 검출 수단를 포함하는 터치 패널.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 정전 용량의 변화를 검출하기 위하여, 상기 제 1 방향으로 전압을 공급하는 전압 공급 회로와, 상기 제 2 방향으로부터 출력되는 신호로부터 상기 터치 위치를 검출하기 위한 신호 검출 회로를 포함하고,
   상기 AC 신호 발생부는 전압 공급 회로 내에 마련되고,
   상기 필압 검출부는 상기 신호 검출 회로 내에 마련되는 펜 신호 검출 수단를 포함하는 터치 패널.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 AC 신호 발생부는 상기 스위칭부에 의하여 상기 제 1 방향으로 배치된 터치 패널 전극과 연결되고,
   상기 필압 검출부는 상기 스위칭부에 의하여 상기 제 2 방향으로 배치된 터치 패널 전극과 연결되는 펜 신호 검출 수단를 포함하는 터치 패널.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 스위칭부는 상기 AC 신호 발생부와 상기 터치 패널 전극을 선택적으로 연결하는 제 1 스위치와, 상기 필압 검출부와 상기 터치 패널 전극을 선택적으로 연결하는 제 2 스위치를 포함하는 펜 신호 검출 수단를 포함하는 터치 패널.
   

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